機械振動故障綜合模擬實驗臺的研制

魏巍宏, 劉同岡, 馬蕭蕭

(中國礦業大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116)

工程現場常用的機械故障診斷方法包括振動監測技術、油液分析技術、紅外測溫技術和無損檢測技術等。其中振動監測技術具有直接、實時和故障類型覆蓋范圍廣等優點[1-3]。

故障診斷技術對專業人員的技術素質水平要求較高。國際標準化組織制定的ISO18436-2-2003《機器的情況監測與診斷.人員的培訓與確認要求.第2部分:振動情況的監測和診斷》標準已在英、美、日等多國實施,并在培養機械故障診斷人員業務能力方面取得了不錯的效果。我國高校、科研機構與生產單位相結合,對在校學生和企業技術人員進行機械故障診斷教學和培訓。其中結合故障模擬實驗臺的實驗教學環節既可以幫助學生理解故障診斷的相關理論知識,也有助于學生掌握常見故障診斷技術的現場應用[4-6]。

目前,國內對機械振動故障模擬實驗平臺的研究不斷取得成果,已能準確模擬機械設備的典型故障[7-9]。但這些實驗臺主要是對某類零件的典型故障工況進行模擬,對模擬復雜故障工況的研究還不夠深入。而在故障診斷課程實驗環節中，往往涉及多類典型零件故障的模擬實驗。因此,設計一種能夠模擬復雜故障工況的機械振動故障診斷實驗臺十分必要。

本文設計了一種機械振動故障綜合模擬實驗臺,可以完成典型機械零部件故障工況(例如齒輪的齒面磨損,輪齒折斷,轉子不對中、不平衡,滾動軸承的外圈磨損、內圈磨損和滾動體磨損)的模擬實驗,構建了一套振動信號監測系統。通過故障模擬測試說明該實驗臺性能良好。

1 機械振動故障綜合模擬實驗臺的研制

機械振動故障綜合模擬實驗臺的結構如圖1所示。該實驗臺主要由齒輪故障模擬模塊、轉子與軸承故障模擬模塊和電機驅動模塊等組成,可以完成變速、變載荷條件下的齒輪、轉子和滾動軸承故障工況模擬實驗,可以完成機械設備典型故障工況特點和振動監測實驗教學內容。

圖1 機械振動故障綜合模擬實驗臺結構圖

1.1 齒輪故障模擬模塊

齒輪故障模擬模塊主要由齒輪箱(一級直齒圓柱齒輪)和磁粉制動器(江蘇航宇,CZ-0.5型)組成。齒輪箱內的小齒輪為主動輪,大齒輪(故障模擬齒輪)為從動輪；磁粉制動器利用電磁感應原理為齒輪箱提供0～5 N·m的穩定扭矩負載。

此模塊可以完成輪齒折斷和齒面磨損的故障工況模擬實驗。齒面磨損故障工況模擬是通過在故障模擬齒輪的輪齒頂部加工0.5 mm深的倒角完成的；輪齒折斷故障工況模擬是通過除去故障模擬齒輪的某個輪齒完成的。齒輪故障模擬模塊可以對各類故障齒輪故障工況進行模擬。

1.2 轉子與軸承故障模擬模塊

轉子與軸承故障模擬模塊由加載裝置、軸承座、轉子平臺和平衡盤等零部件組成。其中轉子不對中故障是通過調整轉子主軸與驅動輸入軸的夾角,完成不對中的故障工況模擬；轉子不平衡故障是通過在平衡盤上加裝質量塊,完成轉子質心位置偏心的不平衡故障工況模擬；滾動軸承故障是通過在轉子系統中使用有缺陷的滾動軸承,結合加載裝置完成故障工況模擬。

轉子與軸承故障模擬模塊既可以對轉子和軸承的單種典型故障工況進行模擬,還能完成多種故障共同作用的復雜工況模擬。

1.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊主要由變頻電機(上海富田,VFG80-1500-0.75-B3)、控制柜和同步帶裝置組成。變頻電機借助變頻器(深圳AMB,AMB100系列)實現速度調節,并通過控制柜上設置的按鈕為實驗臺提供75～1 450 r/min的旋轉運動輸入。同步帶裝置不但為故障模擬模塊傳遞電機輸出的旋轉運動,而且降低了電機振動對故障模擬模塊的影響。

驅動模塊提供的旋轉運動輸入穩定、速度范圍廣,滿足實驗臺的驅動需求。

2 振動信號監測系統

為監測和分析實驗臺的故障振動信號,根據實驗臺振動特點和信號分析需求,構建了一套由加速度傳感器(江蘇聯能,CA-YD-186型)、四通道信號采集儀(武漢優泰,uT3604FRS-ICP型)和信號分析軟件組成的振動信號監測系統。

轉子和軸承的故障振動信號頻率成分豐富、頻帶較寬,故障信息一般反映在中頻段和高頻段[10-11]。因此，選擇對實驗臺的加速度信號進行監測。振動信號監測系統需要對故障模擬模塊的3個方向進行監測,因此需選用四通道信號采集儀。與信號采集儀配套的信號分析軟件可以對振動信號進行采集、存儲和特征提取,其中故障特征提取方法包括相關函數、線性譜、功率譜、倒頻譜和共振解調譜等。由上述加速度傳感器、四通道信號采集儀和信號分析軟件組成的振動監測系統,可以對實驗臺的振動加速度信號進行采集和故障特征提取,滿足實驗臺的振動信號采集分析需求。

3 測試實驗

為檢驗機械振動故障綜合模擬實驗臺的實驗效果,進行了故障模擬測試實驗。通過對實驗結果的分析研究,依次驗證了實驗臺模擬齒輪、轉子和滾動軸承典型故障工況的準確性和穩定性。

為了讓傳感器盡可能地靠近故障部位,監測旋轉機械時測點一般選擇布置在軸承座或安裝軸承的設備殼體。常用加速度傳感器安裝方法包括螺釘固定法、膠粘法和磁座吸附法等。其中磁座吸附法的測點位置可調,有利于研究測點的選取對振動監測結果的影響,因此選擇磁座吸附法安裝加速度傳感器[12-13]。傳感器安裝位置如圖2所示,對軸承座和齒輪箱箱體的振動狀態進行監測。

圖2 測點位置

實驗條件：電機輸出轉速1 480 r/min；齒輪箱傳動比1.36(75∶55),齒輪模數2,齒輪箱的扭矩負載5 N·m；轉子不對中故障模擬實驗的轉子主軸與驅動輸入軸夾角2°；轉子不平衡故障模擬實驗的質量塊重1 g,距離軸線80 mm；滾動軸承故障模擬實驗的故障軸承型號N205。

為了識別實驗臺的故障振動信號,使用共振解調法對實驗結果進行故障特征提取。通過共振解調法消除實驗結果中常規振動信號干擾，并提取出只包含故障特征信息的低頻包絡信號,對該包絡信號進行頻譜分析,提取故障振動信號的特征頻率[14]。

為了驗證實驗臺模擬故障工況的穩定性,重復進行16次工況參數相同的轉子不平衡故障模擬實驗,并對重復實驗的結果進行合成分析。

4 實驗結果及討論

4.1 齒輪故障模擬測試實驗結果及分析

根據齒輪箱工況參數算出測試實驗的齒輪嚙合頻率1 328.8 Hz,故障齒輪旋轉頻率18 Hz。

齒面磨損故障模擬實驗結果的線性譜如圖3所示。嚙合頻率及其高次諧波分量譜線的幅值增大,出現由分數諧波構成的邊頻帶,其特征符合分布式齒面磨損故障振動機理。

圖3 齒面磨損故障振動信號圖譜

輪齒折斷故障模擬實驗結果如圖4所示。譜圖中出現由故障齒輪旋轉頻率及其高次諧波組成的等間距譜線,該特征與局部式齒根斷裂故障振動機理一致。

圖4 輪齒折斷故障振動信號圖譜

4.2 轉子故障模擬測試實驗結果及分析

轉子角度不對中故障模擬實驗結果如圖5所示。特征譜線為轉子旋轉頻率及其二倍頻。其中轉子旋轉頻率與二倍頻幅值比小于2,該幅值特征與轉子角度不對中故障振動機理相符。

圖5 轉子不對中故障振動信號圖譜

轉子不平衡故障模擬實驗結果如圖6所示。特征譜線為轉子旋轉頻率,譜圖中轉子旋轉頻率及其高次諧波構成“樅樹形”頻帶,上述信號特征與轉子不平衡故障振動機理一致。

圖6 轉子不平衡故障信號圖譜

4.3 滾動軸承故障模擬測試實驗結果及分析

根據滾動軸承故障振動機理和實驗工況參數計算出軸承故障特征頻率理論值如表1所示。

表1 滾動軸承故障特征頻率 Hz

其中外圈故障模擬實驗結果如圖7(a)所示,特征譜線為133.59 Hz及其二倍頻,與滾動軸承外圈磨損故障振動機理一致；內圈故障模擬實驗結果如圖7(b)所示,特征譜線為191.41 Hz和以工頻為間距的邊頻帶,符合滾動軸承內圈磨損故障振動機理；軸承滾動體故障模擬實驗結果如圖7(c)所示,特征譜線為60.93 Hz,與軸承滾動體磨損故障的特征頻率理論值接近。

圖7 軸承故障振動信號圖譜

4.4 穩定性測試實驗結果及分析

按時間歷程順序將16張轉子不平衡故障模擬實驗結果頻譜圖進行合成,得到如圖8所示的三維瀑布譜陣。譜陣中,不同時刻的故障振動信號譜線整體趨勢一致,特征頻率基本不變,任意頻率成分在不同時刻所測得的故障振動信號特征相同。

圖8 轉子不平衡故障重復實驗結果譜陣

上述實驗結果表明：所設計的機械振動故障綜合模擬實驗臺能準確模擬齒輪、轉子和滾動軸承的典型故障工況,振動信號特征與故障振動機理一致,模擬的故障工況穩定可靠,可以提供穩定、準確的故障工況和故障振動信號,滿足故障診斷實驗教學環節需要。

5 結語

機械振動故障綜合模擬實驗可以幫助學生理解故障診斷相關知識和鍛煉實踐動手能力,滿足復雜故障工況的模擬和測試分析需求。實驗結果表明：該實驗臺模擬的故障信號特征與故障振動機理一致,模擬故障工況準確穩定,適用于機械故障診斷實驗教學。實驗臺為故障診斷課程提供了良好的實驗教學平臺,也為其他類型故障模擬實驗臺的研制與應用提供了借鑒。

機械振動故障綜合模擬實驗臺主要針對振動監測模塊進行研究,后續工作可在實驗臺的基礎上進一步增加油液分析、溫度等參數的監測模塊，實現故障信號的多參數融合數據分析與診斷研究工作,以提高故障診斷的準確性。