一種多軸承同軸安裝狀態(tài)下的故障振源識(shí)別方法

一種多軸承同軸安裝狀態(tài)下的故障振源識(shí)別方法

1軸承轉(zhuǎn)速低,沖擊因素復(fù)雜低速負(fù)荷壓歲件通常安裝在大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備上。在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中，旋轉(zhuǎn)速度低，旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，承受大負(fù)荷，負(fù)荷分布不均。由于結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，振動(dòng)信號(hào)具有以下特點(diǎn)。(1)軸承轉(zhuǎn)速低造成了振動(dòng)信號(hào)的頻域特征模糊。旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速低,使通常低速重載軸承計(jì)算出來的軸承故障特征頻率一般在零點(diǎn)幾Hz到幾Hz。由于故障頻率都比較接近,而且對(duì)于多個(gè)故障點(diǎn)時(shí)更難判斷,診斷方法不宜使用常用的頻率分析法。(2)承受載荷大。由于負(fù)載較大,而且軸承的轉(zhuǎn)速低,因此,每次故障沖擊的間隔較長,加之不同的故障形式又有進(jìn)入承載區(qū)和不在承載區(qū)之分,故障機(jī)理復(fù)雜。因此使用沖擊法很難準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障信號(hào),無法對(duì)故障進(jìn)行全面地分析。(3)故障軸承不止一個(gè)時(shí),測(cè)得的故障脈沖信號(hào)會(huì)在時(shí)間域上出現(xiàn)疊加現(xiàn)象,這給低速重載軸承的故障診斷增加難度。2振動(dòng)信號(hào)的傳遞當(dāng)滾動(dòng)軸承的內(nèi)環(huán)、外環(huán)或滾動(dòng)體有損傷,軸旋轉(zhuǎn)時(shí),這些零件在接觸過程中會(huì)發(fā)生機(jī)械沖擊,產(chǎn)生故障沖擊脈沖。故障沖擊脈沖會(huì)沿著傳遞路徑傳播,會(huì)出現(xiàn)能量衰減現(xiàn)象。沖擊脈沖的能量衰減主要是由介質(zhì)的吸收和散射引起的,介質(zhì)的吸收使沖擊脈沖的振幅減小,衰減變快;介質(zhì)的散射使沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間變長,衰減變慢。通常在某一測(cè)點(diǎn)測(cè)得振動(dòng)加速度信號(hào),由幾部分組成:(1)經(jīng)過衰減后的振源的直接信號(hào);(2)經(jīng)由第1反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波疊加;(3)深處第2、第3多個(gè)反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波的疊加。但由于傳遞過程中沖擊脈沖衰減較多,而且反射波存在時(shí)間差,所以迭加在由振源直接衰減成的訊號(hào)分量較少。經(jīng)過衰減后的振源的直接信號(hào)是所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的主要成分,介質(zhì)內(nèi)摩擦造成的能量耗散是影響所測(cè)振動(dòng)信號(hào)振幅的主要因素。通常用介質(zhì)的品質(zhì)因子Q描述介質(zhì)吸收特性的強(qiáng)弱,它是介質(zhì)所固有的特性。振幅式中l(wèi)———傳遞路徑長度;f———頻率;Q———介質(zhì)的品質(zhì)因子,為波的傳播速度。從式(1)中可以看出當(dāng)f、Q、v為固定參數(shù)時(shí),振幅A只與傳遞路徑長度l有關(guān),而沖擊脈沖的振幅是振動(dòng)能量大小的標(biāo)志,振幅越大,振動(dòng)能量越大,因此只要考察多個(gè)振動(dòng)加速度傳感器在同一時(shí)刻測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)能量對(duì)比,就可以識(shí)別故障脈沖的振源。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)傳遞路徑長度對(duì)振動(dòng)能量影響的規(guī)律,在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí),分別在旋轉(zhuǎn)軸承上部、中部和底部安裝3個(gè)同類型的振動(dòng)加速度傳感器。測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)如圖1所示。根據(jù)上述原理通過同一時(shí)刻各脈沖振動(dòng)幅值對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了振源識(shí)別,識(shí)別結(jié)果如圖2和圖3所示。3旋轉(zhuǎn)振動(dòng)特性分析如果試驗(yàn)過程中只測(cè)量單路振動(dòng)脈沖信號(hào),由于缺乏參照對(duì)比信號(hào),振動(dòng)脈沖的傳遞衰減規(guī)律就不再適用于振源識(shí)別,因此,就必須從軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征入手,分析該振動(dòng)信號(hào)是否包含其相關(guān)信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振源識(shí)別。從圖4時(shí)域振動(dòng)曲線來看,由于回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn)不完全,通常工作角度為0～180°,而且轉(zhuǎn)速存在波動(dòng),其振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)時(shí)域非穩(wěn)態(tài)特性,從時(shí)域無法直接提取足夠信息進(jìn)行振源識(shí)別,因此,必須另辟蹊徑。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在角度域上振動(dòng)脈沖能夠反映出軸承的空間穩(wěn)定性,郵局就是說角度域上,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)一周過程中,其故障零部件與其他零部件的接觸(滾動(dòng)體與外圈、滾動(dòng)體與內(nèi)圈的接觸)次數(shù)是固定不變的,與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)速度無關(guān)。根據(jù)這個(gè)規(guī)律,可以從角度域提取特征信息,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)振源識(shí)別的目的。為了反映軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過程中零部件相互之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,定義以下特征量:接觸頻次是指當(dāng)軸承一個(gè)套圈旋轉(zhuǎn)一周過程中,外圈、內(nèi)圈、保持架或滾子上某一點(diǎn)與其他構(gòu)件接觸的次數(shù)(單位:次/r)。零件接觸轉(zhuǎn)角是指在旋轉(zhuǎn)工作過程中軸承零件特定點(diǎn)與其他零件發(fā)生接觸的最小軸承套圈轉(zhuǎn)角(單位:(°)或rad)。軸承零件特征量的計(jì)算公式如表1所示。對(duì)于某回轉(zhuǎn)平臺(tái)同軸安裝的3個(gè)軸承(型號(hào)分別為9069344、3540、3530),其特征參量計(jì)算結(jié)果如表2所示:由于軸承不完全回轉(zhuǎn)的關(guān)系,接觸頻次特征量不能通過角域的傅立葉變換直接獲得,因此,在軸承回轉(zhuǎn)不完全的情況下,利用接觸轉(zhuǎn)角進(jìn)行振源識(shí)別更為方便,接觸頻次更適合用于低速完全旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振源識(shí)別。當(dāng)測(cè)得一路振動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí),只需要將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為角域信號(hào),再分別讀取每個(gè)脈沖的角度坐標(biāo),設(shè)為θ1、θ2、…、θi、…、θn,接著將各脈沖坐標(biāo)兩兩相減,會(huì)得到一系列角度差值,將其與表2中的軸承接觸轉(zhuǎn)角特征值做比較。如果與其中哪一個(gè)接近,則說明振動(dòng)脈沖來源于該型號(hào)軸承,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振源識(shí)別。需要說明的是,在與表2理論值進(jìn)行比較時(shí),結(jié)合各個(gè)軸承的承載情況分析脈沖間隔與振幅變化規(guī)律,會(huì)簡(jiǎn)化振源識(shí)別過程。以圖4振動(dòng)脈沖曲線為例,經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后,角域曲線如圖5所示:圖中各脈沖的角度坐標(biāo)為:14.4°、32.5°、44.27°、65.886°、79.89°、93.98°、108.85°、117.13°、126.18°、158.5°,兩兩相減后得到角度值序列X,根據(jù)表2標(biāo)準(zhǔn)值范圍,數(shù)據(jù)經(jīng)剔除處理后,參照表2分析可得以下結(jié)論:(1)θAE=65.49°,θCG=64.58°,說明脈沖A、E、C、G的振源是上部3530軸承。(3)各脈沖振幅呈遞減變化趨勢(shì),這是因?yàn)檩S承承受載荷沿圓周分布不均的緣故,而脈沖H與曲線最末端的脈沖來自外界環(huán)境的干擾,原因是回轉(zhuǎn)平臺(tái)打開過程或到位時(shí),與架體發(fā)生干涉。4減原理及分析方法針對(duì)多個(gè)低速重載軸承同軸安裝不完全旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)混疊現(xiàn)象,利用振幅衰減原理和角域特征量2種方法實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)脈沖的振源識(shí)別,為進(jìn)一步研究低速重載軸承性能檢測(cè)與故障診斷方法奠定了基礎(chǔ)。這2種方法各有其特點(diǎn),利用振幅衰減原理進(jìn)行振源分離操作簡(jiǎn)便,但是受機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制較大,而利用角域特征量進(jìn)行振源識(shí)別則不受結(jié)構(gòu)條件的影響,只是在分析過程中,計(jì)算和分析過程稍顯復(fù)雜。因此,在具體應(yīng)用時(shí),方法選擇需視具體情況而定。表中,,ni為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速(r/min),n0為外圈轉(zhuǎn)速(r/min),ng為滾動(dòng)體圍繞其身中心軸線的轉(zhuǎn)速稱為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(rmin),Di為內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)的直徑(mm),De為外圈滾道接觸點(diǎn)的直徑(m