滾動軸承教學實驗臺

李 崢，盧文秀，褚福磊

（清華大學 機械工程系，北京 100084）

滾動軸承作為各種旋轉設備中重要的零件，由于運行工況復雜，極易產生各種故障，會對設備產生不良后果，因此針對滾動軸承的故障診斷尤為重要[1-5]。針對清華大學研究生課程“轉子動力學”“機械振動”以及大類新生“機械的奧秘”實驗教學改革，本文研制了一種滾動軸承教學實驗臺，模擬了滾動軸承各種不同位置的故障，從而為研究生開展實驗研究及科研提供了設備支撐。為了模擬各種工況，特意設計了一套加載裝置，能模擬真實狀況下軸承的運行狀態[6-7]。

1 教學實驗臺簡介

圖1 滾動軸承教學實驗臺簡圖

教學實驗臺簡圖如圖1 所示。考慮到測試過程中軸承裝卸的方便，將試驗軸承固定在轉軸的一端，轉軸另一端通過皮帶輪與驅動電機連接，通過變頻器可以無級調節電機轉速。實驗軸承為 HRB6220 深溝球軸承。為了提高信噪比，在軸承座上加工有一個通槽，可將傳感器直接固定在軸承外圈上，也可以固定在軸承座上。軸承座通過拉桿與二級杠桿相連，實現對軸承徑向加載。二級杠桿末端采用懸掛不同組合的標準質量塊來實現加載。通過調節變頻器輸出及杠桿端負載的大小，可以實現軸承在不同載荷、不同轉速、不同故障嚴重程度下的聲發射信號測試分析[8-10]。圖 2為教學實驗臺實物圖。

圖2 滾動軸承教學實驗臺實物圖

2 實驗臺參數

軸承實驗臺電機采用2.2 kW 三相異步電機，型號為Y112M-6，最高轉速940 r/min ，通過V 形帶傳動帶動試驗臺主軸。測試的軸承 HRB6220 節圓直徑D=140 mm，滾珠直徑d=25.4 mm，滾珠個數z=10，接觸角α=0°。二級杠桿靜態加載裝置放大倍數為200，試驗臺電控箱變頻器的最高頻率可達50 Hz，皮帶輪傳動比為37/47。對應電控箱頻率x，主軸實際轉速

3 滾動軸承的故障特征頻率

軸承的特征故障頻率計算公式如下：

將具體參數代入公式可得：fr=2.37 Hz 時，內圈故障、外圈故障、滾珠故障的特征頻率分別為14.1917、9.86、129.8612 Hz。

4 滾動軸承故障信號實驗研究

HRB6220 深溝球軸承如圖 3 所示。利用 PAC 公司的R-15 傳感器采集故障信號，并進行分析。測點的選擇應符合剛度最大和傳遞路徑最短的原則，最好選在軸承的承載區且靠近外圈。實驗時，采用離被測軸承最近的傳感器（見圖4），該傳感器在被測軸承的徑向豎直方向，通過U 形磁鐵固定塊固定在軸承座上。

圖3 HRB6220 深溝球軸承實物圖

圖4 傳感器布置方案

利用電火花在內、外圈及滾珠上加工各種模擬故障，如圖5 所示。

圖5 軸承故障實物圖

5 滾動軸承故障信號分析與處理

5.1 正常軸承

正常軸承聲發射信號的時域波形圖和經傅立葉變換后的幅頻譜如圖6 所示，可以看到很多頻率成分，但都不是故障特征頻率，這表明測得的信號噪聲干擾較強。

圖7 的自相關譜中，由于軸承沒有故障，因此頻率都較低，沒有出現明顯的特征頻率，因此符合信號分析結果。

5.2 外圈故障

外圈故障時聲發射信號的時域波形圖和幅頻譜如圖8 所示，外圈故障的特征頻率為10.095 7 Hz，而幅頻譜中1 倍頻、2 倍頻、3 倍頻的頻率成分比較突出，1 倍頻與計算值比較接近，故可以初步判斷為故障特征頻率。對信號做頻域自相關得到自相關譜如圖 9所示。

從圖9 中可以看到非常明顯的外圈故障特征頻率9.631 Hz 及其2 倍頻19.26 Hz，可以判斷軸承存在外圈故障。

圖6 低速正常軸承的聲發射信號波形圖和幅頻譜

圖7 低速正常軸承聲發射信號的自相關譜

圖8 低速外圈故障軸承的聲發射信號波形圖和幅頻譜

圖9 低速外圈故障軸承的自相關譜

5.3 內圈故障

內圈故障時聲發射信號的時域波形圖和幅頻圖如圖10 所示。

從圖11 中可以看到非常明顯的主軸轉頻2.4 Hz，以及內圈故障特征頻率14 Hz 及其2 倍頻28 Hz，在14 Hz 周圍存在間隔為2.4 Hz 的邊頻帶，可以判斷軸承存在內圈故障。

5.4 滾珠故障

滾珠故障時聲發射信號的時域波形圖和幅頻譜如圖12 所示，在波形圖中存在一些頻率成分，但都不是滾珠故障的特征頻率，而從幅頻圖中可以看到存在一些比較明顯的沖擊，說明滾珠故障是存在的。

對信號做頻域自相關得到圖13，可以看到存在很多的頻率成分，但無法找到特征頻率。

由以上數據的處理分析可得，軸承的外圈故障信號特征比較明顯，所以一般的數據處理方法對外圈故障都具有一定效果，其次是內圈故障，最后是滾珠故障。聲發射分析無論在低速還是在高速時都能準確地檢測到故障特征頻率，從而判斷出故障類型，對滾動軸承的故障診斷是非常有效的[11-19]。處理中的應用[J]. 清華大學學報（自然科學版），2008, (5):812-815.

圖10 低速內圈故障軸承的聲發射波形圖和幅頻譜

圖11 低速內圈故障軸承的自相關譜

圖12 低速滾珠故障軸承的聲發射信號波形圖和幅頻譜

圖13 低速滾珠故障軸承的自相關譜

6 結語

本文基于實際旋轉機械軸承系統，研制了一種滾動軸承教學實驗臺。通過該教學實驗臺實現了 HRB6220軸承在不同轉速、加載工況下的故障信號采集，滿足了故障信號的多樣性和豐富性，對滾動軸承的故障診斷起到了關鍵的作用，為今后的科研工作奠定了堅實的基礎。