關(guān)于TD75型帶式輸送機托輥軸承故障特性分析

任富軍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

故障診斷尤其是對輸送機托輥軸承的故障分析是帶式輸送機一項重要的研究領(lǐng)域，結(jié)合實際使用情況來看，輸送機大部分故障都是其傳動系統(tǒng)的故障，即鏈條、刮板、托輥等結(jié)構(gòu)的故障。近年來對托輥軸承故障的研究取得了較大成果，基于軸承的振動頻率，識別軸承的故障類型，建立了特征頻率與故障類型的對應(yīng)關(guān)系。針對帶式輸機的使用情況，通過采集其振動信號，來判斷托輥軸承的使用壽命。

就帶式輸送機結(jié)構(gòu)而言，托輥是其重要的傳動部件，由于托輥數(shù)量多且承受載荷工況復(fù)雜，因此容易引發(fā)故障。一旦托輥故障便容易出現(xiàn)皮帶與托輥摩擦加大，阻礙皮帶在托輥上的運行，從而對設(shè)備造成比較嚴(yán)重的影響。基于故障頻率的識別診斷，有助于提前發(fā)現(xiàn)托輥軸承的故障，為帶式輸送機的使用與維護提供了有力參考。

1 帶式輸送機基本結(jié)構(gòu)

帶式輸送機結(jié)構(gòu)簡單、可靠，維護與使用簡單，一般帶式輸送機結(jié)構(gòu)包括皮帶張緊裝置、轉(zhuǎn)向滾筒、托輥等結(jié)構(gòu)。帶式輸送機的輸送帶采用的是閉環(huán)連接結(jié)構(gòu)，在工作過程中鏈條不斷來回往復(fù)循環(huán)運動。驅(qū)動電機產(chǎn)生驅(qū)動力，通過滾筒與皮帶的摩擦作用，驅(qū)動皮帶不斷滾轉(zhuǎn)運行，被放置于皮帶上的物料隨同帶式輸送機皮帶一起運動，最后物料被運輸?shù)角岸恕Ｍ休仦閹捷斔蜋C主要的承力機構(gòu)，對較小皮帶的運行阻力具有重要作用。當(dāng)輸送機的運輸距離越長時，所布置的托輥就越多，因此托輥的可靠性對帶式輸送機的使用性能具有非常重要的影響。

2 托輥結(jié)構(gòu)

帶式輸送機工作時，托輥在皮帶的帶動下不停旋轉(zhuǎn)，由于托輥減小了皮帶的摩擦阻力，將皮帶與托輥之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榱藵L動摩擦，因此極大地減小了皮帶運行的摩擦力。與此同時，托輥受到物料跌落時的沖擊載荷，因此容易發(fā)生故障。其中軸承是托輥的主要承力部件，在惡劣的載荷工況作用下，軸承容易出現(xiàn)故障。現(xiàn)對托輥的主要裝配結(jié)構(gòu)作簡要說明，圖1為托輥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明示意圖。

圖1 托輥結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，礦用輸送機中常見的托輥典型結(jié)構(gòu)，該托輥主要由軸蓋、彈性擋圈、密封圈、軸承、軸承坐等組成。托輥的可靠性對輸送機整機設(shè)備的影響較大，因此開展帶式輸送機托輥可靠性的研究，對提高設(shè)備可靠性具有重要意義。托輥的故障通常包括筒體磨損、托輥軸承失效以及托輥彎曲變形等，其中托輥軸承失效占有最大的比例。通過對托輥振動信號的分析，識別托輥的故障類型，并為帶式輸送機制定相應(yīng)的維修、維護策略提供理論依據(jù)。

3 托輥故障特性分析

下面對帶式輸送機托輥軸承的故障特征分析方法做簡要描述，該理論方法可為后期托輥故障的診斷分析提供理論參考。

3.1 帶式輸送機托輥故障演化特點

由于托輥內(nèi)軸承裝配存在一定的間隙，軸承高速運轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生較為明顯的振動，若托輥軸承結(jié)構(gòu)不斷退化，將危及輸送機結(jié)構(gòu)安全。托輥軸承的故障特征是一個比較緩慢的衰減過程，首先是經(jīng)歷一個比較長時間的正常階段，然后軸承慢慢演化進入性能下降階段，在此階段逐漸出現(xiàn)一些潛在的故障，最后故障源不斷擴展，導(dǎo)致軸承達到失效點，最終失效，其故障的演化過程可概括如圖2所示。

圖2 軸承性能退化示意圖

隨著軸承服役的時間不斷增加，托輥軸承自身的使用壽命在下降，若托輥軸承的退化故障逐漸演化為可檢測故障，當(dāng)軸承出現(xiàn)異常的振動信號時，即可被檢測出來，及時地對故障的托輥軸承進行更換，如此有效地降低了軸承失效對設(shè)備運行帶來的損失。如圖2所示，軸承的故障演化從正常階段首先過渡到故障發(fā)生時的退化狀態(tài)，到后期故障失效，其變化速度明顯加快，若不能在軸承性能退化階段將問題解決，那么很快即可能出現(xiàn)軸承失效。

3.2 軸承故障特征頻率

根據(jù)托輥軸承故障的演化特點可知，托輥軸承的故障發(fā)生在故障檢測點之后，即可通過對故障信號特征頻率的分析確定軸承的故障類型。根據(jù)相關(guān)研究表明，軸承的故障頻率可根據(jù)一定的計算公式獲得，包括軸承的內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障等。如圖3所示為礦用帶式輸送機托輥軸承的結(jié)構(gòu)示意圖。為了比較形象地描述軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)，介紹軸承的主要技術(shù)參數(shù)，包括齒輪節(jié)圓直徑D、滾動體直徑d、滾動體數(shù)量Z。

軸承故障診斷的前提是要將軸承的故障特征和故障特征頻率聯(lián)系起來，所以軸承故障的特征頻率是分析其故障類型的理論依據(jù)。托輥軸承的故障特征頻率可為其健康監(jiān)測提供重要理論參考，一般可以基于軸承的參數(shù)以及故障頻率的計算公式計算得到軸承的故障頻率，由于篇幅所限，在此不再對軸承的所有故障頻率的計算公式做詳細說明。

圖3 帶式輸送機托輥軸承的結(jié)構(gòu)

4 托輥軸承故障仿真分析

通過仿真分析的方式研究軸承的故障特點，根據(jù)相關(guān)資料研究故障頻率的計算公式如式（1）所示，可以根據(jù)該振動仿真模型來模擬軸承的故障特征信號；結(jié)合6024軸承的特征參數(shù)，可以模擬得到該軸承的振動特征信號。

式中：fr為轉(zhuǎn)頻，其計算表達式為fr=1/Tr；fBPFO為外圈故障頻率；fBPFI為內(nèi)圈故障頻率；fBSF為滾動體故障特征頻率；fFTF為保持架故障特征頻率。

在此選擇BPFI即內(nèi)圈故障為研究對象進行仿真分析；假定仿真的托輥轉(zhuǎn)動頻率為20 Hz，則其采樣頻率為20 Hz，可以構(gòu)建6024軸承的內(nèi)圈故障特征仿真信號，其信號的公式如式（2）所示。

式中：TBPFI為軸承內(nèi)圈的故障循環(huán)響應(yīng)周期；t為時間；m為故障沖擊信號的幅值；y1為無噪聲干擾的仿真信號；y2為由噪聲影響的仿真信號。如圖4所示為6024軸承內(nèi)圈故障的仿真信號。

圖4 軸承內(nèi)圈故障特征頻譜

經(jīng)過對該故障信號的頻譜分析，很明顯可以提取出故障的特征頻率，而且振動信號的分析得到的特征頻率與理論計算公式的相一致，說明故障信號的頻譜分析可以幫助了解故障的特征頻率以及故障類型。所以可以對在線運行的輸送機托輥軸承進行信號研究，通過在線監(jiān)控系統(tǒng)采集設(shè)備運行的振動信號，并對該信號進行頻譜分析，振動信號的頻譜圖中包含了大量與故障相關(guān)的特征信息，基于上述特征信號的分析可以幫助了解設(shè)備可能存在的故障，為在線運行設(shè)備的故障診斷提供了一種有效、可靠的方案。

5 結(jié)語

從振動信號入手，解決托輥軸承故障無法檢測的問題，基于振動信號的頻譜分析以及軸承故障特征頻率的分析，即可基于其振動信號的分析得到軸承的故障特征。這對于提高軸承的故障診斷效率，保障設(shè)備的安全運行具有重要意義。為此，以TD75型帶式輸送機為研究對象，開展了基于Matlab仿真模擬軸承內(nèi)圈故障的振動信號研究，經(jīng)過頻譜分析得到了信號中所包含的故障特征頻率與理論公式計算的相一致，說明振動信號對于軸承故障的診斷分析具有較好的可靠性。