超低速不完全旋轉(zhuǎn)同軸安裝軸承振動(dòng)分析

超低速不完全旋轉(zhuǎn)同軸安裝軸承振動(dòng)分析

1旋轉(zhuǎn)設(shè)備的特點(diǎn)在分析工作性能和故障特性時(shí)，超低速、不完全旋轉(zhuǎn)的重型軸承的主要特征如下。(1)承受載荷大。在回轉(zhuǎn)設(shè)備工作過(guò)程中,設(shè)備自身重量加上操作人員重量,軸承承受動(dòng)載荷達(dá)10噸以上。(2)不完全旋轉(zhuǎn)。在工作過(guò)程中,由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能影響,工作時(shí),軸承在0～180°之間往復(fù)旋轉(zhuǎn)。(3)旋轉(zhuǎn)速度極低且不穩(wěn)定。由于設(shè)備體積大,所以工作過(guò)程旋轉(zhuǎn)速度極低,其正常工作周期通常為5min,而且工作過(guò)程中轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)。(4)工作軸承數(shù)量多。旋轉(zhuǎn)軸上共裝有2套雙列圓柱滾子軸承和1套推力圓柱滾子軸承,多軸承同軸的狀況會(huì)造成不同振源的振動(dòng)信號(hào)混疊耦合現(xiàn)象。(5)承受載荷隨旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。上部軸承和中部軸承主要是承受方向相反的徑向載荷,此載荷的方向與回轉(zhuǎn)設(shè)備的重心有關(guān)。因此當(dāng)回轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí),這兩個(gè)軸承所受載荷大小不變,但是方向隨旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。下部軸承承受載荷比較復(fù)雜,有設(shè)備的重力載荷以及一小部分徑向壓力載荷,還有來(lái)自旋轉(zhuǎn)絞盤上的鋼絲繩的拉力所以在進(jìn)行故障診斷時(shí)必須考慮軸承進(jìn)入承載區(qū)和非承載區(qū)的影響。(6)軸承內(nèi)部承載區(qū)固定不變?；剞D(zhuǎn)設(shè)備往復(fù)運(yùn)動(dòng),軸承與之同步旋轉(zhuǎn),在忽略滾子打滑等因素影響時(shí),軸承上的承載區(qū)是固定不變的。從上述特點(diǎn)分析,超低速、不完全旋轉(zhuǎn)重載軸承振動(dòng)信號(hào)具有時(shí)域非穩(wěn)態(tài)、多振源信號(hào)混疊、載荷變化與承載區(qū)相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn),其特征頻率不易提取,基于特征頻率的軸承故障診斷方法不適用于此類軸承的性能檢測(cè)與故障診斷,本文從超低速重載軸承的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā),首次提出了基于角域特征量的超低速重載軸承故障診斷方法。2故障診斷和診斷的原則2.1振動(dòng)加速度信號(hào)分析當(dāng)滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈或滾動(dòng)體有損傷,軸旋轉(zhuǎn)時(shí),這些零件在接觸過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械沖擊,產(chǎn)生故障沖擊脈沖。故障沖擊脈沖沿著傳遞路徑傳播,會(huì)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(zhì)的吸收和散射引起的,介質(zhì)的吸收使沖擊脈沖的振幅減小,衰減變快;介質(zhì)的散射使沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng),衰減變慢。通常在某一測(cè)點(diǎn)測(cè)得振動(dòng)加速度信號(hào)由幾部分組成:(1)經(jīng)過(guò)衰減后的振源的直接信號(hào);(2)經(jīng)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等多個(gè)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(guò)程中沖擊脈沖衰減較多,而且反射波存在時(shí)間差,所以疊加在由振源直接衰減成的信號(hào)分量較少。經(jīng)過(guò)衰減后的振源的直接信號(hào)是所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的主要成分。也就是說(shuō)介質(zhì)內(nèi)摩擦造成的能量耗散是影響所測(cè)振動(dòng)信號(hào)振幅的主要因素。通常用介質(zhì)的品質(zhì)因子Q描述介質(zhì)吸收特性的強(qiáng)弱,它是介質(zhì)所固有的特性。振幅為A的彈性波的吸收可表示為式中:L為傳遞路徑長(zhǎng)度;f為頻率;Q為介質(zhì)的品質(zhì)因子;v為波的傳播速度。從(1)式可以看出,當(dāng)f,Q,v為固定參數(shù)時(shí),振幅只與傳遞路徑長(zhǎng)度有關(guān),而沖擊脈沖的振幅是振動(dòng)能量大小的標(biāo)志,振幅越大,振動(dòng)能量越大,因此只要考察多個(gè)振動(dòng)加速度傳感器在同一時(shí)刻測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)能量對(duì)比,就可以識(shí)別故障脈沖的振源。2.2個(gè)軸承的受荷情況滾動(dòng)軸承中的載荷分布情況是影響軸承使用壽命和工作可靠性的關(guān)鍵因素,載荷分布情況直接影響到滾動(dòng)體與滾道的局部接觸情況。研究載荷分布的主要目的是弄清軸承系統(tǒng)中的變形與承載情況,以及在軸承運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律。從回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)來(lái)看,旋轉(zhuǎn)軸上3個(gè)軸承承受載荷情況各有不同。上部軸承3530主要承受徑向載荷,在工作過(guò)程中,外圈旋轉(zhuǎn),內(nèi)圈不動(dòng),外圈和載荷同步變化,承載載荷的部位始終不變,內(nèi)圈承載部位是不斷變化的,滾動(dòng)體承載情況也是變化的。中部軸承承受載荷方向與上部軸承正好相反,由于其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與上部軸承相同,因此承載情況與上部軸承相同。下部的推力軸承主要承受軸向載荷,但由于回轉(zhuǎn)絞盤上的鋼絲繩的拉力作用,還承受一部分徑向載荷。通常來(lái)說(shuō),脈沖的沖擊強(qiáng)度受故障點(diǎn)的嚴(yán)重程度和承載強(qiáng)度兩個(gè)因素的影響。對(duì)軸承各元件來(lái)說(shuō),承載是變化的,因此,某一故障部位產(chǎn)生脈沖的幅值變化與載荷變化是相對(duì)應(yīng)的。則脈沖函數(shù)fp可表示為式中:f0為脈沖的幅值函數(shù),反映了脈沖強(qiáng)度,其受故障程度η和載荷大小l的影響;δ(θ-ku)為類抽樣函數(shù),當(dāng)(θ-ku)等于零時(shí),其值為1,否則為0;u為故障零件的零件接觸角,反映了脈沖系列的角度間隔;θ為軸承旋轉(zhuǎn)角度變量。2.3旋轉(zhuǎn)接觸頻次的計(jì)算在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)速度是非穩(wěn)態(tài)的,也就是說(shuō)時(shí)域上,受主、客觀因素的影響,軸承的振動(dòng)信號(hào)沒(méi)有規(guī)律,但是在角度域上,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中,各零部件接觸(如滾動(dòng)體與外圈、滾動(dòng)體與內(nèi)圈的接觸)次數(shù)是固定不變的,與軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。根據(jù)這個(gè)規(guī)律,提出了接觸頻次的概念。接觸頻次是指當(dāng)軸承一個(gè)套圈旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中,外圈、內(nèi)圈、保持架或滾子上某一點(diǎn)與其他構(gòu)件接觸的次數(shù),單位為:次/轉(zhuǎn)。接觸頻次與滾動(dòng)接觸次數(shù)的概念有所區(qū)別,滾動(dòng)接觸次數(shù)僅僅是描述內(nèi)、外圈與滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,接觸頻次則更加廣泛地描述軸承內(nèi)部各個(gè)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)角度不到一周時(shí),出現(xiàn)的脈沖數(shù)不足以計(jì)算接觸頻次值,接觸頻次特征量就無(wú)法直觀反映出該軸承的故障特點(diǎn)。根據(jù)軸承元件均勻?qū)ΨQ分布的特點(diǎn),可知同一故障位置產(chǎn)生的脈沖在角度域上應(yīng)當(dāng)是均勻呈周期分布的。這樣還可以導(dǎo)出零件接觸轉(zhuǎn)角的概念。零件接觸轉(zhuǎn)角是指在旋轉(zhuǎn)工作過(guò)程中軸承零件特定點(diǎn)與其他零件發(fā)生接觸的最小軸承套圈轉(zhuǎn)角。假設(shè)軸承套圈在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,滾子與內(nèi)、外圈之間作純滾動(dòng),所用符號(hào)意義如下:ni為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速,r/min;ne為外圈轉(zhuǎn)速,r/min;nm為滾動(dòng)體圍繞軸承軸線的轉(zhuǎn)速,也稱為滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,因?yàn)楸３旨苁怯蓾L動(dòng)體帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的,所以也是保持架的轉(zhuǎn)速,r/min;ng為滾動(dòng)體圍繞自身中心軸線的轉(zhuǎn)速,稱為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,r/min;nmi為保持架相對(duì)于內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速,r/min;nem為外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速,r/min;ωi為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;ωe為外圈轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;ωm為滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)角速度,也是保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;Di為內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)的直徑,mm;De為外圈滾道接觸點(diǎn)的直徑,mm;Dm為軸承平均直徑,mm;Dw為滾動(dòng)體直徑,mm,α為接觸角,rad或(°);Z為滾子數(shù);b為滾子列數(shù)。如假定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),外圈靜止,軸的轉(zhuǎn)速為n時(shí),則,ni=n,ne=0,可得當(dāng)假定外圈旋轉(zhuǎn),內(nèi)圈靜止,軸的轉(zhuǎn)速為n時(shí),則ne=nni=0可得在一般轉(zhuǎn)速下,與上述公式的計(jì)算值符合,在高速軸承中,還應(yīng)考慮慣性力矩和摩擦力矩對(duì)軸承各元件運(yùn)動(dòng)的影響。根據(jù)接觸頻次的定義,可知當(dāng)外圈旋轉(zhuǎn)一周,內(nèi)圈不動(dòng)時(shí),內(nèi)圈、外圈、保持架以及滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等,所耗時(shí)間為保持架轉(zhuǎn)過(guò)的角度為外圈相對(duì)保持架轉(zhuǎn)過(guò)的角度為保持架相對(duì)內(nèi)圈轉(zhuǎn)過(guò)的角度為則外圈接觸頻次為內(nèi)圈接觸頻次滾動(dòng)體接觸頻次外圈接觸轉(zhuǎn)角為內(nèi)圈接觸轉(zhuǎn)角為滾動(dòng)體接觸轉(zhuǎn)角為在實(shí)際計(jì)算滾動(dòng)體接觸頻次時(shí),考慮到滾動(dòng)體與保持架之間相互作用力較小,即使故障部位與保持架發(fā)生接觸,所產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊信號(hào)幅值也較小,因此,滾動(dòng)體與保持架之間的接觸忽略不計(jì)。2.4承重式故障激勵(lì)根據(jù)表1的計(jì)算公式,利用軸承的尺寸參數(shù),可算得軸承各零件的接觸頻次與接觸轉(zhuǎn)角。當(dāng)?shù)退僦剌d軸承某一處零件出現(xiàn)故障時(shí),由于軸承的故障對(duì)激勵(lì)具有直接的影響,特別是在承受較重載荷時(shí),出現(xiàn)的脈沖激勵(lì)有以下規(guī)律:(1)軸承運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生周期性脈沖沖擊,脈沖的重復(fù)周期與某個(gè)特定元件的接觸頻次相對(duì)應(yīng),對(duì)同一故障來(lái)說(shuō),產(chǎn)生的脈沖是均勻分布的,角度周期等于該零件接觸轉(zhuǎn)角。(2)脈沖的沖擊強(qiáng)度與故障點(diǎn)的嚴(yán)重程度相對(duì)應(yīng)。這樣,根據(jù)接觸頻次與零件接觸轉(zhuǎn)角這兩個(gè)特征參量,就可以對(duì)低速重載軸承進(jìn)行故障診斷。3移動(dòng)振動(dòng)信號(hào)某大型設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸上共安裝有型號(hào)為3530,3540,9069344的3個(gè)軸承,工作時(shí),外圈旋轉(zhuǎn),內(nèi)圈不動(dòng),各軸承承受載荷變化情況如圖1,圖2,圖3所示,各型號(hào)軸承的角域特征參量如表2所示。振動(dòng)加速度傳感器測(cè)得3路振動(dòng)信號(hào)如圖4所示。利用振源識(shí)別方法,識(shí)別結(jié)果如圖5、圖6所示,從圖中可以看出:(1)圖5中有4個(gè)振動(dòng)脈沖信號(hào)A1,B1,C1,D1,其角度橫坐標(biāo)分別為:14.4°,44.27°,79.88°,108.85°,A1與C1之間角度間隔為65.4°,B1與D1之間角度間隔為64.6°,可以判定這是上部軸承滾動(dòng)體的故障。(2)圖6中有5個(gè)振動(dòng)脈沖信號(hào)A,B,C,D,E,其角度橫坐標(biāo)分別為:32.5°,65.88°,93.98°,126.18°,158.5°,4個(gè)脈沖的角度間隔分別為:33.38°,28.10°,32.19°,32.32°,而且振動(dòng)脈沖的幅值呈遞減趨勢(shì),與軸承載荷分布不均的情況相符。由此可以判斷,該軸承內(nèi)圈上存