一種多軸承同軸安裝狀態(tài)下的故障振源識別方法

一種多軸承同軸安裝狀態(tài)下的故障振源識別方法

1軸承轉速低,沖擊因素復雜低速負荷壓歲件通常安裝在大型旋轉設備上。在旋轉平臺中，旋轉速度低，旋轉不穩(wěn)定，承受大負荷，負荷分布不均。由于結構和工作特點，振動信號具有以下特點。(1)軸承轉速低造成了振動信號的頻域特征模糊。旋轉軸的轉速低,使通常低速重載軸承計算出來的軸承故障特征頻率一般在零點幾Hz到幾Hz。由于故障頻率都比較接近,而且對于多個故障點時更難判斷,診斷方法不宜使用常用的頻率分析法。(2)承受載荷大。由于負載較大,而且軸承的轉速低,因此,每次故障沖擊的間隔較長,加之不同的故障形式又有進入承載區(qū)和不在承載區(qū)之分,故障機理復雜。因此使用沖擊法很難準確地檢測到故障信號,無法對故障進行全面地分析。(3)故障軸承不止一個時,測得的故障脈沖信號會在時間域上出現(xiàn)疊加現(xiàn)象,這給低速重載軸承的故障診斷增加難度。2振動信號的傳遞當滾動軸承的內環(huán)、外環(huán)或滾動體有損傷,軸旋轉時,這些零件在接觸過程中會發(fā)生機械沖擊,產生故障沖擊脈沖。故障沖擊脈沖會沿著傳遞路徑傳播,會出現(xiàn)能量衰減現(xiàn)象。沖擊脈沖的能量衰減主要是由介質的吸收和散射引起的,介質的吸收使沖擊脈沖的振幅減小,衰減變快;介質的散射使沖擊脈沖持續(xù)時間變長,衰減變慢。通常在某一測點測得振動加速度信號,由幾部分組成:(1)經過衰減后的振源的直接信號;(2)經由第1反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波疊加;(3)深處第2、第3多個反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波的疊加。但由于傳遞過程中沖擊脈沖衰減較多,而且反射波存在時間差,所以迭加在由振源直接衰減成的訊號分量較少。經過衰減后的振源的直接信號是所測振動信號的主要成分,介質內摩擦造成的能量耗散是影響所測振動信號振幅的主要因素。通常用介質的品質因子Q描述介質吸收特性的強弱,它是介質所固有的特性。振幅式中l(wèi)———傳遞路徑長度;f———頻率;Q———介質的品質因子,為波的傳播速度。從式(1)中可以看出當f、Q、v為固定參數(shù)時,振幅A只與傳遞路徑長度l有關,而沖擊脈沖的振幅是振動能量大小的標志,振幅越大,振動能量越大,因此只要考察多個振動加速度傳感器在同一時刻測得的振動信號能量對比,就可以識別故障脈沖的振源。根據(jù)振動信號傳遞路徑長度對振動能量影響的規(guī)律,在設計試驗時,分別在旋轉軸承上部、中部和底部安裝3個同類型的振動加速度傳感器。測得的振動信號如圖1所示。根據(jù)上述原理通過同一時刻各脈沖振動幅值對比,實現(xiàn)了振源識別,識別結果如圖2和圖3所示。3旋轉振動特性分析如果試驗過程中只測量單路振動脈沖信號,由于缺乏參照對比信號,振動脈沖的傳遞衰減規(guī)律就不再適用于振源識別,因此,就必須從軸承內部結構特征入手,分析該振動信號是否包含其相關信息,進而實現(xiàn)振源識別。從圖4時域振動曲線來看,由于回轉軸承旋轉不完全,通常工作角度為0～180°,而且轉速存在波動,其振動信號呈現(xiàn)時域非穩(wěn)態(tài)特性,從時域無法直接提取足夠信息進行振源識別,因此,必須另辟蹊徑。經分析發(fā)現(xiàn)在角度域上振動脈沖能夠反映出軸承的空間穩(wěn)定性,郵局就是說角度域上,軸承轉動一周過程中,其故障零部件與其他零部件的接觸(滾動體與外圈、滾動體與內圈的接觸)次數(shù)是固定不變的,與軸承的轉動速度無關。根據(jù)這個規(guī)律,可以從角度域提取特征信息,以達到實現(xiàn)振源識別的目的。為了反映軸承轉動過程中零部件相互之間的運動關系,定義以下特征量:接觸頻次是指當軸承一個套圈旋轉一周過程中,外圈、內圈、保持架或滾子上某一點與其他構件接觸的次數(shù)(單位:次/r)。零件接觸轉角是指在旋轉工作過程中軸承零件特定點與其他零件發(fā)生接觸的最小軸承套圈轉角(單位:(°)或rad)。軸承零件特征量的計算公式如表1所示。對于某回轉平臺同軸安裝的3個軸承(型號分別為9069344、3540、3530),其特征參量計算結果如表2所示:由于軸承不完全回轉的關系,接觸頻次特征量不能通過角域的傅立葉變換直接獲得,因此,在軸承回轉不完全的情況下,利用接觸轉角進行振源識別更為方便,接觸頻次更適合用于低速完全旋轉狀態(tài)下的振源識別。當測得一路振動脈沖信號時,只需要將時域信號轉換為角域信號,再分別讀取每個脈沖的角度坐標,設為θ1、θ2、…、θi、…、θn,接著將各脈沖坐標兩兩相減,會得到一系列角度差值,將其與表2中的軸承接觸轉角特征值做比較。如果與其中哪一個接近,則說明振動脈沖來源于該型號軸承,進而實現(xiàn)振源識別。需要說明的是,在與表2理論值進行比較時,結合各個軸承的承載情況分析脈沖間隔與振幅變化規(guī)律,會簡化振源識別過程。以圖4振動脈沖曲線為例,經坐標轉換后,角域曲線如圖5所示:圖中各脈沖的角度坐標為:14.4°、32.5°、44.27°、65.886°、79.89°、93.98°、108.85°、117.13°、126.18°、158.5°,兩兩相減后得到角度值序列X,根據(jù)表2標準值范圍,數(shù)據(jù)經剔除處理后,參照表2分析可得以下結論:(1)θAE=65.49°,θCG=64.58°,說明脈沖A、E、C、G的振源是上部3530軸承。(3)各脈沖振幅呈遞減變化趨勢,這是因為軸承承受載荷沿圓周分布不均的緣故,而脈沖H與曲線最末端的脈沖來自外界環(huán)境的干擾,原因是回轉平臺打開過程或到位時,與架體發(fā)生干涉。4減原理及分析方法針對多個低速重載軸承同軸安裝不完全旋轉時產生的振動信號混疊現(xiàn)象,利用振幅衰減原理和角域特征量2種方法實現(xiàn)了振動脈沖的振源識別,為進一步研究低速重載軸承性能檢測與故障診斷方法奠定了基礎。這2種方法各有其特點,利用振幅衰減原理進行振源分離操作簡便,但是受機械系統(tǒng)結構限制較大,而利用角域特征量進行振源識別則不受結構條件的影響,只是在分析過程中,計算和分析過程稍顯復雜。因此,在具體應用時,方法選擇需視具體情況而定。表中,,ni為內圈轉速(r/min),n0為外圈轉速(r/min),ng為滾動體圍繞其身中心軸線的轉速稱為自轉轉速(rmin),Di為內圈滾道接觸點的直徑(mm),De為外圈滾道接觸點的直徑(m