小型滾動軸承故障模擬實驗臺研制

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.遼寧裝備制造職業技術學院 自控學院，遼寧 沈陽 110161；3.中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110164)

1 引言

滾動軸承廣泛應用于工程機械、交通運輸、家用電器等各個領域，它是旋轉機械是否可靠運行的關鍵部件之一[1]。滾動軸承常承受周期性變化的交變載荷，使其更易出現故障，如疲勞剝落、磨損、裂紋等，若不能及時處理，將最終導致軸承失效，使機械設備的安全性和可靠性受到致命影響，甚至造成嚴重的安全事故和巨大的經濟損失[2]。因此，開展滾動軸承的故障診斷和狀態監測具有重要的工程意義[3]。

目前，國內對于滾動軸承的故障試驗以大中型尺寸的軸承為主，但在很多生產設備中，小型滾動軸承的使用量更大，如電動車用電動機、數控機床、電器儀表等[4]，而市場上幾乎很少能找到針對小型滾動軸承的故障診斷實驗臺，并且不能模擬變載荷、變轉速的復雜工況。另外，現有設備的加載方式多以液壓加載或電磁加載的形式為主，加載設備復雜，載荷大小難以控制，造價昂貴，而且很難保證兩側軸承均勻承載，容易造成偏心載荷，使得所測數據失真。

針對以上不足，本文設計研發了一臺用于小型滾動軸承故障模擬實驗臺，利用該實驗臺可以診斷出軸承在不同工況下的故障位置，提取變轉速、變載荷情況下的故障特征，建立故障特征信息庫，監測軸承實時運行狀態，分析影響軸承壽命的因素，對產品設計改良和維護策略制定提供參考依據。

本文所研發的小型滾動軸承故障模擬實驗臺是一個集狀態監測、故障診斷、壽命預測于一體的多功能智能系統，涉及機械設計技術、檢測與測量技術、信號處理技術、智能算法等多個學科知識的融匯貫通，是機電類專業學生開展工業工程類相關課程實驗和創新實踐的良好平臺。

2 實驗臺的構成

小型滾動軸承故障模擬實驗臺如圖1所示。

圖1 小型滾動軸承故障模擬實驗臺

在結構設計上綜合考慮了實驗要求和功能要求，主要包括驅動系統、被測對象、測試系統及加載系統。其中，驅動系統由一臺異步電動機和調速器組成，可調速范圍為0～2800r/min，調速器可快速、平穩地過渡到預定轉速，滿足不同工況要求；被測對象主要由試驗軸承、陪試軸承、主軸及聯接部分組成，主軸采用階梯結構與軸承實現過渡配合裝配，這樣不僅可以避免主軸和軸承間的間隙過大影響試驗效果，還可以方便軸承裝拆；測試系統由傳感器、信號采集系統、計算機等設備組成；加載系統可實現對試驗軸承施加徑向載荷，如圖2所示為實驗臺機械結構的三維圖。

圖2 實驗臺機械結構的三維圖

3 徑向加載裝置設計

目前，滾動軸承徑向加載主要為點加載和半圓周加載[5]，加載位置常設置在軸承座上，利用軸承座對軸承外圈的徑向推力實現加載，如圖3所示，這種方式不能模擬軸承的真實工作狀況，實際軸承所受徑向力多來自旋轉主軸的拉力。當主軸承載時，由于摩擦力矩的作用將載荷施加到軸承上，隨著主軸的旋轉，軸承上承受的載荷是動態可變的，在這樣的狀態下，按一定的載荷速度譜進行模擬實驗，測得所試軸承的振動、溫升等數據才能體現軸承的實際健康狀況，為進一步監測軸承的疲勞壽命奠定基礎[6]。

圖3 滾動軸承徑向力加載方式示意圖

本文設計的徑向加載裝置如圖4所示，采用彈簧加載方式，并配合2根加載螺紋柱和一段方管將彈簧封閉固定起來，方管一側留有可視窗口，便于觀察和測量壓力彈簧的壓縮量。由于載荷大小與加載彈簧的壓縮量成正比，通過上加載螺紋柱對高強度壓簧的同步螺旋推進將載荷作用在加載輪上，再經過主軸傳遞給軸承，進而實現軸承的徑向拉力加載。這種結構設計使得施加的載荷容易控制、減輕了自身重量，降低了設計成本，非常適合于小型滾動軸承的故障模擬試驗。

1-上加載螺紋柱;2-高強度壓簧;3-固定支架;4-下加載螺紋柱;5-固定螺栓;6-加載輪圖4 徑向力加載裝置結構圖

另外，加載彈簧在運行中可有效吸收加載輪和主軸接觸產生的各種振動能量，提高了加載裝置的穩定性，減少了對軸承振動信號的干擾。同時，加載輪采用對稱可繞中心旋轉的結構，可以實現對兩側軸承的均衡加載，消除偏心載荷對測試數據的影響。此外，在固定支架上還設計了可調螺孔，可適應不同高度的主軸及軸承。固定螺栓設計成直徑不同的螺紋結構，目的在于既能有效固定下加載螺紋柱和加載輪整體的位置，又能防止打孔過大從而降低下加載螺紋柱的機械強度。

4 滾動軸承疲勞剝落故障設計

在滾動軸承的工作過程中，滾動軸承的內圈常受到交變載荷的作用，加之安裝不當、摩擦過度、使用不良等因素，使滾動軸承與其他部件的接觸面上容易產生疲勞，導致滾動軸承接觸表面金屬呈現點狀或片狀剝落，這是滾動軸承故障的初始形式[7]。為了模擬滾動軸承的剝落故障，根據滾動軸承的結構特征及剝落故障的狀態，并考慮小型滾動軸承接觸面加工技術的現狀，采用電火花加工技術在軸承的內圈、外圈、滾動體上布置了單點故障[8]。在實驗臺上，假定軸承接觸面疲勞剝落故障滿足Paris定律[9]，即其擴展的程度由疲勞剝落故障的長寬深度、材料、疲勞循環中的應力強度因子確定。模擬滾動軸承正常、內圈、外圈、滾動體故障實物圖如圖5所示。假設疲勞剝落故障寬度為0.5mm，長度為9mm，深度為1mm，材料為軸承鋼，應力強度因子取值55。

圖5 模擬滾動軸承故障實物圖

5 信號采集系統

信號采集系統分別可檢測振動信號、壓力信號及轉動圈數，如圖6所示。

圖6 信號采集系統工作框圖

振動信號是軸承故障診斷的常用方法，通過振動加速度傳感器獲得測試軸承及陪試軸承的振動信息，測點的不同布置位置會影響加速度特征信號的大小[10]。經過多次測點選擇和信號分析，最終將加速度傳感器的位置選擇在A、B、C、D四點。其中，A點為電機驅動端9點鐘位置，B點為陪試軸承底座，C、D點為試驗軸承座的3點鐘和6點鐘位置，如圖2所示。軸承疲勞剝落故障振動信號采集儀為DT9857E型8通道高精度振動信號分析系統。

壓力信號主要是實時檢測軸承徑向載荷的大小[11]，采用紐扣式微型壓力傳感器量程為500kg，綜合精度為0.1%，其輸出信號通過控制儀表顯示并保存。

轉動圈數采用電磁計數器記錄試驗軸承已經運行的圈數，可作為監測、判斷、預測試驗軸承剩余壽命的依據。

6 驗證實驗

對研制的小型滾動軸承故障模擬實驗臺進行可靠性試驗。利用信號采集系統測得的振動信號來識別測試軸承的健康狀況，并判斷故障軸承是否失效。

實驗選用的滾動軸承型號為6200DDU深溝球軸承，其參數如表1所示。

表1 測試軸承主要參數

根據實驗要求：需要測量軸承在不同大小徑向載荷、不同主軸轉速作用下的振動信號。因此，采用加載裝置將徑向力調整到所需的某一數值后， 再通過調速器改變電機轉速即可滿足實驗要求，用這種方法即可模擬軸承在不同載荷下振動信號隨轉速的變化情況。

本文選取其中的一種情況進行故障分析，如表2所示為該工況下的軸承各部分故障特征頻率。

表2 軸承實驗工況和故障特征頻率

設置信號采集系統的采樣頻率為12HZ，采集數據點為4096，即可得到測試軸承在正常工況、外圈故障、內圈故障、滾動體故障四種情況下的振動信號時域波形圖，如圖7～10所示。從圖中可以看出，故障缺陷的位置不同，振動沖擊強度和規律也不相同。

圖7 正常工況下的時域波形圖

對振動信號的頻譜分析(如包絡譜)常作為故障診斷和識別的依據[12]，圖11～13所示分別為外圈故障、內圈故障、滾動體故障對應的包絡譜，圖11中突出頻率峰值為108.4Hz和外圈故障頻率的理論之102.69Hz相近；圖12中突出頻率峰值為161.1Hz和內圈故障頻率的理論值166.86Hz相近；圖13中很容易找到與滾動體故障特征頻率59.33Hz相近的頻率58.59Hz及其2、3、4、6、9倍頻與轉頻調制成分，這是因為軸承旋轉時，滾動體點蝕產生的振動信號頻率會隨轉動呈周期性變化，由此可以判斷，該軸承滾動體出現了故障。

圖8 外圈故障下的時域波形圖

圖9 內圈故障下的時域波形圖

圖10 滾動體故障下的時域波形圖

通過上述試驗，驗證了實驗臺機械結構和所測數據的可靠性，以及采用振動信號進行軸承故障診斷的有效性，并為下一步開展小型滾動軸承剩余壽命研究提供了必要保證。

圖11 外圈故障下的頻域包絡圖

圖12 內圈故障下的頻域包絡圖

圖13 滾動體故障下的頻域包絡圖

7 結論

本文研制了一套小型滾動軸承故障模擬實驗臺。在實驗臺上，可以開展滾動軸承不同程度、不同位置的疲勞剝落故障試驗，模擬滾動軸承在不同徑向載荷、不同轉速狀態下的振動特征。通過信號采集和分析系統處理后建立滾動軸承故障信息數據庫，可為滾動軸承早期故障的診斷和識別提供依據。實驗臺還可用于監測滾動軸承的健康狀態，并預測其剩余壽命。同時，由于實驗臺的設計覆蓋多個學科領域和綜合應用，不僅可以提升學生的動手實踐能力還能培養學生的創新思維和科研探索精神。