利用小波理論診斷冶煉車間設(shè)備軸承故障的研究

張 慧，劉 馥，于文強(qiáng)

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

當(dāng)前，工業(yè)制造業(yè)呈現(xiàn)出自動(dòng)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)也開(kāi)始復(fù)雜化，因此，機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)也開(kāi)始越來(lái)越困難。軸承是一種被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中的零部件，軸承是機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行的保障，因此它也是工業(yè)制造中最關(guān)鍵的部件。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全、機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力運(yùn)行狀態(tài)是否存在問(wèn)題關(guān)乎于軸承系統(tǒng)的安全運(yùn)行，而冶煉車間設(shè)備軸承故障已經(jīng)占據(jù)機(jī)械設(shè)備故障一半以上，在長(zhǎng)期的運(yùn)行狀態(tài)下，因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑出現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)備的磨損、不適合的運(yùn)行溫度、設(shè)備接觸疲勞等因素，以上原因極有可能對(duì)滾動(dòng)軸承造成局部損壞，使產(chǎn)品無(wú)法保質(zhì)保量產(chǎn)出，嚴(yán)重情況會(huì)發(fā)發(fā)生生產(chǎn)事故[1]，所以，準(zhǔn)確的判斷出軸承的運(yùn)行故障不但可以滿足生產(chǎn)需求而且可以將潛在的安全隱患進(jìn)行消除。本文在介紹小波理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)如何提取軸承故障特征從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冶煉車間軸承故障模式的智能識(shí)別進(jìn)行論述，并提出了利用小波理論診斷冶煉車間設(shè)備軸承故障的方法，不僅精準(zhǔn)性高，時(shí)效性強(qiáng)，還為維修提供了便利，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，這對(duì)于冶煉車間設(shè)備軸承的保護(hù)和管理有著重要作用。

1 討論

1.1 冶煉車間設(shè)備軸承故障的形式和損傷類型

傳統(tǒng)的軸承是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)元件和保持架組成的。內(nèi)圈主要是和轉(zhuǎn)軸連在一起旋轉(zhuǎn)；外圈一般是固定的，不隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)；滾動(dòng)元件是滾動(dòng)軸承中安裝在內(nèi)圈與外圈之間的核心部件，它能使內(nèi)圈與外圈之間的滑動(dòng)摩擦成為滾動(dòng)摩擦；保持架的設(shè)計(jì)是用于均勻分布滾動(dòng)元件的位置并引導(dǎo)滾動(dòng)元件在軌道上能夠正確運(yùn)動(dòng)。

由于復(fù)雜多變的工作環(huán)境，滾動(dòng)軸承的損傷形式非常多樣化，常見(jiàn)的損傷類型有：疲勞剝落、磨損、裂紋和斷裂以及壓痕等。當(dāng)滾動(dòng)軸承的單個(gè)部件發(fā)生損傷時(shí)，例如剝落、裂紋和點(diǎn)蝕等，會(huì)產(chǎn)生周期性的特定頻率信號(hào)，這也稱為故障特征頻率。故障特征頻率與軸承的幾何尺寸和運(yùn)轉(zhuǎn)速度都是相關(guān)聯(lián)的。

1.2 軸承故障分析

（1）疲勞失效。冶煉車間設(shè)備軸承的疲勞失效故障主要是軸承的工作條件決定的。在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冶煉車間設(shè)備軸承會(huì)受到交變載荷而產(chǎn)生細(xì)小的裂縫。隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不斷增加，裂縫也隨之越來(lái)越長(zhǎng)，最終發(fā)生軸承斷裂事故。因此，我們要對(duì)疲勞失效情況進(jìn)行重點(diǎn)的預(yù)防，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）磨損失效。當(dāng)冶煉車間設(shè)備軸承與滾動(dòng)體相互接觸之后，一些顆粒會(huì)進(jìn)入接觸表面以及軸承內(nèi)圈。一旦設(shè)備的運(yùn)行超過(guò)額定值，就會(huì)造成工作表面出現(xiàn)磨損，降低了軸承的壽命[2]。

1.2.3 軸承的斷裂失效

進(jìn)行制造加工的時(shí)候，如果對(duì)冶煉車間設(shè)備軸承的材質(zhì)處理不合理，就很容易導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。如果工作運(yùn)行速度不合理，冶煉車間設(shè)備軸承就會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力集中的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，甚至導(dǎo)致斷軸。工作載荷過(guò)高、速度過(guò)快、缺乏潤(rùn)滑油等情況也都可能導(dǎo)致軸承斷裂。

1.3 小波理論概述

1.4 基于小波理論的故障診斷研究

基于小波理論的設(shè)備故障診斷不但定位精準(zhǔn)，而且可以準(zhǔn)確地判定故障類型，此項(xiàng)技術(shù)包括了故障數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、設(shè)備故障特征的提取、設(shè)備工作狀態(tài)的判斷等三個(gè)程序步驟。通過(guò)監(jiān)測(cè)冶煉車間的設(shè)備軸承，對(duì)采集到的信號(hào)特征進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷設(shè)備故障的位置，總結(jié)出故障產(chǎn)生的原因。小波原理的構(gòu)造過(guò)程比較簡(jiǎn)單，主要是恢復(fù)、更新、預(yù)測(cè)、合并。插值細(xì)分原理的運(yùn)算量較少，對(duì)設(shè)備的要求較低，操作簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，我們基于該原理，使用濾波器對(duì)離散小波進(jìn)行重構(gòu)，得出的結(jié)果非常準(zhǔn)確。此外，多相矩陣、低通濾波器和高通濾波器都是可以應(yīng)用于重構(gòu)過(guò)程中的，這樣就可以對(duì)得到的冶煉車間的設(shè)備軸承故障進(jìn)行分析研究。

1.5 小波原理對(duì)軸承故障的診斷方式

通過(guò)對(duì)冶煉車間設(shè)備軸承的相關(guān)的研究，我們發(fā)現(xiàn)：一旦設(shè)備軸承的速率超過(guò)了1千四百轉(zhuǎn)每分鐘，損失的直徑就會(huì)超過(guò)0.5mm，損失深度就會(huì)高達(dá)0.25mm。通過(guò)計(jì)算，可以分析出設(shè)備軸承的內(nèi)圈也達(dá)到了260赫茲的損失頻率，通過(guò)對(duì)這些損失進(jìn)行仿真計(jì)算，將結(jié)果其導(dǎo)入到信號(hào)變換中，再進(jìn)行分析，然后對(duì)小波包進(jìn)行分解，最終得到高頻帶下的信號(hào)，之后我們?cè)倮冒j(luò)解調(diào)，對(duì)小波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，根據(jù)小波理論分析，我們最終得到了相關(guān)能量譜。

圖2 軸承正常運(yùn)行的小波能量圖譜

圖3 利用小波理論進(jìn)行冶煉車間設(shè)備軸承故障診斷的能量圖譜

我們對(duì)圖2和圖3進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)正常信號(hào)高于故障信號(hào)，這說(shuō)明了齒輪中存在著故障，同時(shí)根據(jù)該段小波的頻率、頻段等特征，得出故障的頻率值，進(jìn)而判斷軸承的故障所在。

2 結(jié)論

本文利用小波理論準(zhǔn)確地診斷冶煉車間設(shè)備軸承的故障。根據(jù)小波理論診斷設(shè)備功率譜、能量值、頻率值判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)這種方式診斷冶煉車間設(shè)備軸承的故障，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，準(zhǔn)確度高，時(shí)效性強(qiáng)，為今后的冶煉車間設(shè)備軸承的維修提供了便利。