風機軸承故障機理分析與智能診斷研究

白 琳，郭壯麗，程英輝，劉啟超

（1.河北省機械科學研究設計院有限公司，河北石家莊 050051；2.河鋼承德釩鈦新材料有限公司，河北承德 067102；3.天津城建大學，天津 300384）

0 引言

風機是冶金行業重要輔助設備，在冶金行業的實際運行過程中，風機存在工作時間長、工作條件惡劣、工作負荷高等問題，由此容易使風機發生故障。風機發生故障時，需要進行停機維護、部件更換等操作，此時會造成重大的經濟損失，甚至會引起嚴重的安全事故。因此，故障診斷工作是保障風機安全、穩定運行的前提。滾動軸承作為風機設備中重要的零部件，通常在負載和速度不斷變化的條件下工作，由于長時間的運行，導致滾動軸承成為傳動系統中容易損壞的零部件。根據工業機械協會統計數據，在旋轉機械發生的故障中，由滾動軸承引發的故障約占30%，所以滾動軸承的故障診斷對風機的正常工作十分重要。本文詳細介紹滾動軸承的結構并對其故障機理進行分析，設計滾動軸承智能診斷系統，經測試分析，該故障診斷系統可以很好地滿足滾動軸承的診斷需求，對風機設備穩定、安全運行具有重要意義。

1 滾動軸承結構及故障機理分析

1.1 滾動軸承結構

滾動軸承是旋轉機械中使用非常廣泛的零件之一，起著支撐軸和軸上零部件的作用。滾動軸承基本結構是由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成（圖1）。滾動軸承內圈與軸頸一般進行過盈配合，并隨軸進行旋轉，滾動軸承外圈可固定在滾動軸承座上或與孔進行配合，不隨軸做旋轉運動。滾動體均勻地排列在內圈與外圈之間，承受內圈和外圈所傳遞的載荷，使滾動軸承在載荷的作用下保持轉動。保持架將滾動體均勻分開，防止滾動體接觸，減小摩擦，使其進行正常的滾動，并保持良好的潤滑效果。

圖1 滾動軸承結構

1.2 滾動軸承故障機理分析

1.2.1 失效形式

（1）疲勞失效。疲勞失效是滾動軸承常見的失效形式。滾動軸承表面會產生交變應力，在接觸面表面的最大應力處會產生細微的疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的不斷擴大，表面出現剝落情況。如剝落形狀呈小片狀，為淺層剝落。隨著剝落面的不斷擴大，逐漸向深層擴展，成為深層剝落，進而引發振動，加劇磨損，最終導致軸承失效。

（2）腐蝕失效。滾動軸承常見的腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。當滾動軸承的密封被破壞后，混入水等其他具有腐蝕性的物質，或者長期工作在濕度大等惡劣條件下，均易發生化學反應。在電化學腐蝕中，滾動軸承和電解質形成兩個電極，組成腐蝕原電池，并伴隨有電流產生，產生的電流對金屬表面造成電化學腐蝕。產生腐蝕后，滾動軸承表面出現變色、粗糙以及腐蝕坑，腐蝕到一定程度會出現局部剝落現象，從而導致軸承失效。

（3）斷裂失效。斷裂失效主要包括過載和缺陷。當外部施加的載荷大于滾動軸承材料的強度極限時，致使滾動軸承發生斷裂，稱之為過載斷裂。如果滾動軸承表面存在裂紋、凹坑等缺陷，在正常載荷或者劇烈沖擊下，會在缺陷處發生斷裂，稱之為缺陷斷裂。斷裂失效極大可能會引起相關設備的嚴重故障。常見的斷裂原因包括裝配方式不當、過載負荷、潤滑不良等因素。

（4）磨損失效。當滾動軸承表面發生相對滑動時，會導致工作表面金屬發生損失的現象稱之為磨損。長時間的磨損會對滾動軸承零件造成損壞，并產生一定周期的沖擊激勵，使其尺寸精度和形狀發生變化，也會喪失潤滑功能，旋轉精度降低，嚴重時無法正常工作。常見的磨損失效形式包括磨粒磨損和粘結磨損。磨粒磨損指外界的硬物質進入滾動軸承的工作表面，對滾動軸承的工作表面造成磨損。粘結磨損指一組相對接觸的表面發生相對運動，導致接觸面的表面材料剝落。

（5）游隙變化失效。軸承游隙指軸承滾動體和內外圈之間的間隙，可分為徑向游隙和軸向游隙。當滾動軸承長時間運行后，原配合間隙發生改變，致使滾動軸承尺寸發生變化，進而降低了滾動軸承旋轉精度，影響使用壽命。如果間隙過小則會出現加劇磨損、增加負荷、工作溫度升高等現象。間隙過大則會出現振動、噪聲、機器運轉不穩定等現象。引起軸承游隙變化失效的原因可分內在和外在因素，內在因素包括殘余奧氏體和殘余應力處于不穩定狀態；外在因素包括安裝精度不高或過載等。

1.2.2 振動超標

風機滾動軸承的振動會引起滾動軸承和葉片的疲勞程度增加、磨損程度加重、滾動軸承相關部件脫落、風道以及密封件連接處松動等問題，對風機的安全運行產生嚴重的影響。因此需要對滾動軸承的振動超標相關原因進行分析，從而找到解決問題的方法。目前引起滾動軸承振動超標的主要原因有葉片積灰、葉片磨損、風道系統、機械碰撞等。

1.2.3 溫度過高

滾動軸承溫度升高會使活動部件出現疲勞磨損、間隙增大，并伴隨有嚴重的異響。滾動軸承溫度過高是風機運行不穩定的重要原因之一。溫度過高的原因主要有三類：一是受力異常；二是運轉過程中未及時冷卻；三是潤滑不良。滾動軸承溫度升高會使活動部件出現疲勞磨損、間隙增大，并伴隨有嚴重的異響。通過測定滾動軸承異響的聲音和類型，可判斷滾動軸承溫度升高的原因。此外，風機的滾動軸承座出現松動也會使滾動軸承產生嚴重異響并增加磨損程度，從而使滾動軸承溫度升高。經過長時間使用后，風機滾動軸承出現傾斜現象，軸承長期傾斜工作，會導致軸承溫度升高，出現磨損，引發風機振動。

1.2.4 聯軸器故障

聯軸器的作用是將不同機構的主動軸和從動軸聯接，用于傳遞運動和轉矩。主要故障表現為不對中，指風機和電機的轉子軸心線和軸承的中心線發生偏移，在轉子的連接處會產生額外的剪切力和彎矩，從而使風機產生異常振動，加劇聯軸器和滾動軸承的損壞程度。不對中包括平行不對中和偏角不對中，平行不對中指主動軸和從動軸的中心發生一定平行偏移，偏角不對中指主動軸和從動軸的中心線不在一條直線上，即兩條中心線有一定夾角（圖2、圖3）。引起聯軸器故障的主要原因有裝配不當或由于螺絲松動導致軸承座振動等。

圖2 平行不對中

圖3 偏角不對中

2 滾動軸承故障診斷系統設計

當風機滾動軸承發生故障之前，靠人工無法第一時間對故障類型和位置進行預判。因此設計一套滾動軸承故障診斷系統，對滾動軸承運行狀態進行實時監測、精準預判，從而保障風機安全工作。

2.1 故障診斷系統總體框架

故障診斷系統是根據風機運行的各項數據實現對滾動軸承的診斷，主要對振動信號和沖擊脈沖信號進行實時采集和分析。故障診斷系統包括數據采集單元、數據分析單元、遠程監控單元（圖4）。

圖4 故障診斷系統總體框架

2.1.1 數據采集單元

數據采集單元是滾動軸承故障診斷系統的前端處理部分，主要實現信號的采集和預處理等功能。本系統通過振動傳感器實時采集振動信號，脈沖傳感器實時采集沖擊脈沖信號，轉速傳感器實時采集轉速信號。在電機兩端水平和垂直兩個方向均布置振動傳感器和脈沖傳感器，在風機兩端水平和垂直兩個方向均布置振動傳感器和脈沖傳感器（圖5），利用濾波電路對采集的信號進行濾波處理。A/D 轉換器將采集到的模擬信號轉換成數字信號，通過4G 網絡模塊進行數據傳輸。

圖5 測點布置

2.1.2 數據分析單元

數據分析單元對接收的數據進行去噪、特征提取以及特殊信息標注處理。上位機對數據進行頻譜分析、趨勢分析，利用小波算法進行降噪處理，提高數據的準確度。經驗模態分解（EMD）用于對非線性、非平穩信號進行分析處理，可以將獲得的原始信號分解為若干個本征模態分量進行特征提取。特征提取可直接影響故障診斷模型的訓練效果，利用經驗模態分解算法（EMD）對信號進行峰值、峭度、波形因子、均方根值等特征提取，將粒子群優化算法與卷積神經網絡相結合搭建故障診斷模型，將提取的特征輸入故障診斷模型中進行特征信息整合和分類。

2.1.3 遠程監控單元

遠程監控系統具有顯示設備的運行動畫、查閱歷史故障數據、設備運行參數以及故障分析結果等功能，實時監控所有風機設備滾動軸承的運行情況并進行故障管理，生成智能運維報表，用戶可根據需要自定義、計劃和導出數據報表。系統采用MySOL 數據庫對信息進行管理，數據庫內部分為設備運行數據、設備歷史數據、設備故障數據、故障分析數據。每項數據顯示生成對應的可視化表格。利用優化算法對設置的報警閾值進行優化，將處理后的數據參數與設置的閾值進行實時比較，超過設計的報警閾值時，系統自動發出報警，并在系統界面顯示故障位置和故障程度，生成故障診斷報告，給出維修建議。

2.2 測試效果分析

滾動軸承故障診斷系統中設置有正常、內圈損傷、外圈損傷、滾動體損傷、保持架損傷5 種類型，通過故障診斷系統對滾動軸承運行狀態進行測試。

美國凱斯西儲大學軸承數據集目前是世界公認的軸承故障診斷標準數據集，選用一定數據集作為系統的輸入數據，實驗軸承型號為SKF 6205，選用采樣頻率12 kHz，損傷直徑分別為0.177 8 mm、0.355 6 mm、0.533 4 mm，分別獲取軸承5 種類型的數據樣本，分別為訓練集和測試集，對不同損傷程度的軸承故障類型進行標簽。表1 為不同負載下的數據集。

表1 不同負載下的數據集

為驗證實驗的可靠性，對故障診斷系統進行測試，利用訓練集數據對故障診斷模型進行訓練，利用測試集數據進行測試，對生成的頻譜圖進行分析處理后，并與設置的閾值進行比較判斷，故障診斷系統的界面對滾動軸承故障程度和類型，以及運行趨勢進行動態顯示，并發出相應的報警信息。結果表明，通過對故障診斷系統的測試，證明該系統可有效對滾動軸承故障進行實時診斷。

3 結束語

風機是運輸氣體的機械裝置，在冶金行業中得到了廣泛的應用。保障風機穩定、安全作業，已成為冶金行業高效生產的重要基礎。本文對滾動軸承的結構和常見失效形式、振動超標、溫度過高以及聯軸器故障進行總結。設計了智能診斷方案并進行驗證，實驗表明，該故障診斷系統可對滾動軸承進行實時診斷，分析動態趨勢，第一時間發出報警提示，為滾動軸承的故障診斷提出有效解決方案。