基于振動的減速機軸承故障診斷試驗臺研制

李娟娟 賈森 馬小芳

摘 要：減速機中的軸承在工作過程中受交變載荷的作用，60%都會發生點蝕故障，若故障不斷發展，將造成嚴重的后果。本文研制了一套用于檢測減速機軸承點蝕故障振動信號特征的故障模擬試驗臺，以滾動軸承點蝕故障為例，介紹了該試驗臺的設計方案和基于振動的故障檢測方法。該試驗臺不僅能開展滾動軸承多種故障形式的故障模擬振動檢驗，還可以模擬現實工況，實現不同轉速，不同負載的滾動軸承振動檢測研究，為滾動軸承故障的準確診斷和識別奠定了基礎。

關鍵詞：滾動軸承點蝕;振動檢測;試驗臺

中圖分類號：TH133.33 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0082-04

Development of Fault Diagnosis Bed Based on Vibration for Bears in Reducer

LI Juanjuan JIA Sen MA Xiaofang

Abstract： Pitting failure occurs in 60% of the bearings of reducer under the action of alternating load in the working process. In this paper， a set of fault simulation test bed was developed to detect vibration signal characteristics of pitting failure of reducer bearing. As example as pitting failure of rolling bearing， the design scheme of the test bed and fault detection method based on vibration were introduced. The test-bed can not only carry out the fault simulation vibration test of rolling bearings in various fault forms， but also simulate the actual working conditions， realize the vibration detection research of rolling bearings with different rotating speeds and loads， which lays a foundation for the accurate diagnosis and identification of rolling bearing faults.

Keywords： pitting of rolling bearings;vibration testing;test bench

1 研究背景

滾動軸承是電力、冶金、石化等工業部門使用最廣泛的機械零件，也是最易損傷的部件之一。有關統計資料表明：在使用滾動軸承的旋轉機械中，大約有30%的機械故障是由滾動軸承引起的，感應電機故障中大約40%的電機故障是滾動軸承故障，齒輪箱各類故障中軸承故障約占20%，僅次于齒輪[1]。可見，滾動軸承的工作狀態在很大程度上影響整個機械設備、甚至是整條生產線的運行狀態，若軸承在工作過程中發生故障，輕則使整個系統失效，造成一定的經濟損失，嚴重的還會導致災難性的事故。因此，滾動軸承故障診斷技術研究一直是機械故障診斷中的研究熱點[2]。

在眾多滾動軸承的狀態監測和故障診斷技術中，基于振動信號的診斷是最為有效的方法之一。其中，利用合理的信號處理技術，從振動信號中有效提取軸承故障特征是實現滾動軸承故障診斷的關鍵[3]。由于受環境噪聲或振動的干擾，采集信號中的有效信息被淹沒在強烈的背景噪聲中，滾動軸承初期階段故障表現得更加明顯。因此，從含有干擾信號和微弱軸承故障信號的振動信號中提取有效的軸承故障特征，實現故障的早期監測和診斷，一直是滾動軸承狀態監測和故障診斷面臨的難題。

基于上述背景，本文以滾動軸承為研究對象，針對滾動軸承早期故障振動信號微弱、不明顯的特征，研制了一套基于振動的減速機軸承故障診斷試驗臺。利用該試驗臺，可以開展減速機軸承不同損傷模式的模擬試驗，并且可以模擬軸承轉速箱速度在0～1 440r/min，負載扭矩在0～10 000N·m的滾動軸承故障特征，為減速器的軸承早期故障識別以及軸承故障庫的建立奠定基礎，為基于振動的減速機軸承故障特征研究提供科研平臺。

2 試驗臺結構

減速機故障診斷試驗臺的實物圖如圖1所示。該試驗臺由8大系統組成，分別是支撐系統、動力系統、增-減速系統、聯結系統、負載系統、控制系統、傳感系統和輸出與顯示系統。

支撐系統。試驗臺的支撐系統是一個5 500mm×3 000mm，厚200mm的鑄鐵平臺，上面開T型槽，方便設備在其上螺栓聯結。

動力系統。動力電機的額定功率是37kW，在變頻器控制下可以實現0～1 441r/min的任意轉速;在工作過程中，采用手動旋鈕可實現任意轉速的調節，也可在電動機較低轉速時實現電動機換向。

增-減速系統。增-減速系統是由2臺型號為ZQ500-40、呈鏡像布置的減速機構成，其中增速系統是1臺正常減速機，這里說的正常減速機是指理論上全新的減速機，沒有任何故障;減速系統是指一臺同樣的減速機，由軸承點蝕故障減速機，這里的故障是按照預先設定的故障植入減速機中。

聯結系統。其指的是驅動裝置與減速機之間的聯軸器，試驗臺上的聯軸器均是彈性聯軸器。

負載系統。試驗臺將變頻調速力矩電機作為負載裝置，為整個試驗系統提供必要的反向制動力，并將發出來的電能通過回饋裝置回饋電網，節省電能30%～50%。

控制系統。控制系統主要由控制電路、變頻器和PLC等組成，主要具有控制電動機的正反轉、負載力的加載及過載過流保護等作用。

傳感系統。試驗臺的傳感系統包括驅動電機與減速器之間的轉速轉矩傳感器ZJ-500A，減速機和增速機之間的轉矩轉速傳感器ZJ-10000AE，增速機與負載電機的轉速轉矩傳感器ZJ-500A，以及2個溫度傳感器。

輸出與顯示系統。輸出顯示系統有兩部分（見圖2），即傳感器直接輸出信號顯示系統TS3000轉矩轉速功率采集儀，以及采集信號與電腦相聯結的顯示器。顯示器可以顯示不同區段的參數情況和負載情況，并且可以實時繪制曲線。

3 滾動軸承點蝕故障植入

點蝕是滾動軸承使用一段時間后出現的一種疲勞性表層剝落。軸承使用時滾動體和內外圈相互接觸，承受相當大的力，當使用達到一定次數后，應力集中的現象就會使一些部位出現魚鱗狀的疲勞剝落點。

本文采用在滾動軸承用脂類潤滑油中加入金剛砂的方法，模擬滾動軸承在使用過程中逐漸磨損的過程。加入金剛砂的直徑0.5mm，加入顆粒數量30～50粒。

模擬軸承點蝕位置在高速軸靠近電機側軸承內外圈之間，滾動體與保持架之間。將軸承故障設置在此處是因為該軸直聯電機輸出端，可以保證較穩定的轉速與扭矩。

4 振動信號采集

對于振動信號的采集，典型情況下，需要在每一個軸承蓋或軸承座相互正交的徑向位置進行測量，傳感器可放置在軸承座或機座上任意角度位置。對水平安裝的機器，通常放在垂直和水平方向，對于垂直或傾斜的機器，能得到最大的振動測量讀數的位置（通常沿彈性軸的方向）應作為傳感器放置的一個方向[4]。

測量時應在傳動系統已經達到正常穩定運行溫度，且機器處在規定的運行狀態（如處于額定轉速、電壓、流量、壓力及載荷）下進行，對于轉速和載荷變化的機器，應對機器要求運行周期較長的所有工況進行測量。

本試驗結合減速機實際情況，雙通道測振傳感器布點如圖3所示，分別在水平和豎直方向布置傳感器并對振動數據進行現場采集;采集時減速機高速軸軸承座的水平和垂直方向，位置見圖3中箭頭所指方向。圖4中振動傳感器以磁力吸座的形式吸附在軸承座上，并且呈正交布置。

采集振動信號所用儀器為恩普特科技股份有限公司生產的PDES-E設備故障診斷系統，傳感器為磁力吸座式，采集信號為加速度信號。

5 振動信號分析

5.1 測點布置

測點布置見圖3和圖4。

5.2 檢測工況

輸入轉速1 000r/min高速軸，零負載。

5.3 減速機所用滾動軸承

減速機所用滾動軸承為深溝球軸承，型號為6410，其結構特征及基本參數如圖5所示。其中軸承的節徑為90mm，軸承內徑為50mm，接觸角為0°，滾動體直徑為20mm。該軸承有7個滾動體。

5.4 軸承各零件故障特征頻率

表1為1 000r/min軸承的內外圈、滾動體以及保持架對應的故障頻率[5，6]。

5.5 軸承各零件故障特征頻率與檢測頻率之間的關系

表2為轉速1 000r/min時軸承的內外圈、滾動體以及保持架的檢測頻率。經計算后，檢測頻率與故障頻率之間是倍數關系[7]。

經分析，滾動體損傷的故障頻率為35.648Hz，與檢測頻率序號2、序號5、序號7對應的頻率倍數分別為3倍，由此可判斷滾動體存在損傷的可能性。另外，經計算、滾動體內圈的故障頻率與檢測頻率序號2對應的倍數為3倍，由此可判斷軸承的內圈也存在一定的損傷。圖6為滾動軸承轉速為1 000r/min時檢測到的波形圖與頻譜圖，并在頻譜圖中表示出滾動體故障頻率與檢測頻率之間的倍數關系。

結合試驗臺設計時故障植入的位置以及故障類型，判斷振動檢測故障結果與實際故障相同。

6 結語

本文研制了一套減速機中滾動軸承點蝕的故障診斷試驗臺，不僅能模擬滾動軸承點蝕初期的故障試驗，還可以模擬軸承在不同轉速、負載狀態下的振動加速度信號特征。經試驗驗證，真實故障與植入故障相符。

試驗臺可用于軸承故障的長期監測，可模擬現場工況。對早期故障滾動軸承進行長期監測，獲得滾動軸承同種故障、不同損傷程度的特征數據庫，為滾動軸承故障的診斷和識別奠定基礎。

參考文獻：

[1]李興林.滾動軸承故障診斷技術現狀及發展[C]//全國青年摩擦學學術會議.2009.

[2]蘇文勝.滾動軸承振動信號處理及特征提取方法研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[3]Sugumaran V，Ramachandran K L.Fault diagnosis of roller bearing using Tuzzyclassifier and histogram features with focus on automatic rule learning[J].ExpertSystems With Applications，2011（38）：4901-4907.

[4]國家質量技術監督局.在非旋轉部件上測量和評價機器的振動 第3部分：額定功率大于15kW額定轉速在120r/min至15 000r/min之間的在現場測量的工業機器：GB/T 6075.3—2001[S].

[5]梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷[M].北京：機械工業出版社，1995.

[6]韓捷，張瑞林.旋轉機械故障機理及診斷技術[M].北京：機械工業出版社，1997.

[7]朱可恒.滾動軸承振動信號處理及特征提取方法研究[D].大連：大連理工大學，2013.