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        基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測應(yīng)用研究

        2015-11-24 03:31:40梅榮海郭四洲閆曉凡
        機械制造 2015年6期
        關(guān)鍵詞:方根值峭度外圈

        □ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

        南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

        基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測應(yīng)用研究

        □ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

        南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

        分析了基于單個軸承動態(tài)故障檢測平臺下的軸承檢測影響因素,提出故障判定方法,有效規(guī)避軸承檢測中的誤判與漏判,單個軸承故障診斷技術(shù)對軌道牽引電機檢修技術(shù)具有重要意義。

        牽引電機 軸承檢測 故障判定 應(yīng)用研究

        隨著我國機車朝高速重載方向的發(fā)展,機車牽引電機中的軸承出現(xiàn)多種早期異常磨損及剝離的失效形式,給機車安全運行及軸承檢測技術(shù)帶來了全新課題[1]。

        為嚴格監(jiān)控檢修過程中的軸承質(zhì)量狀況,規(guī)范檢測,提出了一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測技術(shù),分析轉(zhuǎn)速、載荷、檢測位置等因素對軸承檢測的影響,通過振動值量化來分析評估軸承磨損狀況。

        1 軸承故障狀態(tài)

        電機軸承是支撐轉(zhuǎn)子與定子連接的關(guān)鍵部件,是實現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的、轉(zhuǎn)動靈活的機械連接[1-2]。牽引電機軸承通常配置2個軸承,即驅(qū)動端軸承和非驅(qū)動端軸承,驅(qū)動端軸承主要用于承載,一般采用單列圓柱滾子軸承;非驅(qū)動端軸承主要用于定位及承受軸向力,一般采用深溝球軸承或帶檔邊的圓柱滾子軸承。

        典型的機車牽引電機驅(qū)動端軸承與非驅(qū)動端軸承,如圖1所示。牽引電機軸承的典型故障特征反映如下。

        ▲圖1 牽引電機軸承典型樣品

        (1)滾子表面“啞鈴型”異常磨損狀態(tài),滾子中部直徑小,兩端直徑大,如圖 2(a)所示。

        (2)滾子、內(nèi)圈及外圈的端部剝離及保持架兜孔崁有異物,如圖2(b)所示。

        (3)保持架斷裂、滾子或滾珠非規(guī)則摩擦變形,軸承燒損,如圖2(c)所示。

        ▲圖2 牽引電機軸承典型故障特征

        2 軸承檢測方法

        為嚴格監(jiān)控電機檢修過程中軸承質(zhì)量狀況,改善早期檢修的局限性,提出一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測技術(shù)[3]。

        2.1 早期軸承檢測的局限性

        早期牽引電機軸承檢測方法主要采用電機旋轉(zhuǎn)時的電機振動、軸承異音、軸承游隙及軸承部件外觀檢查共4項技術(shù)指標[4]。

        但是,上述4項技術(shù)指標在軸承檢測中具有一定的局限性:電機振動受電機組裝影響,無法判定振動來源為軸承本身問題還是裝配中問題;軸承異音受檢修技工技能水平影響,且為定性檢測,無法量化;軸承游隙為靜態(tài)檢測,受加載力及軸承磨損狀態(tài)影響,游隙檢測偏差較大;軸承內(nèi)、外圈滾道表面的磨損情況,需對軸承拆套后再進行外觀檢查,如圖3所示。

        2.2 軸承故障檢測技術(shù)

        筆者研究基于單個軸承旋轉(zhuǎn)動態(tài)振動的檢測方法,檢測原理是:基于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)、精密微沖擊傳感技術(shù)及計算機測控技術(shù),對單個滾動軸承在旋轉(zhuǎn)工作下進行動態(tài)故障檢測。通過設(shè)置軸承故障檢測上限值,可自動檢測出軸承內(nèi)圈滾道面、外圈滾道面、滾動體工作面等軸承組件的故障信息,如擦傷、裂紋、電蝕、剝離等[5],檢測原理如圖4所示。

        3 動態(tài)檢測的影響因素分析

        通過系列的試驗驗證,軸承動態(tài)振動檢測結(jié)果主

        要受軸承轉(zhuǎn)速、加載力、加載位置、潤滑介質(zhì)量等因素影響。分析各因素與振動檢測值的關(guān)系,主要通過振動均方根值、峭度系數(shù)2項技術(shù)指標來評估軸承質(zhì)量狀況。

        ▲圖3 軸承拆套的部件外觀檢查

        ▲圖4 單個軸承動態(tài)振動檢測原理圖

        振動均方根值Xrms代表振動過程中所有合成振動的平均振動能量,單位為g(1g=9.8 m/s2)。

        式中:X(t)為加速度振動幅值;T為時間周期。

        峭度系數(shù)Kv反映被測振動系統(tǒng)工作表面缺陷處的沖擊脈沖,故障越大,沖擊響應(yīng)幅值越大。

        式中:P(X)為X(t)的導(dǎo)函數(shù)。

        3.1 軸承轉(zhuǎn)速對振動的影響

        設(shè)定載荷、加載位置、軸承潤滑不變,驗證轉(zhuǎn)速變化對軸承振動的影響,如圖5所示。

        由圖5可知,在轉(zhuǎn)速200~800 r/min范圍內(nèi),振動均方根值隨轉(zhuǎn)速增加而增大,轉(zhuǎn)速大于800 r/min時,振動的均方根值處于平穩(wěn);而峭度系數(shù)受轉(zhuǎn)速影響小。

        3.2 加載力的影響

        設(shè)定轉(zhuǎn)速、潤滑及加載位置不變,驗證載荷變化對軸承振動的影響,如圖6所示。

        由圖6可知,軸承加載力0.2~0.5 kN時,振動均方根值隨加載力增加而增大,載荷大于0.5 kN時,振動均方根值趨于穩(wěn)定。當軸承出現(xiàn)故障、載荷高于1.5 kN時,將引起異常噪聲和振動。

        3.3 加載位置的影響

        軸承徑向加載力依次按照0°(外圈下方承載區(qū)中心處)、90°、180°、270°4個位置通過液壓缸加載在軸承外圈上,軸承內(nèi)圈及滾子旋轉(zhuǎn),如圖7所示。

        加載位置對振動的影響如圖8所示,在0°位置處軸承振動均方根值最大,這與軸承外圈承載區(qū)磨損程度最大相符合,因此選擇0°位置為加載位置,以便甄別軸承磨損情況及評估軸承故障。

        ▲圖5 轉(zhuǎn)速對軸承振動檢測的影響

        ▲圖6 載荷對軸承振動檢測的影響

        ▲圖7 加載位置示意圖

        ▲圖8 加載位置對軸承振動檢測的影響

        ▲圖9 潤滑脂填充對軸承振動的影響

        3.4 潤滑的影響

        軸承旋轉(zhuǎn)時,軸承內(nèi)部需要有潤滑介質(zhì),軸承潤滑方式及軸承潤滑介質(zhì)填充量均對軸承振動檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。軸承選擇油潤滑或

        脂潤滑需與軸承實際運行工況相結(jié)合。

        本文以6226軸承脂潤滑進行試驗驗證,分析潤滑脂填充量對軸承振動檢測的影響,如圖9所示。

        由圖9可知,軸承初始填充潤滑脂,運行磨合2 min后振動均方根值穩(wěn)定;再次對軸承注脂潤滑,重新運轉(zhuǎn)的軸承振動均方根值迅速降低,約5 min后振動均方根值和峭度系數(shù)重新恢復(fù)至注脂前水平。試驗初步表明,軸承潤滑脂初始填充對軸承振動有影響,但注脂后軸承穩(wěn)定運行時對振動檢測結(jié)果影響較小。

        3.5 檢測方法制定

        基于上述各因素對軸承振動檢測的影響分析,實際檢測中需嚴格執(zhí)行單個軸承動態(tài)檢測方法,規(guī)避各因素對軸承故障識別的影響,避免軸承故障漏判及誤判。

        試驗以6226型深溝球軸承為例,規(guī)定適用該軸承的動態(tài)振動檢測參數(shù),設(shè)置如下。

        主軸轉(zhuǎn)速:800 r/min;加載力:1.5 kN;加載位置:軸承外圈承載區(qū);軸承檢測注脂量:200 g/套。

        4 檢測故障判定

        對檢測影響因素的規(guī)定,是軸承故障判定的關(guān)鍵,也是進一步摸索適用于不同軸承故障檢測判定的標準。

        4.1 基于振動能量的故障判定

        振動能量判定方法主要是檢測和剖析軸承不同程度的磨損,掌握振動均方根值、峭度系數(shù)與軸承磨損的分布對應(yīng)關(guān)系,制定上限值或檢測標準,監(jiān)控軸承故障。

        筆者以 6226型深溝球軸承為例,經(jīng)過系列試驗,振動均方根值與軸承磨損狀況、峭度系數(shù)與軸承磨損狀況的分布關(guān)系如圖10、圖11所示。

        ▲圖10 均方根值與軸承磨損關(guān)系圖

        ▲圖11 峭度系數(shù)與軸承磨損關(guān)系圖

        抽樣已檢測20套軸承,與軸承拆套檢測結(jié)果如下。

        (1)振動均方根值≥6的10套軸承中,8套軸承滾道面發(fā)生剝離現(xiàn)象;而均方根值<6的10套軸承中,有9套軸承滾道及滾動體磨損狀況良好。

        (2)峭度系數(shù)≥5的6套軸承中出現(xiàn)不同程度磨損與剝離現(xiàn)象,而峭度系數(shù)<5的14套軸承滾道面僅有輕微磨損。

        為驗證振動檢測值上限值的準確性,以6032#電機的6226軸承為例,檢測出振動均方根值為12.018,峭度系數(shù)為12.52,拆套軸承發(fā)現(xiàn)外圈滾道面出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,如圖12所示。

        ▲圖12 6032#電機6226軸承外圈滾道剝離現(xiàn)象

        4.2 基于振動頻譜的故障判定

        故障頻率判定方法是利用軸承組件(外圈、滾子、內(nèi)圈及保持架)的自身頻率,識別各組件的故障情況。

        以6032#電機6226型深溝球軸承為例,在800± 5%r/min轉(zhuǎn)速下運行,試驗可明顯識別軸承故障頻率為45 Hz,倍頻特征非常顯著。基于該頻譜可判定6226型深溝球軸承的外圈出現(xiàn)故障,如圖13所示。

        ▲圖13 6032#電機6226軸承外圈故障頻率

        5 結(jié)束語

        本文對牽引電機檢修的常規(guī)軸承檢測方法進行了分析,系列試驗驗證了軸承轉(zhuǎn)速、加載力、加載位置及軸承潤滑對軸承振動檢測的影響,提出一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的檢測技術(shù)和檢測方法的操作規(guī)范,規(guī)避各因素對軸承故障識別的影響,避免軸承故障

        的漏判及誤判,在實際工程應(yīng)用中,對軸承故障的嚴控起到良好效果。

        單個軸承動態(tài)故障診斷對機車牽引電機裝配、檢修及在實際工況中的軸承運行進行監(jiān)控具有良好的研究價值,為軸承在線監(jiān)測技術(shù)提供了數(shù)據(jù)支撐,對高速、重載牽引技術(shù)具有重要意義。

        [1]楊振中,梅榮海,阮鴻芳.機車牽引電動機油潤滑軸承失效分析與對策[J].軸承,2014(1):45-47.

        [2]劉澤九.滾動軸承應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

        [3]張弛哲.共振解調(diào)技術(shù)在牽引電機軸承故障診斷中的應(yīng)用[D].北京:北京交通大學,2011.

        [4]池田伸一,尚擁軍.牽引電機不解體檢修方法的研究[J].電力機車技術(shù),1997(3):46-48.

        (編輯 平 平)

        TH186;U26

        A

        1000-4998(2015)06-0082-04

        2015年4月

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