利用小波理論診斷冶煉車間設備軸承故障的研究

張 慧，劉 馥，于文強

（盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124000）

當前，工業制造業呈現出自動化和智能化的發展趨勢，機械設備的結構也開始復雜化，因此，機械設備的保養與維護也開始越來越困難。軸承是一種被廣泛應用于機械設備中的零部件，軸承是機械設備的正常運行的保障，因此它也是工業制造中最關鍵的部件。機械設備的運行安全、機械設備的動力運行狀態是否存在問題關乎于軸承系統的安全運行，而冶煉車間設備軸承故障已經占據機械設備故障一半以上，在長期的運行狀態下，因為機械設備的潤滑出現問題、設備的磨損、不適合的運行溫度、設備接觸疲勞等因素，以上原因極有可能對滾動軸承造成局部損壞，使產品無法保質保量產出，嚴重情況會發發生生產事故[1]，所以，準確的判斷出軸承的運行故障不但可以滿足生產需求而且可以將潛在的安全隱患進行消除。本文在介紹小波理論分析的基礎上，對如何提取軸承故障特征從而實現對冶煉車間軸承故障模式的智能識別進行論述，并提出了利用小波理論診斷冶煉車間設備軸承故障的方法，不僅精準性高，時效性強，還為維修提供了便利，降低了人工勞動強度，這對于冶煉車間設備軸承的保護和管理有著重要作用。

1 討論

1.1 冶煉車間設備軸承故障的形式和損傷類型

傳統的軸承是由內圈、外圈、滾動元件和保持架組成的。內圈主要是和轉軸連在一起旋轉；外圈一般是固定的，不隨軸轉動；滾動元件是滾動軸承中安裝在內圈與外圈之間的核心部件，它能使內圈與外圈之間的滑動摩擦成為滾動摩擦；保持架的設計是用于均勻分布滾動元件的位置并引導滾動元件在軌道上能夠正確運動。

由于復雜多變的工作環境，滾動軸承的損傷形式非常多樣化，常見的損傷類型有：疲勞剝落、磨損、裂紋和斷裂以及壓痕等。當滾動軸承的單個部件發生損傷時，例如剝落、裂紋和點蝕等，會產生周期性的特定頻率信號，這也稱為故障特征頻率。故障特征頻率與軸承的幾何尺寸和運轉速度都是相關聯的。

1.2 軸承故障分析

（1）疲勞失效。冶煉車間設備軸承的疲勞失效故障主要是軸承的工作條件決定的。在工作運轉時，冶煉車間設備軸承會受到交變載荷而產生細小的裂縫。隨著運轉時間不斷增加，裂縫也隨之越來越長，最終發生軸承斷裂事故。因此，我們要對疲勞失效情況進行重點的預防，以及實時監測。

（2）磨損失效。當冶煉車間設備軸承與滾動體相互接觸之后，一些顆粒會進入接觸表面以及軸承內圈。一旦設備的運行超過額定值，就會造成工作表面出現磨損，降低了軸承的壽命[2]。

1.2.3 軸承的斷裂失效

進行制造加工的時候，如果對冶煉車間設備軸承的材質處理不合理，就很容易導致裂紋的出現。如果工作運行速度不合理，冶煉車間設備軸承就會出現熱應力集中的現象，嚴重時，甚至導致斷軸。工作載荷過高、速度過快、缺乏潤滑油等情況也都可能導致軸承斷裂。

1.3 小波理論概述

1.4 基于小波理論的故障診斷研究

基于小波理論的設備故障診斷不但定位精準，而且可以準確地判定故障類型，此項技術包括了故障數據信號的采集、設備故障特征的提取、設備工作狀態的判斷等三個程序步驟。通過監測冶煉車間的設備軸承，對采集到的信號特征進行分析，進而判斷設備故障的位置，總結出故障產生的原因。小波原理的構造過程比較簡單，主要是恢復、更新、預測、合并。插值細分原理的運算量較少，對設備的要求較低，操作簡單，可以滿足設計要求。因此，我們基于該原理，使用濾波器對離散小波進行重構，得出的結果非常準確。此外，多相矩陣、低通濾波器和高通濾波器都是可以應用于重構過程中的，這樣就可以對得到的冶煉車間的設備軸承故障進行分析研究。

1.5 小波原理對軸承故障的診斷方式

通過對冶煉車間設備軸承的相關的研究，我們發現：一旦設備軸承的速率超過了1千四百轉每分鐘，損失的直徑就會超過0.5mm，損失深度就會高達0.25mm。通過計算，可以分析出設備軸承的內圈也達到了260赫茲的損失頻率，通過對這些損失進行仿真計算，將結果其導入到信號變換中，再進行分析，然后對小波包進行分解，最終得到高頻帶下的信號，之后我們再利用包絡解調，對小波信號進行解調，根據小波理論分析，我們最終得到了相關能量譜。

圖2 軸承正常運行的小波能量圖譜

圖3 利用小波理論進行冶煉車間設備軸承故障診斷的能量圖譜

我們對圖2和圖3進行了分析，發現正常信號高于故障信號，這說明了齒輪中存在著故障，同時根據該段小波的頻率、頻段等特征，得出故障的頻率值，進而判斷軸承的故障所在。

2 結論

本文利用小波理論準確地診斷冶煉車間設備軸承的故障。根據小波理論診斷設備功率譜、能量值、頻率值判斷軸承運行狀態。通過這種方式診斷冶煉車間設備軸承的故障，技術優勢明顯，準確度高，時效性強，為今后的冶煉車間設備軸承的維修提供了便利。