礦用軸承失效分析與故障診斷辦法分析

李濤 張為

摘 要：本文主要針對礦用軸承失效分析和故障診斷展開研究，先簡要分析礦用軸承的使用工況，然后對礦用軸承的失效形式及故障表征分別進行了闡述，最后在礦用軸承的振動監測中，詳細論述了測量裝置、測點布置、振動分析與故障診斷等內容，旨在不斷提高礦用軸承的故障診斷水平，有效應對礦用軸承失效問題。

關鍵詞：礦用軸承;失效分析;故障診斷辦法

現階段，設備制造企業和使用企業，對于礦山采掘設備的可靠性予以了高度重視，這已經成為了企業內部設備管理部門共同關注的話題之一。在機械設備的支承單元中，軸承發揮著重要的作用，加強軸承的可靠性是重中之重。一般來說，礦用設備的工作環境并不是十分理想化，由于軸承失效，極容易導致設備故障問題的出現。軸承的設計、安裝以及使用等，極容易導致軸承失效現象，所以在使用方面，要對軸承的工作狀態進行深入預測、分析，不斷提高礦山正常運作水平。

一、礦用軸承的使用工況分析

一般來說，礦用軸承的使用工況并不理想，對其表現進行分析，首先，現場空間比較有限，煤礦機械機構比較緊湊化，礦山設備不僅本體較大，自重較高，其作業處理量也比較大，進而增加軸承負荷。其次，采廠或礦井內部工作條件具有高度的復雜性和多變性，軸承的負荷變化極其顯著。再次，礦山機械重負荷，如果工況處于中速運轉下[1]，軸承受到啟動或停機時的沖擊負荷比較常見。

二、礦用軸承的失效形式及故障表征

（一）失效形式

首先，工況環境的惡劣現象比較嚴峻，對于粉塵等微小顆粒，一旦進入軸承內，極容易導致失效現象的出現。其次，潤滑不良。由于潤滑劑老化現象的出現，在滾動體和滾道之間，潤滑油膜的完整性不足，這對于金屬表面的直接接觸產生了嚴重影響，使表面磨損程度越來越顯著，而且在接觸表面，裂紋或微小碎片已經形成[2]，這也是軸承失效的原因之一。最后，材料疲勞。在軸承承受循環應力的影響下，由于運行時間越來越長，在滾動體和軸承溝道表面，點蝕和剝落已經出現，所以加劇軸承失效現象的出現。

（二）故障表征

對上述軸承失效形式進行分析，對于軸承失效現象的出現，極容易損傷到其溝道表面，導致在軸承運行過程中，加劇滾動體和溝道表面間的沖擊的發生，導致軸承的振動越來越顯著，所以軸承振動的大小，可以對軸承故障進行準確判斷。軸承振動的測量，可以避免對設備正常工作造成影響，所以在軸承故障監測中，具有較高的應用價值。以某行星齒輪減速器裝置在煤礦生產領域實際使用中出現故障，拆解后顯示輸出裝置行星輪中一行軸承發生損壞，另一行兩盤軸承均表現出不同程度上的損壞情況，致使大內齒圈輪齒以及行星輪出現相應損壞。通過對損壞軸承零件化學成分、金相組織以及硬度進行分析的方式，可以得到有關軸承失效原因的具體結論：發生斷裂的外圈滾道表面存在擠壓痕跡，表面有明顯的圓周向加工刀紋，這一特性說明外圈滾道表面相對粗糙，表面波谷明顯，從本質上來說得就好比裂紋或者尖角缺口，對應力集中呈現出了較高的敏感性，會導致其與滾子圓柱表面的接觸應力呈現出的明顯的增大趨勢，最終對軸承部件的使用壽命以及具體性能產生不良影響，在導致軸承早期失效方面扮演著非常重要的角色。而從硬度上來說，使用過的軸承部件外圈、內圈以及尚未出現破損情況的滾子在硬度值表現方面均符合滾動軸承零件的硬度要求，低倍熱酸浸試驗結果表明：內圈、外圈鋼中存在枝晶偏析，滾子鋼中存在中心帶狀偏析，偏析超標，影響軸承鋼的力學性能，對熱處理及加工工藝也有影響。除此以外，在諸多對軸承零件使用壽命長短以及機械性能水平產生影響的因素當中，非金屬夾雜物、碳化物、以及偏析的具體形態、分布情況發揮著非常重要的決定作用。對于軸承部件而言，圓柱滾子是以線接觸的形式參與服役運行，所承受接觸應力水平高，滾子圓柱表面任一點均可能作為工作點，對偏析、非金屬夾雜物和碳化物的形態及分布均勻性有著更為嚴格的要求;受損滾子內部有中心帶狀偏析缺陷，鋼中C類夾雜級別與標準要求不符，受損滾子網狀碳化物大于3.0級與標準要求不符;偏析與非金屬夾雜物、網狀碳化物超標，是軸承滾子失效的主要因素。從上述分析中，可以對行星齒輪減速器裝置軸承部件失效的原因以及具體表現進行總結：首先，軸承部件外圈、內圈以及滾子硬度均符合鋼滾動軸承在零件硬度方面的具體要求;其次，軸承部件外圈滾道表面有明顯的加工刀紋，且呈圓周狀分布，表面粗糙程度高，導致其與滾子圓柱表面的接觸應力高，直接導致了軸承部件的早起失效;最后，軸承滾子鋼中偏析、網狀碳化物超標以及非金屬夾雜物的存在是導致軸承滾子部件發生失效的主要原因。

三、礦用軸承的振動監測

（一）測量裝置

簡易振動傳感器和精密振動傳感器，是振動傳感器的重要構成內容，首先，對于簡易振動傳感器來說，其監測參數主要以設備振動量為主，對振動值大小進行分析，為設備是否正常的判斷提供一定的依據。在監測設備后，所獲得的振動信號具有一定的規律性，通過其分析，可以有效檢測和診斷設備的故障問題。對這種方法進行分析，具有廣闊的覆蓋范圍，數據采集密度較為明顯，而且沒有對儀器配置和技術水平提出較高的要求，在儀器配置中，測振筆比較常見。

其次，對于精密振動傳感器來說，可以對故障性質和振動部件等進行判斷，并確保設備故障排除方法的高度有效性。精密診斷，在少量關鍵設備的監測中具有較高的適用性，而且還可以有效分析和診斷異常的設備。精密振動傳感器，其頻率采集范圍比較寬，而且動態響應范圍比較大，同時有助于將數據處理能力提升上來，其精度性和可靠性已經得到了充分發揮。

（二）測點布置

對軸承振動進行分析，其產生主要體現在滾動體和溝道的沖擊方面，其傳播方向與軸承的徑向方向相一致。所以在布置振動測點過程中，要做到：第一，在軸承、軸承座的位置處，應合理布置測點。第二，測點應與布置在軸承的負載區保持較近的距離。第三，測點要對沖擊波能直線傳播到的位置予以優先選擇。合理控制好軸承到測點的距離，滿足短、直要求，避免與零件間多界面及空腔部位保持較近的距離。第四，要想不斷提高軸承的振動的監測全面性[3]，測量工作要在3個相互垂直的方向上來進行。在水平安裝的設備方面，水平和垂直方向得到了廣泛應用，而且在補充方面，軸向測量比較適用。針對垂直或傾斜的設備，往往沿著彈性軸的方向進行測量，并對徑向方向進行測量。

（三）振動分析與故障診斷

1.振動速度有效值

基于額定工況條件，設備的振動數據，數據點應在10個以上，時間跨度也應在30天以上，并對其平均值進行計算，以此來作為振動值。結合相關標準要求限制，如下表所示，在選種相應的限值后，為該設備的振動評判標準提供保證。在設備維修的影響下，振動情況的變化極其顯著，這時要加強評判標準的重新構建。

2.加速度包絡

在軸承運行過程中，對產生的沖擊進行分析，極容易導致軸承套圈的出現，加強共振解調技術的應用，可以對引發軸承座共振的沖擊信號進行求解，該沖擊信號，在軸承的初期失效方面得到了廣泛應用，并為早期預警分析提供一定的幫助，及時將問題進行排除。對加速度包絡值趨勢進行分析[4]，可以確保軸承的故障檢測的準確性。由于軸承外圈缺陷的出現，某膠帶減速機具有明顯的加速度包絡頻譜故障特征。在維修后，加速度包絡趨勢并不是特別顯著，在運行時間不斷增加的影響下，加速度包絡值越來越大。下圖為維修后加速度包絡值趨勢：

（四）加強BP網絡的應用

在機械故障診斷技術中，人工神經網絡具有較高的應用價值，也就是借助對機械故障信息的訓練學習，然后對分布在網絡內部的連接權值進行應用，從而將學習的故障診斷知識進行表達。因此，該方法的故障模式的聯想記憶優勢顯著，而且模式匹配和相似歸納能力較高，可以給予故障與征兆之間的非線性映射關系一定的保障。對軸承故障診斷要求進行分析，加強基于BP神經網絡的軸承故障診斷系統的構建，在該系統的診斷步驟中，可以有效采集故障信息，加強網絡訓練樣本集的構建。

四、結語

綜上所述，在礦用軸承狀態監測方面，振動監測發揮著重要的作用，而且振動監測，有助于不斷提高故障診斷水平。加速度包絡頻譜技術，可以將軸承故障診斷的準確性提升上來，加速度包絡趨勢分析，也可以對軸承的工作狀態予以反映，將二者結合在一起，可以更好地識別和預測軸承故障。本文上述分析中嘗試圍繞礦用軸承失效分析和故障診斷展開研究，對礦用軸承的失效形式及故障表征分別進行了闡述，并結合某行星齒輪減速器裝置軸承故障表現對失效原因進行概括與總結，最后在礦用軸承的振動監測中，詳細論述了測量裝置、測點布置、振動分析與故障診斷等內容，對于礦用軸承故障診斷技術的進一步發展有重要意義。

參考文獻：

[1]徐其祥.基于最小二乘支持向量機的礦用膠帶機滾動軸承故障識別[J].煤礦開采，2018，23（05）：39-42.

[2]王煜，周孟然，胡鋒，來文豪.優化神經網絡在礦用電機軸承故障診斷的應用[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2018，38（04）：30-35.

[3]歐陽利勇，王孝鋒.關于礦用電動機運行中常見故障因素及處理策略的分析[J].世界有色金屬，2017（20）：62-63.

[4]甄敬然，趙偉軍.基于經驗模態分解和形態濾波的礦用軸承故障診斷[J].煤炭技術，2017，36（07）：311-313.