護欄板拋丸機主軸支撐軸承失效分析及狀態監測

喬東興，趙一楠，王文斌，陳玉賢，韓孝順

(1.甘肅路橋新銳交通科技有限責任公司，甘肅 蘭州 730100；2.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

公路防撞波形鋼護欄板是一種安裝在高速公路兩側或中央分隔帶的安防設施，采用環氧鋅基聚酯復合涂層的三波護欄板具有很好的應用前景和廣闊市場。在加工護欄鋼板的過程中需要使用拋丸機對鋼板進行表面處理，保證后續的環氧鋅基聚酯復合噴涂工序順利進行。為了得到滿意的表面質量，為三波護欄板自動生產線配置了兩臺拋丸機。拋丸機中鋼彈丸憑借離心力的作用撞擊鋼板表面，達到去除鋼板表面氧化鐵皮的效果[1]。平式拋丸機一般裝有幾個拋丸機，從不同位置拋射鋼丸，以提高清理效率、獲得滿意表面質量，而立式拋丸機相較于平式拋丸機來說靈活性跨度更大，在向前運行的同時自行翻轉。

在實際工作中，拋丸機主軸支撐軸承頻繁發生損壞，嚴重影響了整條生產線的正常生產，增加了生產線的運行和維護成本，制約了企業進一步的發展。國內外學者對拋丸機滾動軸承的失效進行了大量研究，黃強[2]分析了拋丸機滾動軸承頻繁出現故障的問題，提出了改進和優化的方法。XUE C等[3]分析了拋丸機拋頭軸承產生故障的原因，提出了改進的措施。文廉輝[4]介紹了加強拋丸機的日常維護管理、提高設備可靠性的方法。黃軼春等[5]給出了拋丸機規范性管理的方法。LI Y等[6]提出了一種基于頻譜特征和MOMEDA的軸承故障診斷算法，能夠在較強的噪聲干擾下提取故障軸承的特征頻率。何勇等[7]提出了以峭度和包絡熵為綜合目標函數的變分模態分解參數優化方法，實現了軸承故障類型的準確判定。

本文分析了主軸支撐軸承的失效原因，通過所設計的軸承實時狀態監測系統，進行了軸承故障診斷研究，用拋丸機生產中所采集到的軸承振動數據進行驗證。結果表明：狀態監測系統可以盡早判斷出軸承故障，能夠減少非必要停機，提高了生產平穩性和效率，給企業帶來了較好的經濟效益。

1 拋丸機結構及工作機理

由于平式拋丸機和立式拋丸機在拋丸原理上相似，故以平式拋丸機為例來說明拋丸機的結構及工作機理。平式拋丸機主要由設備本體和電控系統兩大部分構成。設備本體的機械結構示意圖如圖1所示，主要包括加丸料裝置9、丸料循環系統(包括斗式提升機1、上運輸器2、下運輸器5、丸料分離器8、丸料儲存倉7等)、拋丸機4、廢料運輸器3、廢料器6和清掃尾吹裝置10等結構。

圖1 拋丸機結構示意圖

整個拋丸機的工作流程圖如圖2所示。由丸粒儲料倉供給拋丸機的鋼丸粒，憑借拋丸機高速旋轉所產生的離心力被分丸輪拋出，通過定向套被均勻擊打到鋼板的表面，進而沖擊鋼板表面的氧化鐵皮。拋出的丸粒和氧化皮等去除物流入到拋丸室底部，經下運輸器5運輸到斗式提升機1，通過斗式提升機運輸至上運輸器2，并在丸粒分離器8中進行分離，分離后干凈的丸粒進入丸粒儲料倉7中再循環利用，碎丸粒和清理下來的去除物流到廢料器6中。

圖2 拋丸機的工作流程圖

2 拋丸機主軸支撐軸承失效分析

拋丸機主軸支撐結構如圖3所示。動力通過皮帶輪驅動拋丸機主軸旋轉，葉輪固定在主軸的右端，葉輪旋轉時拋出高速彈丸，可以清理或強化鋼板表面。在拋丸機工作過程中，主軸支撐軸承主要承受葉輪和皮帶輪慣性力以及皮帶輪受力產生的彎矩，同時葉輪拋丸時產生的振動也會傳遞到主軸支撐軸承上。

圖3 拋丸機主軸支撐結構圖

在實際運行過程中，主軸軸承頻繁出現損壞現象。以某一次檢修為例，拋丸軸有異常聲響，振動較大，檢修人員拆下拋丸機主軸后，發現軸上鍵槽已經被擠壓變形，同時圓柱滾子軸承損壞嚴重，損壞的軸承和主軸如圖4所示。從圖中可以看出，保持架已經斷裂成數段，內圈滾道有嚴重的磨損現象，甚至有較大面積的剝落。

圖4 損壞的主軸和支撐軸承

對于主軸和軸承損壞的原因，經過研究和分析發現：由于拋丸機主軸靠一對圓柱滾子軸承支撐，右端固定在拋丸機護板上，整體結構近似懸臂，這種固定方式導致右端的支撐軸承受力情況較差；同時在拋丸過程中葉輪產生的振動對主軸右端支撐軸承影響較大,影響了其使用壽命。這是拋丸機主軸支撐軸承出現故障最主要的兩個原因。主軸支撐軸承的意外失效會導致拋丸機非計劃性停機，嚴重影響了生產線的運行平穩性和生產效率，成為整條生產線中的一個薄弱環節。因此為了保證生產線的平穩運行，需要對拋丸機主軸支撐軸承進行狀態監測和故障預測，對拋丸機實施基于設備狀態的維修。

3 拋丸機主軸支撐軸承的狀態監測

針對拋丸機中主軸支撐軸承頻繁失效的問題，設計了拋丸機主軸支撐軸承在線狀態監測系統，其系統架構如圖5所示。在拋丸器外殼上固定加速度傳感器，實時采集主軸支撐軸承的振動信號，通過工業以太網將采集到的數據傳輸到計算機，并保存到SQL Server數據庫中；以振動信號的峭度作為軸承狀態監測指標，如果其峭度值超過設定閾值，則系統通過Andon系統進行黃色報警，提醒工作人員軸承已經損壞，需要關注軸承的健康狀態，并選用方均根指標來反映軸承故障嚴重程度。如果其方均根值超過設定閾值，則通過Andon系統進行紅色報警，需要對其盡快更換與維修。通過主軸支撐軸承的實時狀態監測，能夠盡早發現拋丸器主軸支撐軸承的故障，工作和檢修人員可以利用從軸承出現故障到完全損壞這段時間，對拋丸機進行有計劃的維修，以此來減少非必要停機次數，提高生產平穩性和效率。

圖5 主軸支撐軸承的狀態監測系統架構圖

3.1 測點位置的選取

為了準確反映拋丸機主軸支撐軸承的真實運行狀態，加速度傳感器布置位置非常重要。由于軸承外圈通過法蘭與拋丸機外殼固定，外殼的剛性較好，對振動的吸收較小，便于固定加速度傳感器，因此將加速度傳感器固定在拋丸機外殼靠近右端支撐軸承的位置，具體如圖6所示。

圖6 測振點布置圖

3.2 主軸支撐軸承狀態監測和在線預警

對采集到的軸承振動信號進行分析，狀態保持穩定的這段時間被稱為正常階段，但隨著時間的推移，軸承會被不斷磨損，其狀態也會發生較大變化，此時稱為異常階段[8]。對進入異常階段的軸承如果不及時進行維護保養，軸承損傷便會加劇，最終出現明顯故障。

峭度(kurtosis)是四階中心矩和標準差四次方的比值，對沖擊特征十分敏感，因此選擇能夠區分軸承正常階段和異常階段的峭度作為滾動軸承的監測指標。當滾動軸承出現異常時，滾動軸承的振動信號當中往往會摻雜著沖擊脈沖，峭度的幅值也會增大。伴隨運行時間的不斷增加，滾動軸承會被不斷磨損，其峭度值會逐漸回到正常水平。如果其峭度值超過設定閾值，則系統進行報警，提醒工作人員需要維修或更換。

峭度計算如式(1)所示。

(1)

其中：xstd為所采集數據的標準差；xi為所采集的第i個數據；xm為所采集到數據的均值。

xm計算如式(2)所示。

(2)

當滾動軸承正常運行的時候，其峭度值大約為3～3.5，本系統中峭度的閾值設為4。當監測到的振動信號的峭度值連續超出閾值5次，則認為軸承已出現故障。如果峭度值偶爾超出閾值1次，可能只是拋丸機設備偶爾出現了異常，主軸支撐軸承可能還沒有出現故障，這種狀況介于完好狀態和故障狀態之間，故可稱為前故障狀態。如果此時就停機對主軸支撐軸承進行維修更換，則可能會因維修周期過短而導致“過剩維修”，從而增加維修、檢測費用。另外在頻繁裝拆主軸支撐軸承的過程中也會增加設備故障的風險，嚴重影響了整條生產線的生產平穩性和生產效率。所以當軸承的峭度值超出峭度閾值需要進行黃色預警，提醒工作人員關注軸承的健康狀態。

如圖7所示，在648 h處，軸承的峭度值首次超過4，之后峭度值下降，在700 h處，軸承的峭度值連續超出閾值，表明軸承已經出現了故障。此時系統會通過報警裝置，發出黃色預警信號，提醒工作人員關注軸承的健康狀態。

圖7 主軸支撐軸承的峭度變化趨勢圖

方均根(RMS)也稱為有效值，反映了滾動軸承振動信號能量的大小。方均根作為軸承故障嚴重程度判定的指標，適用于故障隨著時間緩慢變化的損傷(如磨損累積損傷)，其發展變化趨勢符合軸承故障發展的變化趨勢。隨著軸承故障的發展和運行狀態的退化，其幅值不斷增大，根據方均根的變化趨勢可以判斷軸承的運行狀態和故障的嚴重程度。當軸承的方均根值超出方均根閾值時，則反映出滾動軸承已經出現了嚴重故障，需要進行紅色預警，提醒工作人員對主軸支撐軸承進行維修或者更換。

方均根的計算如式(3)所示。

(3)

如圖8所示，在648 h和700 h處，軸承的方均根值并沒有超出閾值，但在936 h處，軸承的方均根值首次超出閾值，表明軸承已經出現了嚴重故障。此時系統會通過報警裝置，發出紅色預警信號，提醒工作人員需要停機，對主軸支撐軸承進行維修或者更換。另外，在黃色預警和紅色預警中的時間，工作人員需要合理安排維修時間，以免非計劃停機。

圖8 主軸支撐軸承的方均根變化趨勢圖

通過實例驗證發現，在拋丸機上安裝實時狀態監測系統能夠及時發現軸承故障，為生產線的平穩運行和實施基于設備狀態的維修提供了基本條件，減少了設備非計劃性的停機，降低了產品的不良率，提高了的經濟效益。

4 結語

1)針對實際生產過程中拋丸機主軸支撐軸承頻繁失效的問題，根據拋丸機的結構特性，分析了主軸支撐軸承失效的主要原因是懸臂結構和葉輪的振動導致右端支撐軸承受力情況較差。

2)設計了拋丸機實時狀態監測系統架構，確定了合理的傳感器固定位置。

3)選取沖擊特征敏感的峭度指標和反映軸承故障嚴重程度的方均根指標作為軸承健康狀態指標，設置合理的閾值，對主軸支撐軸承進行實時監測和分析，通過實例驗證了方案的可行性，可以實現基于設備狀態的維修，提高了生產平穩性和效率。