軸承壽命分析和監(jiān)測方法研究

吳云鋒 孫衛(wèi)紅 吳真光

中國人民解放軍91872部隊 山東青島市

1.概述

在機械設備的壽命周期歷程中，蘊含了設備豐富地的綜合信息。包括：維修維護歷程信息；運行狀態(tài)歷程信息；部件壽命歷程信息等。實時地自動存儲（顯示）、統(tǒng)計這些賦有不同權重的歷程信息，對于研究設備壽命規(guī)律、提高可靠性和運行管理水平以及優(yōu)化后續(xù)產(chǎn)品設計都具有重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

根據(jù)粗略統(tǒng)計，一般船舶的軸承故障占到機械故障的30%以上，是影響設備可靠性的重要原因之一。因此，軸承壽命分析是一個重點也是一個難點，本文試圖從軸承監(jiān)測方法的建立、軸承壽命預測試驗，探索軸承壽命分析和監(jiān)測的方法。

2.機械設備狀態(tài)信息模型設計

圖1是以機器軸系中的1個軸承為基礎建立的狀態(tài)信息模型，對于2個以上的軸承支撐來說，模型原理是一樣的，只是數(shù)量上的疊加。

信息模型描述了系統(tǒng)的基本架構和功能，共有6個功能單元：①軸承狀態(tài)監(jiān)測與壽命評估；②整機狀態(tài)信息監(jiān)測與評估；③機器軸系統(tǒng)靜態(tài)信息寫入與記憶；④系統(tǒng)多元狀態(tài)信息顯示；⑤數(shù)據(jù)存儲；⑥信息管理。模型的箭頭指向表征了系統(tǒng)的信息層次和功能模塊之間的邏輯關系。

3.軸承疲勞壽命監(jiān)測分析方法模型

圖1 狀態(tài)監(jiān)測信息模型

一個軸承中的任一滾動體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉速下能夠達到的工作小時數(shù)即為一個軸承的疲勞壽命。大量的軸承壽命實驗數(shù)據(jù)證明，滾動軸承的疲勞壽命是相當離散的。因此，針對其離散特征，為表征一批軸承的壽命，必須用數(shù)理統(tǒng)計方法計算在一定使用概率（或可靠度）下的壽命。行業(yè)標準規(guī)定了軸承的2種壽命統(tǒng)計值；一是額定壽命L，是指在一批相同的軸承中，有90%的軸承在任一滾動體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉速下能夠達到的工作小時數(shù)；二是中值壽命Lm，是指在一批相同的軸承中，有50%的軸承在任一滾動體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉速下能夠達到的工作小時數(shù)。

對大量的軸承試驗數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計分析表明，軸承的（額定壽命）疲勞壽命符合韋布爾分布規(guī)律，其壽命規(guī)律曲線如圖2所示。

就機械設備來說，每一個運轉軸承的疲勞壽命都關系到設備和系統(tǒng)的可靠性問題。鑒于軸承疲勞壽命的離散性，統(tǒng)計分析在實際運行工況下的軸承壽命和壽命規(guī)律，對保障機器安全運轉是非常必要的。統(tǒng)計軸承壽命，需要實時采集、分析軸承壽命歷程中的響應數(shù)據(jù)以確定其壽命狀態(tài)。選用7項特征參數(shù)對軸承壽命狀態(tài)進行融合分析：①通頻振動加速度單峰值；②通頻振動速度有效值；③共振解調(diào)包絡有效值；④軸承脈沖沖擊峰值；⑤軸承脈沖地毯值；⑥頻譜分析；⑦實時壽命時間比較與統(tǒng)計。

圖2 軸承疲勞壽命的一般規(guī)律

由設備狀態(tài)監(jiān)測實踐證明，選擇的特征參數(shù)對診斷軸承壽命狀態(tài)有較高的可信度，賦予這些特征參數(shù)不同的權重，即可形成綜合評價標準體系。因此，圖3所提供的軸承疲勞壽命監(jiān)測分析方法模型是完全可行的。

4.軸承運行質(zhì)量監(jiān)測與評估

軸承運行質(zhì)量監(jiān)測與評估，是通過監(jiān)測軸承運行中的特征參數(shù)和參數(shù)值的變化來分析軸承的實際運行狀況。即依據(jù)數(shù)據(jù)的幅值大小、變化態(tài)勢和頻譜特征分析，綜合診斷軸承是否存在離散性缺陷故障或潤滑不良故障等，進而對軸承部件的壽命狀況給出準確評價。

（1）監(jiān)測參數(shù)設定。軸承振動速度有效值v，mm/s；軸承振動包絡波有效值ha，m/s2；軸承振動加速度單峰值a，m/s2；軸承沖擊脈沖最大值dBm，dB；軸承沖擊脈沖地毯值dBc，dB。

（2）評估。圖4為評估模型。健康狀況設A、B、C、D 4個評價區(qū)域、3個邊界值，邊界值的權重越大，即表征設備的技術狀況越差。通過把監(jiān)測到的動態(tài)振動參數(shù)幅值寫入到系統(tǒng)中，與程序存儲器中的綜合評價標準邊界值進行比較的方法，來得到機器的健康評價結果。根據(jù)機器的不同技術特性，可以擦寫綜合評價標準模型中的邊界值權重，以便能夠正確評估設備的實際技術狀況。

（3）報警。報警狀態(tài)設為2級：振動幅值≥B/C邊界值，“黃燈”報警；振動幅值≥C/D區(qū)邊界值，“紅燈”報警。

圖3 軸承疲勞壽命監(jiān)測分析方法模型

5.軸承疲勞壽命實驗與剩余壽命預測

圖4 機器振動健康狀況綜合評價標準模型

伴隨軸承運行歷程而在其壽命軌跡線上同步移動的實時工作點，涵蓋了軸承的2項重要壽命信息：軸承疲勞壽命實時值；軸承疲勞壽命剩余值。

為此，分別設計了滾動軸承額定（或疲勞）壽命預置與顯示；實時壽命累計記憶與顯示2項功能，把這2種時間信息進行實時比較后，便預測出了疲勞壽命的剩余時間。

軸承額定壽命與實時壽命的預置和記憶制式，設計了2種顯示方式，數(shù)字實時顯示和"棒柱"演變顯示。

6.結語

軸承的疲勞壽命一般是在給定的條件下進行理論計算或通過軸承壽命試驗機實驗得到。在實際運行環(huán)境、運行工況下考核、實驗、統(tǒng)計軸承的額定壽命，較之理論計算和壽命機實驗兩種方法，有更高的可信度。軸承疲勞壽命實驗與剩余壽命預測的實驗結果表明，軸承壽命分析和監(jiān)測方法是可行的。設備狀態(tài)監(jiān)測工程師，可根據(jù)設備出現(xiàn)的早期故障癥兆，跟蹤、分析其發(fā)展趨勢，及時進行故障診斷和必要的剩余壽命預測；修船職能部門，可依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測分析報告和維修建議，做出有針對性地修理計劃和準備措施。