淺析斗輪機回轉軸承故障診斷

趙俊峰

（福建大唐國際寧德發電有限責任公司，福建 寧德 352000）

1 斗輪機及回轉機構簡介

1.1 斗輪機基本構造

由斗輪機構、上部金屬結構、懸臂膠帶機、主機梯子平臺、主機俯仰液壓裝置、門座、支承鉸座、轉盤、中部料斗、回轉機構、行走機構、集中潤滑系統、動力電纜卷筒裝置、控制電纜卷筒裝置、尾車、尾車梯子平臺、電氣系統、司機室、配重組、基礎布置及載荷等組成。

1.2 斗輪機回轉機構工作原理

回轉機構主要由回轉驅動裝置、三排列滾柱式回轉軸承、座圈、法蘭、齒輪、齒輪罩、緊固件等組成?；剞D驅動裝置由電動機、減速器、制動器、限矩聯軸器、機座、罩子等組成?；剞D機構安裝在門座和轉盤之間。下座圈下部固定在門座上，下座圈上部與帶外齒的三排列滾柱式回轉軸承外圈相聯；上座圈上部支撐轉盤，上座圈下部與三排列滾柱式回轉軸承內圈相聯?；剞D驅動裝置分別安裝在轉盤后部，減速器輸出軸上的驅動齒輪與三排列滾柱式回轉軸承的外齒相嚙合，通過電動機的動力傳動，實現轉盤相對于門座的回轉。進而完成主機的回轉功能。

在斗輪機日常使用過程中，回轉機構發揮著重要的作用，其中最重要的回轉軸承則為最核心部件。如其出現問題，檢修難度大、存在很大的安全風險；檢修時間長，影響設備及系統的正常運行；設備金額較大，經濟損失嚴重。所以，斗輪機回轉軸承的故障診斷在實際生產中變動尤為重要。

2 軸承的常見失效形式

2.1 接觸疲勞失效

材料在其工作界面上長期有應力作用而導致的失效稱為接觸疲勞失效，這往往會導致材料的剝落。剝落一般情況下是由其界面上疲勞裂紋慢慢引起的，從最大應力處開始到工作界面會產生不同的剝落形態。其根據形態分成點蝕和層狀剝落。如果任其發展和擴大，最終會導致深層剝落，這是此類失效形式的源頭。

2.2 磨損失效

工作界面上長期地摩擦和磨損而引起的失效形式稱為磨損失效，長期的磨損會帶來軸承精度不準確，尺寸變化等一系列后果，最終導致零件無法使用。磨損失效根據其產生原因可分為兩種，顆粒磨損以及粘附磨損。顆粒磨損是因為有外來顆粒進入到工作界面之中或是金屬屑與工作界面的相對摩擦，這會在工作界面上產生犁狀擦痕。粘附磨損是因為工作界面在潤滑不佳的情況下與外物摩擦而產生熱量從而發生變形，甚至會使界面出現部分的熔化現象進而撕開工作界面上的焊接點。

2.3 腐蝕失效

像水等具有腐蝕性的物質在工作過程中碰到滾動軸承而導致腐蝕甚至出現銹跡而產生的失效形式稱為腐蝕失效。此外，微小的電流以及靜電的影響一樣會引起滾動軸承的腐蝕。此類問題會引起在滾動軸承的各個部位產生不同形狀的銹狀，慢慢導致整個滾動軸承的失效。

2.4 斷裂失效

軸承本身存在缺陷以及載荷過大而產生的失效形式稱為斷裂失效。因此斷裂失效也分為兩類，過載斷裂和缺陷斷裂。其中過載斷裂是因為機械發生故障或者安裝問題而使外載荷過大進而斷裂。缺陷斷裂是因為軸承表面的微小裂痕、氣泡、溫度過高而引起的變形等缺陷在外力作用下而斷裂。

2.5 游隙變化失效

游隙變化失效是指在環境以及自身因素的作用下使得軸承尺寸精度喪失，進而產生卡殼現象。其中環境因素有安裝出現問題，過盈量不合適，溫度的劇烈變化，載荷過大等，自身因素有內部應力的不斷波動等。

3 軸承故障診斷的發展

第一階段，工人和專家們在借助螺絲刀等工具，通過視覺和聽覺再結合上自己的經驗來判斷軸承是否發生故障以及故障的部位，但這樣的方式，主觀影響很大，會導致較大的誤差。

第二階段，使用測振儀和磁帶記錄器等工具，主要通過運動學參數的峭度值、峰值來確定軸承是否發生故障，這樣做可以減少主觀因素的影響，但依然還是會經常出現不能及時準確的診斷出故障的情況，而且此時只能進行單通道分析，較為單一。

第三階段，隨著運動學、動力學的快速發展，傅里葉變換的出現，滾動軸承的故障診斷進入了使用時頻域分析的時代，時域分析適用于故障的簡易診斷，而頻域分析一般使用共振調解方法，適用于故障的精密診斷，并開始出現多通道分析。除此之外，利用溫度分析也是當時一種頗為流行的方法。

第四階段（現階段），隨著計算機技術的發展，滾動軸承的故障診斷開始使用以計算機和傳統儀器結合的虛擬儀器。數據分析的速度大大增快，數據的處理量也大大增加。

4 軸承的故障診斷理論

4.1 軸承的振動原理

滾動軸承振動的本質原因是不同的軸承部件受到沖擊與碰撞，因為軸承自身的結構特點、加工和裝配時產生的誤差和出現故障等因素，導致軸對軸承與軸承座組成的振動系統產生激勵，進而把振動信號傳到減速箱外殼，傳感器就可以監測到軸承的狀態信息并及時診斷軸承可能發生的故障。

4.2 信號處理

4.2.1 信號的預處理

傳感器采集到的振動信號因為受到環境及自身等各種因素的影響，必然會有所衰減且在其中混入噪聲信號。通過不同的傳感器采集到的信號，從而得到的輸出也會有所區別。因此在分析信號前，必須做信號的預處理，其目的是減少噪聲信號對分析的影響，增大信噪比，而在本系統中可以更好地得到特征頻率。對信號做處理、分析、變化、分辨之前，先對采集到的信號做過濾、放大有用信號去除無用信號的處理就是信號的預處理。

信號預處理方式一般分為以下幾種：

（1）信號類型轉變。同類電信號的相互轉變：比如電阻信號轉化為電流信號；不同類信號的轉換：比如利用光電儀器將光信號轉變為電信號。

（2）信號放大。就是將有用的信號信息利用放大器放大，使其更為明顯，常見的有：可屏蔽器、精密測試放大器。

（3）去掉均值。在得到振動信號的各時域參數時，將均值這個參數去掉。

（4）去掉趨勢項。常用的趨勢項消除方法有濾波法、多項式擬合法。

（5）信號濾波。濾波是對采集的信號中一些不要的頻段進行去除的做法，可以有效的減少干擾的影響。這也是本系統所要采取的信號預處理方法，只是本系統的最小熵解卷積法更側重于還原原來的信號。濾波根據其特點可分成兩類，現代濾波與經典濾波。

4.2.2 時域分析

給信號以一個穩定的輸入信號，通過確定的函數與時間軸關系，得到輸出，然后研究系統的各類性能是否平穩與符合要求，這就是時域分析。時域分析最大的特點就是利用時間軸（x 軸）進行分析，因此其非常的準確和明了。一般時域分析分為兩大類：參數分析（量綱參數與無量綱參數）和相關性分析（自相關與互相關）。

當軸承圈產生裂痕，滾動體剝落及發生嚴重點蝕現象時都會在時域波形圖中產生明顯的脈沖，因此將峭度用于故障診斷有較好的效果。

但以上參數除峭度外的量綱參數，它需要系統學習的數據而且會受到軸承轉速、尺寸、載荷等因素的影響，會為滾動軸承的檢測帶來諸多不便。為了解決這些不便，可以使用一些無量綱參數，不僅滾動軸承的運行狀態及外在環境因素對其的影響很小，而且對故障非常的敏感，是較為合適的診斷參數。無量綱參數有如下幾種：

（1）峰值因子。峰值因子（也稱為峰態因素），它表現了是峰值在曲線中的尖銳程度，而且故障能使其有較大的波動。軸承工作表面產生較小的缺損時，它的幅值非常地尖銳，所以能較好地診斷這類故障。

（2）波形因子。

（3）脈沖指標。當脈沖因子過大時，滾動軸承可能發生了點蝕；當脈沖因子過小時，滾動軸承可能發生了磨損。

（4）裕度指標。自相關分析也是時域分析中一種運用十分廣泛的方法，當其在滾動軸承故障診斷中使用，更有利于抑制噪聲的干擾，得到故障的特征。

時域分析可以很好地過濾噪聲信號，保留故障信號，確定振動信號中是否有完整的周期，提取出故障信息，從而對故障類型的判斷提供有力的幫助。

4.2.3 頻域分析

頻域分析法是一種用來分析振動信號的有效方法，振動信號能夠看成是頻率不同的正弦信號的疊加。頻率特征是指在在正弦函數的基礎上確定輸入與輸出的函數關系。頻域分析法就是指利用頻率特征來分析信號的一種傳統方法。

頻域分析法有如下特點：

（1）頻率特征能夠讓低階信號的時域頻域參數完全相互對應，也能讓高階信號的時域頻域參數基本對應。因此，頻域分析既能夠減小噪聲的影響，又能增強系統響應的靈敏度。

（2）將原始信號拆開成不同頻的正弦信號，再將其疊加。這樣可以有備無患，防止信號損失。除此之外，還能減少所需的存儲空間，提高傳輸的效率。

（3）對故障診斷的頻域分析法是一種將頻率組成和與之對應的幅值大小以直觀的圖表展現出來，進而得到初始時域頻率組成與相位信息的分析方法。根據對頻率組成的分析，對比滾動軸承運行時各組成部分的特征頻率，精確得定位故障的發生位置及性質。

常用的頻域分析方法有如下幾種：頻譜分析；包絡譜分析；功率譜分析。

4.2.4 故障診斷

滾動軸承經常發生的部分缺陷有內外環與滾子的脫落、點狀腐蝕和磨損（包含裂紋）變形，而無論哪種損傷都能引起對應的脈沖頻率信號，從中可以得到特征頻率。滾動軸承的精密診斷通常利用頻譜分析來看是否有產生滾動軸承的故障特征頻率，而故障特征頻率是可以由速度關系和經驗公式求得，特征頻率（Hz）的表達式：

式中，N 是軸的轉速（r/min）；D 是軸承的截圓的直徑（mm）；n 是滾子的個數；d 是滾子的直徑（mm）；β是接觸角（o）。

5 結束語

通過對軸承的故障研究分析，不難看出，軸承在日常運行過程中會傳出相應運行狀態的信號，根據這些信號，可以較好的分析出軸承的運行特性。

目前實際生產中，軸承的狀態判斷手段仍然較為原始，設備管理不夠先進，設備管理者可在生產過程中，結合軸承的相關理論研究，定期定量的對斗輪機回轉軸承進行數據檢測，理論分析，從一段時間的數據趨勢，可以發現回轉軸承的運行狀態，及早發現問題，研究解決方案，制定解決措施，避免事故擴大。