淺析斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸承故障診斷

趙俊峰

（福建大唐國際寧德發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 寧德 352000）

1 斗輪機(jī)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡介

1.1 斗輪機(jī)基本構(gòu)造

由斗輪機(jī)構(gòu)、上部金屬結(jié)構(gòu)、懸臂膠帶機(jī)、主機(jī)梯子平臺、主機(jī)俯仰液壓裝置、門座、支承鉸座、轉(zhuǎn)盤、中部料斗、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、集中潤滑系統(tǒng)、動力電纜卷筒裝置、控制電纜卷筒裝置、尾車、尾車梯子平臺、電氣系統(tǒng)、司機(jī)室、配重組、基礎(chǔ)布置及載荷等組成。

1.2 斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、三排列滾柱式回轉(zhuǎn)軸承、座圈、法蘭、齒輪、齒輪罩、緊固件等組成。回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置由電動機(jī)、減速器、制動器、限矩聯(lián)軸器、機(jī)座、罩子等組成。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在門座和轉(zhuǎn)盤之間。下座圈下部固定在門座上，下座圈上部與帶外齒的三排列滾柱式回轉(zhuǎn)軸承外圈相聯(lián)；上座圈上部支撐轉(zhuǎn)盤，上座圈下部與三排列滾柱式回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈相聯(lián)。回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置分別安裝在轉(zhuǎn)盤后部，減速器輸出軸上的驅(qū)動齒輪與三排列滾柱式回轉(zhuǎn)軸承的外齒相嚙合，通過電動機(jī)的動力傳動，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤相對于門座的回轉(zhuǎn)。進(jìn)而完成主機(jī)的回轉(zhuǎn)功能。

在斗輪機(jī)日常使用過程中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)發(fā)揮著重要的作用，其中最重要的回轉(zhuǎn)軸承則為最核心部件。如其出現(xiàn)問題，檢修難度大、存在很大的安全風(fēng)險；檢修時間長，影響設(shè)備及系統(tǒng)的正常運(yùn)行；設(shè)備金額較大，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。所以，斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸承的故障診斷在實(shí)際生產(chǎn)中變動尤為重要。

2 軸承的常見失效形式

2.1 接觸疲勞失效

材料在其工作界面上長期有應(yīng)力作用而導(dǎo)致的失效稱為接觸疲勞失效，這往往會導(dǎo)致材料的剝落。剝落一般情況下是由其界面上疲勞裂紋慢慢引起的，從最大應(yīng)力處開始到工作界面會產(chǎn)生不同的剝落形態(tài)。其根據(jù)形態(tài)分成點(diǎn)蝕和層狀剝落。如果任其發(fā)展和擴(kuò)大，最終會導(dǎo)致深層剝落，這是此類失效形式的源頭。

2.2 磨損失效

工作界面上長期地摩擦和磨損而引起的失效形式稱為磨損失效，長期的磨損會帶來軸承精度不準(zhǔn)確，尺寸變化等一系列后果，最終導(dǎo)致零件無法使用。磨損失效根據(jù)其產(chǎn)生原因可分為兩種，顆粒磨損以及粘附磨損。顆粒磨損是因?yàn)橛型鈦眍w粒進(jìn)入到工作界面之中或是金屬屑與工作界面的相對摩擦，這會在工作界面上產(chǎn)生犁狀擦痕。粘附磨損是因?yàn)楣ぷ鹘缑嬖跐櫥患训那闆r下與外物摩擦而產(chǎn)生熱量從而發(fā)生變形，甚至?xí)菇缑娉霈F(xiàn)部分的熔化現(xiàn)象進(jìn)而撕開工作界面上的焊接點(diǎn)。

2.3 腐蝕失效

像水等具有腐蝕性的物質(zhì)在工作過程中碰到滾動軸承而導(dǎo)致腐蝕甚至出現(xiàn)銹跡而產(chǎn)生的失效形式稱為腐蝕失效。此外，微小的電流以及靜電的影響一樣會引起滾動軸承的腐蝕。此類問題會引起在滾動軸承的各個部位產(chǎn)生不同形狀的銹狀，慢慢導(dǎo)致整個滾動軸承的失效。

2.4 斷裂失效

軸承本身存在缺陷以及載荷過大而產(chǎn)生的失效形式稱為斷裂失效。因此斷裂失效也分為兩類，過載斷裂和缺陷斷裂。其中過載斷裂是因?yàn)闄C(jī)械發(fā)生故障或者安裝問題而使外載荷過大進(jìn)而斷裂。缺陷斷裂是因?yàn)檩S承表面的微小裂痕、氣泡、溫度過高而引起的變形等缺陷在外力作用下而斷裂。

2.5 游隙變化失效

游隙變化失效是指在環(huán)境以及自身因素的作用下使得軸承尺寸精度喪失，進(jìn)而產(chǎn)生卡殼現(xiàn)象。其中環(huán)境因素有安裝出現(xiàn)問題，過盈量不合適，溫度的劇烈變化，載荷過大等，自身因素有內(nèi)部應(yīng)力的不斷波動等。

3 軸承故障診斷的發(fā)展

第一階段，工人和專家們在借助螺絲刀等工具，通過視覺和聽覺再結(jié)合上自己的經(jīng)驗(yàn)來判斷軸承是否發(fā)生故障以及故障的部位，但這樣的方式，主觀影響很大，會導(dǎo)致較大的誤差。

第二階段，使用測振儀和磁帶記錄器等工具，主要通過運(yùn)動學(xué)參數(shù)的峭度值、峰值來確定軸承是否發(fā)生故障，這樣做可以減少主觀因素的影響，但依然還是會經(jīng)常出現(xiàn)不能及時準(zhǔn)確的診斷出故障的情況，而且此時只能進(jìn)行單通道分析，較為單一。

第三階段，隨著運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的快速發(fā)展，傅里葉變換的出現(xiàn)，滾動軸承的故障診斷進(jìn)入了使用時頻域分析的時代，時域分析適用于故障的簡易診斷，而頻域分析一般使用共振調(diào)解方法，適用于故障的精密診斷，并開始出現(xiàn)多通道分析。除此之外，利用溫度分析也是當(dāng)時一種頗為流行的方法。

第四階段（現(xiàn)階段），隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，滾動軸承的故障診斷開始使用以計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)儀器結(jié)合的虛擬儀器。數(shù)據(jù)分析的速度大大增快，數(shù)據(jù)的處理量也大大增加。

4 軸承的故障診斷理論

4.1 軸承的振動原理

滾動軸承振動的本質(zhì)原因是不同的軸承部件受到?jīng)_擊與碰撞，因?yàn)檩S承自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工和裝配時產(chǎn)生的誤差和出現(xiàn)故障等因素，導(dǎo)致軸對軸承與軸承座組成的振動系統(tǒng)產(chǎn)生激勵，進(jìn)而把振動信號傳到減速箱外殼，傳感器就可以監(jiān)測到軸承的狀態(tài)信息并及時診斷軸承可能發(fā)生的故障。

4.2 信號處理

4.2.1 信號的預(yù)處理

傳感器采集到的振動信號因?yàn)槭艿江h(huán)境及自身等各種因素的影響，必然會有所衰減且在其中混入噪聲信號。通過不同的傳感器采集到的信號，從而得到的輸出也會有所區(qū)別。因此在分析信號前，必須做信號的預(yù)處理，其目的是減少噪聲信號對分析的影響，增大信噪比，而在本系統(tǒng)中可以更好地得到特征頻率。對信號做處理、分析、變化、分辨之前，先對采集到的信號做過濾、放大有用信號去除無用信號的處理就是信號的預(yù)處理。

信號預(yù)處理方式一般分為以下幾種：

（1）信號類型轉(zhuǎn)變。同類電信號的相互轉(zhuǎn)變：比如電阻信號轉(zhuǎn)化為電流信號；不同類信號的轉(zhuǎn)換：比如利用光電儀器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

（2）信號放大。就是將有用的信號信息利用放大器放大，使其更為明顯，常見的有：可屏蔽器、精密測試放大器。

（3）去掉均值。在得到振動信號的各時域參數(shù)時，將均值這個參數(shù)去掉。

（4）去掉趨勢項(xiàng)。常用的趨勢項(xiàng)消除方法有濾波法、多項(xiàng)式擬合法。

（5）信號濾波。濾波是對采集的信號中一些不要的頻段進(jìn)行去除的做法，可以有效的減少干擾的影響。這也是本系統(tǒng)所要采取的信號預(yù)處理方法，只是本系統(tǒng)的最小熵解卷積法更側(cè)重于還原原來的信號。濾波根據(jù)其特點(diǎn)可分成兩類，現(xiàn)代濾波與經(jīng)典濾波。

4.2.2 時域分析

給信號以一個穩(wěn)定的輸入信號，通過確定的函數(shù)與時間軸關(guān)系，得到輸出，然后研究系統(tǒng)的各類性能是否平穩(wěn)與符合要求，這就是時域分析。時域分析最大的特點(diǎn)就是利用時間軸（x 軸）進(jìn)行分析，因此其非常的準(zhǔn)確和明了。一般時域分析分為兩大類：參數(shù)分析（量綱參數(shù)與無量綱參數(shù)）和相關(guān)性分析（自相關(guān)與互相關(guān)）。

當(dāng)軸承圈產(chǎn)生裂痕，滾動體剝落及發(fā)生嚴(yán)重點(diǎn)蝕現(xiàn)象時都會在時域波形圖中產(chǎn)生明顯的脈沖，因此將峭度用于故障診斷有較好的效果。

但以上參數(shù)除峭度外的量綱參數(shù)，它需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)而且會受到軸承轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等因素的影響，會為滾動軸承的檢測帶來諸多不便。為了解決這些不便，可以使用一些無量綱參數(shù)，不僅滾動軸承的運(yùn)行狀態(tài)及外在環(huán)境因素對其的影響很小，而且對故障非常的敏感，是較為合適的診斷參數(shù)。無量綱參數(shù)有如下幾種：

（1）峰值因子。峰值因子（也稱為峰態(tài)因素），它表現(xiàn)了是峰值在曲線中的尖銳程度，而且故障能使其有較大的波動。軸承工作表面產(chǎn)生較小的缺損時，它的幅值非常地尖銳，所以能較好地診斷這類故障。

（2）波形因子。

（3）脈沖指標(biāo)。當(dāng)脈沖因子過大時，滾動軸承可能發(fā)生了點(diǎn)蝕；當(dāng)脈沖因子過小時，滾動軸承可能發(fā)生了磨損。

（4）裕度指標(biāo)。自相關(guān)分析也是時域分析中一種運(yùn)用十分廣泛的方法，當(dāng)其在滾動軸承故障診斷中使用，更有利于抑制噪聲的干擾，得到故障的特征。

時域分析可以很好地過濾噪聲信號，保留故障信號，確定振動信號中是否有完整的周期，提取出故障信息，從而對故障類型的判斷提供有力的幫助。

4.2.3 頻域分析

頻域分析法是一種用來分析振動信號的有效方法，振動信號能夠看成是頻率不同的正弦信號的疊加。頻率特征是指在在正弦函數(shù)的基礎(chǔ)上確定輸入與輸出的函數(shù)關(guān)系。頻域分析法就是指利用頻率特征來分析信號的一種傳統(tǒng)方法。

頻域分析法有如下特點(diǎn)：

（1）頻率特征能夠讓低階信號的時域頻域參數(shù)完全相互對應(yīng)，也能讓高階信號的時域頻域參數(shù)基本對應(yīng)。因此，頻域分析既能夠減小噪聲的影響，又能增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度。

（2）將原始信號拆開成不同頻的正弦信號，再將其疊加。這樣可以有備無患，防止信號損失。除此之外，還能減少所需的存儲空間，提高傳輸?shù)男省?/p>

（3）對故障診斷的頻域分析法是一種將頻率組成和與之對應(yīng)的幅值大小以直觀的圖表展現(xiàn)出來，進(jìn)而得到初始時域頻率組成與相位信息的分析方法。根據(jù)對頻率組成的分析，對比滾動軸承運(yùn)行時各組成部分的特征頻率，精確得定位故障的發(fā)生位置及性質(zhì)。

常用的頻域分析方法有如下幾種：頻譜分析；包絡(luò)譜分析；功率譜分析。

4.2.4 故障診斷

滾動軸承經(jīng)常發(fā)生的部分缺陷有內(nèi)外環(huán)與滾子的脫落、點(diǎn)狀腐蝕和磨損（包含裂紋）變形，而無論哪種損傷都能引起對應(yīng)的脈沖頻率信號，從中可以得到特征頻率。滾動軸承的精密診斷通常利用頻譜分析來看是否有產(chǎn)生滾動軸承的故障特征頻率，而故障特征頻率是可以由速度關(guān)系和經(jīng)驗(yàn)公式求得，特征頻率（Hz）的表達(dá)式：

式中，N 是軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；D 是軸承的截圓的直徑（mm）；n 是滾子的個數(shù)；d 是滾子的直徑（mm）；β是接觸角（o）。

5 結(jié)束語

通過對軸承的故障研究分析，不難看出，軸承在日常運(yùn)行過程中會傳出相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的信號，根據(jù)這些信號，可以較好的分析出軸承的運(yùn)行特性。

目前實(shí)際生產(chǎn)中，軸承的狀態(tài)判斷手段仍然較為原始，設(shè)備管理不夠先進(jìn)，設(shè)備管理者可在生產(chǎn)過程中，結(jié)合軸承的相關(guān)理論研究，定期定量的對斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，理論分析，從一段時間的數(shù)據(jù)趨勢，可以發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)問題，研究解決方案，制定解決措施，避免事故擴(kuò)大。