趙海峰 楊國(guó)斌

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

滾動(dòng)軸承作為機(jī)械設(shè)備的重要旋轉(zhuǎn)零件，是機(jī)械設(shè)備的重要故障源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械約30%的機(jī)械故障由滾動(dòng)軸承引起，齒輪箱各類故障中的軸承故障率僅次于齒輪，占20%[1]，因此，滾動(dòng)軸承的故障診斷一直是研究的重點(diǎn)，而深溝球軸承是滾動(dòng)軸承中最為典型的一類軸承，在應(yīng)用中量大面廣[2]。

振動(dòng)信號(hào)因具有豐富的滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)信息、測(cè)試簡(jiǎn)便、相關(guān)理論較為成熟而得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析過程中，仍然會(huì)遇到許多問題[3,4]。例如，目前針對(duì)滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈故障的研究較多，并且診斷效果較好，而關(guān)于滾動(dòng)體故障的診斷研究很少；再者，如果僅以包絡(luò)分析的譜圖中顯示的滾動(dòng)軸承特征頻率作為判斷依據(jù)，會(huì)對(duì)故障部位出現(xiàn)誤診等。此外，目前Hilbert-Huang變換、小波分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法雖然在滾動(dòng)軸承的故障診斷研究中起到一定的積極作用，但這些方法對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員而言是不容易理解和掌握的。針對(duì)上述這些問題，為了更清晰地與傳統(tǒng)認(rèn)知進(jìn)行比較，筆者以美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University)軸承數(shù)據(jù)中心提供的公開軸承振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)簡(jiǎn)單有效的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)和Hilbert包絡(luò)譜分析方法，從分析結(jié)果中獲得了深溝球軸承滾動(dòng)體故障難以診斷的原因，并提出了簡(jiǎn)單可行的解決方法。

1 時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算

當(dāng)滾動(dòng)軸承發(fā)生局部故障時(shí)，軸承座處的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)(有效值、峭度、脈沖因子與裕度因子)變化較為明顯，這些參數(shù)在滾動(dòng)軸承故障診斷中起著重要作用。同時(shí)，根據(jù)這些參數(shù)的大小可以判斷滾動(dòng)軸承的故障性質(zhì)和損傷程度。

有效值XRMS、峭度K、脈沖因子I與裕度因子的C計(jì)算式分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中xi——采集得到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列，i= 1，2，…,n。

2 深溝球軸承特征頻率計(jì)算

當(dāng)滾動(dòng)軸承某元件出現(xiàn)局部損傷故障時(shí)，隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，損傷點(diǎn)與其他元件表面接觸處將產(chǎn)生沖擊脈沖力，激起軸承的高頻固有振動(dòng)，引發(fā)周期性的沖擊脈沖衰減信號(hào)，并且沖擊脈沖的周期間隔隨損傷點(diǎn)出現(xiàn)位置的變化而變化[5,6]。為了確定深溝球軸承的故障發(fā)生部位，需要計(jì)算出相應(yīng)的故障特征頻率。通常深溝球軸承特征頻率是其幾何尺寸的函數(shù)，一般由外圈故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率和滾動(dòng)體故障特征頻率確定。外圈故障特征頻率fo、內(nèi)圈故障特征頻率fi和滾動(dòng)體故障特征頻率fb的計(jì)算式分別為：

(5)

(6)

(7)

式中DB——滾珠直徑；

fr——內(nèi)圈與外圈之間相對(duì)轉(zhuǎn)速，單位rad/s；

n——滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；

p——節(jié)徑；

β——接觸角。

但是，需要注意的是，上述計(jì)算公式僅適用于滾動(dòng)體純滾動(dòng)情況下的深溝球軸承。一般情況下，深溝球軸承的外圈固定，內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)、外圈表面發(fā)生局部損傷時(shí)，滾動(dòng)體形成的沖擊脈沖激勵(lì)是周期性的，所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的信噪比也比較高，因此目前傳統(tǒng)方法和一些新的診斷方法均能有效診斷出這兩種故障。但是，當(dāng)滾動(dòng)體表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在深溝球軸承實(shí)際運(yùn)行過程中，滾動(dòng)體除了存在滾動(dòng)現(xiàn)象之外，還可能存在滑動(dòng)現(xiàn)象，并且滾動(dòng)體的損傷點(diǎn)不能與內(nèi)圈或外圈保持周期性接觸，這樣會(huì)導(dǎo)致反映滾動(dòng)體故障的振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)隨機(jī)性，這也是目前諸多分析方法無法有效診斷出深溝球軸承滾動(dòng)體故障的原因。

3 Hilbert包絡(luò)譜分析原理

為了獲取局部損傷故障時(shí)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的特征頻率信息，需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析。Hilbert包絡(luò)解調(diào)是常用的包絡(luò)分析技術(shù)之一。設(shè)一連續(xù)時(shí)間序列信號(hào)為x(t)，其Hilbert變換為：

(8)

則該信號(hào)的解析信號(hào)為：

(9)

解析信號(hào)的幅值A(chǔ)(t)和相位Φ(t)的表達(dá)式為：

z(t)=A(t)ejΦ(t)

(10)

4 故障診斷實(shí)例

筆者所用分析數(shù)據(jù)來自于美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心，試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成如圖1所示。試驗(yàn)以電機(jī)驅(qū)動(dòng)端SKF 6205-2RS深溝球軸承為研究對(duì)象，在軸承內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體上均采用電火花技術(shù)設(shè)置直徑為0.177 8、0.355 6、0.533 4mm 3種損傷程度的單點(diǎn)故障，其中外圈故障在負(fù)載區(qū)六點(diǎn)鐘方向設(shè)置。為了比較不同轉(zhuǎn)速和承載下的滾動(dòng)軸承故障特征，在每種元件和損傷程度下設(shè)置1 730、1 750、1 772、1 797r/min共4種轉(zhuǎn)速，所對(duì)應(yīng)的承載分別為3、2、1、0HP。試驗(yàn)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)端垂直方向的加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為12.00kHz。

圖1 滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)

SKF6205-2RS深溝球軸承的規(guī)格參數(shù)如下：

內(nèi)徑 25.00mm

外徑 52.00mm

厚度 15.00mm

滾珠直徑 7.94mm

節(jié)徑 39.04mm

滾動(dòng)體數(shù) 9

接觸角 0°

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知，正常軸承、內(nèi)圈故障和外圈故障的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)穩(wěn)定，與轉(zhuǎn)速和承載無關(guān)，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[1]中描述一致。但需注意的是，該結(jié)論僅在相同故障程度條件下成立，當(dāng)損傷程度發(fā)生改變時(shí)，無量綱參數(shù)仍然會(huì)發(fā)生變化，如圖2所示。

與前述3種狀態(tài)相比，滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體故障的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)無論故障程度相同與否，均出現(xiàn)了較大差異，存在明顯的不確定性。筆者以損傷直徑0.533 4mm為例，相同狀況下正常與損傷狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1，與之相應(yīng)的時(shí)域波形如圖3、4所示。

圖2 不同故障程度的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表1 滾動(dòng)體故障時(shí)不同承載力情況下的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖3 滾動(dòng)體正常時(shí)域波形

圖4 滾動(dòng)體故障時(shí)域波形

由圖4可知，滾動(dòng)體故障在4種承載能力下的時(shí)域波形圖存在明顯差異。圖4a、b中出現(xiàn)了隨機(jī)性的沖擊信號(hào)，但圖4c、d中幾乎不存在這種情況。由表1可知，如果以采集的全部加速度數(shù)據(jù)段為分析數(shù)據(jù)，承載為0、1HP的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)與正常軸承相比出現(xiàn)了較大差異，尤其是峭度、脈沖因子與裕度因子反映了振動(dòng)加速度信號(hào)中含有較大沖擊信息，表明了該滾動(dòng)軸承可能存在故障。但承載為2、3HP兩種情況下采集的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)幾乎與正常軸承一致，無法識(shí)別其故障。

圖5所示為承載0HP時(shí)滾動(dòng)體故障時(shí)域波形圖，由如5可知，在明顯沖擊區(qū)域之外的時(shí)域波形(1～38 440點(diǎn))與圖4c、d非常相似，其時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)也相近。當(dāng)滾動(dòng)體出現(xiàn)損傷故障時(shí)，可能導(dǎo)致滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道之間接觸面處出現(xiàn)滑動(dòng)狀態(tài)，這種滑動(dòng)將掩蓋調(diào)制故障特征，測(cè)試得到的振動(dòng)加速度信號(hào)中可能不存在反映滾動(dòng)體故障特征頻率的信息，而是近似于正常狀態(tài)的信號(hào)，導(dǎo)致了諸多方法難以有效診斷出滾動(dòng)體故障。因此，為了能夠診斷出滾動(dòng)體故障，應(yīng)選取能夠反映滾動(dòng)體特征頻率信息的脈沖測(cè)試信號(hào)時(shí)域波形進(jìn)行分析。

圖5 承載0HP時(shí)滾動(dòng)體故障時(shí)域波形

以承載為0HP時(shí)的滾動(dòng)體故障為例，依據(jù)前述滾動(dòng)軸承特征頻率計(jì)算公式，試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速為1 797r/min情況下4種故障的特征頻率為：

內(nèi)圈故障 162.18Hz

外圈故障 107.36Hz

滾動(dòng)體故障 141.17Hz

保持架 11.93Hz

圖6是承載0HP時(shí)滾動(dòng)體故障振動(dòng)加速度信號(hào)的Hilbert包絡(luò)譜，譜圖中未顯示滾動(dòng)體故障的特征頻率，而是較為清晰地顯示了162.00Hz的內(nèi)圈故障特征頻率，如果據(jù)此判斷該故障屬于內(nèi)圈故障，則會(huì)導(dǎo)致誤診。

圖6 承載0HP時(shí)滾動(dòng)體故障振動(dòng)加速度信號(hào)的Hilbert包絡(luò)譜

對(duì)圖5中反映滾動(dòng)體特征頻率信息的區(qū)域1與區(qū)域2的脈沖數(shù)據(jù)段分別進(jìn)行Hilbert包絡(luò)譜分析，得到的Hilbert包絡(luò)譜如圖7所示。

圖7 滾動(dòng)體特征頻率信息脈沖數(shù)據(jù)段的Hilbert包絡(luò)譜

圖7清晰顯示了與滾動(dòng)體故障計(jì)算特征頻率141.14Hz非常相近的在譜圖中占主導(dǎo)成分的141.00、140.00Hz兩個(gè)頻率，由此可以判斷該信號(hào)所描述的故障為滾動(dòng)體故障。

5 結(jié)束語

滾動(dòng)軸承典型的局部故障中，內(nèi)、外圈故障診斷方法已經(jīng)較為可靠，但滾動(dòng)體故障診斷依然存在困難。通過對(duì)滾動(dòng)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析和Hilbert包絡(luò)譜分析，確定了反映滾動(dòng)體故障信息的振動(dòng)加速度信號(hào)具有隨機(jī)性，因此在進(jìn)行滾動(dòng)軸承故障診斷時(shí)，必須采集較長(zhǎng)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。如果時(shí)域波形中存在隨機(jī)的脈沖數(shù)據(jù)段，則可以初步判斷為滾動(dòng)體故障，然后對(duì)該脈沖數(shù)據(jù)段利用Hilbert包絡(luò)譜分析進(jìn)行確診。通過對(duì)滾動(dòng)體故障振動(dòng)加速度信號(hào)的包絡(luò)解調(diào)分析可知，典型、單一局部故障的振動(dòng)加速度包絡(luò)譜中除含有相應(yīng)的主導(dǎo)特征頻率外，還可能存在幅值較小的其他幾種故障特征頻率，因此在該種情況下進(jìn)行故障診斷時(shí)，應(yīng)以主導(dǎo)特征頻率對(duì)應(yīng)的故障為判斷依據(jù)，而不應(yīng)確診為混合故障。

[1] 李興林，張仰平，曹茂來，等. 滾動(dòng)軸承故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J]. 工程與試驗(yàn), 2009, 49(4): 1～6.

[2] 楊曉蔚. 國(guó)內(nèi)外深溝球軸承設(shè)計(jì)方法的對(duì)比[J]. 軸承，2010，(2)：59～61.

[3] 蘇文勝, 王奉濤, 張志新, 等. EMD降噪和譜峭度法在滾動(dòng)軸承早期故障診斷中的應(yīng)用[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(3): 18～21.

[4] 郭寶良, 段志善, 鄭建校, 等. 振動(dòng)機(jī)械滾動(dòng)軸承單點(diǎn)點(diǎn)蝕故障診斷研究[J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào), 2012, 25(5): 601～618.

[5] 唐貴基，蔡偉. 應(yīng)用小波包和包絡(luò)分析的滾動(dòng)軸承故障診斷[J]. 振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2009，29(2)：201～204.

[6] 裴禮清, 張峰. 滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)圈接觸部分的相對(duì)滑動(dòng)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2000，(2): 53～55.