基于動力學建模的礦山機械滾動軸承故障頻率識別

李 明，李建寧

(兗礦國宏化工有限責任公司，山東 鄒城 273500)

伴隨我國礦產資源深加工技術的不斷發展，化工機械設備的復雜程度和自動化水平越來越高，機械設備的故障診斷和預測也越來越受到重視。如果設備本身或者其關鍵部件的損壞不能及時的預防和發現，不僅可能導致設備損壞和生產停滯，甚至可能出現重大生產事故，所以對礦山機械設備故障預測和診斷是保障生產和安全的重要技術[1]。礦產資源深加工機械設備以旋轉機械居多，所有旋轉機械都不可避免的產生振動，正常的振動是被允許的，隨著機械的運行時間的增加，零部件的磨損和破壞，機械的振動會偏離正常振動，振動的幅值會加大，振動的頻率特性會發生變化。根據振動信號判斷機械設備的健康狀態，預測機械部件的壽命，是能源深加工行業中使用最廣泛的故障預測和診斷技術。機械的振動的頻譜規律是判斷機械運行狀態的重要指標，正常的頻譜規律通過測試就可以獲得，但故障頻譜規律的獲得就需要對機械結構進行動力學建模，模擬故障狀態通過計算獲得，動力學建模是故障診斷技術的重要依據。本文針對旋轉機械中故障發生率最高的滾動軸承部件的內、外圈故障和滾動體故障進行動力學建模，預測其故障發生頻率，并通過實際案例進行檢驗。

1 動力學模型的建立與求解

滾動軸承工作時，一般是軸承外圈和軸承座相固定，內圈隨著機械的傳動軸一起轉動，若干個滾動體在礦山機械設備軸承內外圈的滾道上滾動。軸承本身的結構特點就造成了軸承剛度的變化，引起軸承振動，這種振動我們把它稱之為VC振動，這種振動是不可避免的，屬于正常的振動。根據軸承的結構，為了研究其外圈故障特征頻率，我們假設以下條件：

（1）內圈和轉軸、外圈和軸承座之間為剛性連接；

（2）內圈、外圈為剛性體。

（3）只考慮徑向所受的力，不考慮軸向所受的力。

根據以上條件，我們將其簡化為單自由度的彈簧-阻尼系統。

當軸承內圈或者外圈發生產生表面損傷時，滾珠每次經過損傷點時就會發生一次突變的沖擊脈沖力，該脈沖力是一寬帶信號，所以必然覆蓋軸承系統的高頻固有振動頻率而引起諧振，從而引起諧振，這種軸承元件在工作表面損傷點在運行過程中反復撞擊與之接觸的其他元件表面而產生的低頻振動成分，就是本文所要進行計算的表面損傷故障特征頻率。

則內圈滾道上一點的速度為：

其中：為內圈滾道半徑。

保持架節圓處上一點的速度：

滾動體公轉頻率：

則Z個滾動體在外圈某一固定點的通過頻率為。

單個滾動體的內圈通過頻率：

Z個滾動體的內圈某一固定點的通過頻率。

滾動體自轉頻率：

某一組射水泵的電機型號為yb2-180L-4，額定鉆速為，輸出軸軸承上安裝的為6310深溝球軸承，內徑：，外徑：，厚度：，節徑，滾動體直徑，滾動體個數。

根據上述公式計算得，則Z個滾動體在外圈某一固定點的通過頻率為183.75Hz，則Z個滾動體在內圈某一固定點的通過頻率為306.25Hz，滾動體自轉頻率為46.875。

所以外圈發生表面損傷的特性頻率為183.75Hz，內圈發生表面損傷的特性頻率為306.25Hz，滾動體發生表面損傷的特性頻率為46.875Hz。

2 實際測試與分析

使用兩臺電機型號為yb2-180L-4的射水泵進行振動測量試驗，其中1號泵的電機輸出軸軸承的外圈和內圈存在表面損傷，2號泵的電機輸出軸軸承正常。數據采集設備為北京東方振動和噪聲技術研究所INV3062C采集儀，具有24位AD、0.4Hz ～216kH采樣頻率范圍；振動傳感器為INV9822型ICP加速度傳感器，具有0.5kHz～8kHz量程，靈敏度為1mV/m/s2，諧振頻率25kHz；傳感器安裝底座為平面磁性底座。振動采集點為電機輸出軸軸承蓋的正上方，采樣頻率為10.24kHz，采樣時間為10秒。

2號泵的振動頻率中幅值較高的頻率成分為電機輸出軸轉速頻率（25Hz）的倍頻，屬于正常狀態的振動信號。1號泵的振動頻率中幅值較高的不僅有軸轉速頻率的倍頻，同時存在183.5Hz和306Hz存在高幅值的頻率信號，183.5Hz即外圈發生表面損傷故障所表現出來的特性頻率，與第1節所計算外圈發生表面損傷的特性頻率183.75Hz基本吻合，306Hz即內圈發生表面損傷故障所表現出來的特性頻率與第1節計算的內圈發生表面損傷的特性頻率306.25Hz基本吻合，動力學建模預測的故障頻率得到了驗證，方法科學有效。

3 結語

通過動力學建模和求解可以準確的預測軸承內外圈表面損傷故障的特征頻率，為軸承表面損傷故障的判斷提供了依據。此方法未來可以拓展到其他的機械設備，通過建模和求解，建立機械設備的故障頻率庫，設備管理人員可以通過振動測試對機械設備進行故障判斷，為設備故障判斷、設備日常維護提供了更高效和便捷的方法。