魏巍宏, 劉同岡, 馬蕭蕭

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

工程現(xiàn)場(chǎng)常用的機(jī)械故障診斷方法包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、油液分析技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)和無損檢測(cè)技術(shù)等。其中振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有直接、實(shí)時(shí)和故障類型覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

故障診斷技術(shù)對(duì)專業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)水平要求較高。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO18436-2-2003《機(jī)器的情況監(jiān)測(cè)與診斷.人員的培訓(xùn)與確認(rèn)要求.第2部分:振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)和診斷》標(biāo)準(zhǔn)已在英、美、日等多國(guó)實(shí)施,并在培養(yǎng)機(jī)械故障診斷人員業(yè)務(wù)能力方面取得了不錯(cuò)的效果。我國(guó)高校、科研機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)單位相結(jié)合,對(duì)在校學(xué)生和企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行機(jī)械故障診斷教學(xué)和培訓(xùn)。其中結(jié)合故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)既可以幫助學(xué)生理解故障診斷的相關(guān)理論知識(shí),也有助于學(xué)生掌握常見故障診斷技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[4-6]。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)械振動(dòng)故障模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究不斷取得成果,已能準(zhǔn)確模擬機(jī)械設(shè)備的典型故障[7-9]。但這些實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要是對(duì)某類零件的典型故障工況進(jìn)行模擬,對(duì)模擬復(fù)雜故障工況的研究還不夠深入。而在故障診斷課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，往往涉及多類典型零件故障的模擬實(shí)驗(yàn)。因此,設(shè)計(jì)一種能夠模擬復(fù)雜故障工況的機(jī)械振動(dòng)故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)十分必要。

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),可以完成典型機(jī)械零部件故障工況(例如齒輪的齒面磨損,輪齒折斷,轉(zhuǎn)子不對(duì)中、不平衡,滾動(dòng)軸承的外圈磨損、內(nèi)圈磨損和滾動(dòng)體磨損)的模擬實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了一套振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過故障模擬測(cè)試說明該實(shí)驗(yàn)臺(tái)性能良好。

1 機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制

機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由齒輪故障模擬模塊、轉(zhuǎn)子與軸承故障模擬模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成,可以完成變速、變載荷條件下的齒輪、轉(zhuǎn)子和滾動(dòng)軸承故障工況模擬實(shí)驗(yàn),可以完成機(jī)械設(shè)備典型故障工況特點(diǎn)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

圖1 機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1 齒輪故障模擬模塊

齒輪故障模擬模塊主要由齒輪箱(一級(jí)直齒圓柱齒輪)和磁粉制動(dòng)器(江蘇航宇,CZ-0.5型)組成。齒輪箱內(nèi)的小齒輪為主動(dòng)輪,大齒輪(故障模擬齒輪)為從動(dòng)輪；磁粉制動(dòng)器利用電磁感應(yīng)原理為齒輪箱提供0～5 N·m的穩(wěn)定扭矩負(fù)載。

此模塊可以完成輪齒折斷和齒面磨損的故障工況模擬實(shí)驗(yàn)。齒面磨損故障工況模擬是通過在故障模擬齒輪的輪齒頂部加工0.5 mm深的倒角完成的；輪齒折斷故障工況模擬是通過除去故障模擬齒輪的某個(gè)輪齒完成的。齒輪故障模擬模塊可以對(duì)各類故障齒輪故障工況進(jìn)行模擬。

1.2 轉(zhuǎn)子與軸承故障模擬模塊

轉(zhuǎn)子與軸承故障模擬模塊由加載裝置、軸承座、轉(zhuǎn)子平臺(tái)和平衡盤等零部件組成。其中轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障是通過調(diào)整轉(zhuǎn)子主軸與驅(qū)動(dòng)輸入軸的夾角,完成不對(duì)中的故障工況模擬；轉(zhuǎn)子不平衡故障是通過在平衡盤上加裝質(zhì)量塊,完成轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置偏心的不平衡故障工況模擬；滾動(dòng)軸承故障是通過在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中使用有缺陷的滾動(dòng)軸承,結(jié)合加載裝置完成故障工況模擬。

轉(zhuǎn)子與軸承故障模擬模塊既可以對(duì)轉(zhuǎn)子和軸承的單種典型故障工況進(jìn)行模擬,還能完成多種故障共同作用的復(fù)雜工況模擬。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由變頻電機(jī)(上海富田,VFG80-1500-0.75-B3)、控制柜和同步帶裝置組成。變頻電機(jī)借助變頻器(深圳AMB,AMB100系列)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié),并通過控制柜上設(shè)置的按鈕為實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供75～1 450 r/min的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入。同步帶裝置不但為故障模擬模塊傳遞電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而且降低了電機(jī)振動(dòng)對(duì)故障模擬模塊的影響。

驅(qū)動(dòng)模塊提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入穩(wěn)定、速度范圍廣,滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)需求。

2 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為監(jiān)測(cè)和分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)的故障振動(dòng)信號(hào),根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)特點(diǎn)和信號(hào)分析需求,構(gòu)建了一套由加速度傳感器(江蘇聯(lián)能,CA-YD-186型)、四通道信號(hào)采集儀(武漢優(yōu)泰,uT3604FRS-ICP型)和信號(hào)分析軟件組成的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)子和軸承的故障振動(dòng)信號(hào)頻率成分豐富、頻帶較寬,故障信息一般反映在中頻段和高頻段[10-11]。因此，選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加速度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)故障模擬模塊的3個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此需選用四通道信號(hào)采集儀。與信號(hào)采集儀配套的信號(hào)分析軟件可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和特征提取,其中故障特征提取方法包括相關(guān)函數(shù)、線性譜、功率譜、倒頻譜和共振解調(diào)譜等。由上述加速度傳感器、四通道信號(hào)采集儀和信號(hào)分析軟件組成的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行采集和故障特征提取,滿足實(shí)驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)采集分析需求。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)效果,進(jìn)行了故障模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析研究,依次驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬齒輪、轉(zhuǎn)子和滾動(dòng)軸承典型故障工況的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

為了讓傳感器盡可能地靠近故障部位,監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械時(shí)測(cè)點(diǎn)一般選擇布置在軸承座或安裝軸承的設(shè)備殼體。常用加速度傳感器安裝方法包括螺釘固定法、膠粘法和磁座吸附法等。其中磁座吸附法的測(cè)點(diǎn)位置可調(diào),有利于研究測(cè)點(diǎn)的選取對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,因此選擇磁座吸附法安裝加速度傳感器[12-13]。傳感器安裝位置如圖2所示,對(duì)軸承座和齒輪箱箱體的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)條件：電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1 480 r/min；齒輪箱傳動(dòng)比1.36(75∶55),齒輪模數(shù)2,齒輪箱的扭矩負(fù)載5 N·m；轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障模擬實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)子主軸與驅(qū)動(dòng)輸入軸夾角2°；轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量塊重1 g,距離軸線80 mm；滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)的故障軸承型號(hào)N205。

為了識(shí)別實(shí)驗(yàn)臺(tái)的故障振動(dòng)信號(hào),使用共振解調(diào)法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行故障特征提取。通過共振解調(diào)法消除實(shí)驗(yàn)結(jié)果中常規(guī)振動(dòng)信號(hào)干擾，并提取出只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào),對(duì)該包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,提取故障振動(dòng)信號(hào)的特征頻率[14]。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬故障工況的穩(wěn)定性,重復(fù)進(jìn)行16次工況參數(shù)相同的轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實(shí)驗(yàn),并對(duì)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行合成分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 齒輪故障模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)齒輪箱工況參數(shù)算出測(cè)試實(shí)驗(yàn)的齒輪嚙合頻率1 328.8 Hz,故障齒輪旋轉(zhuǎn)頻率18 Hz。

齒面磨損故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性譜如圖3所示。嚙合頻率及其高次諧波分量譜線的幅值增大,出現(xiàn)由分?jǐn)?shù)諧波構(gòu)成的邊頻帶,其特征符合分布式齒面磨損故障振動(dòng)機(jī)理。

圖3 齒面磨損故障振動(dòng)信號(hào)圖譜

輪齒折斷故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。譜圖中出現(xiàn)由故障齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波組成的等間距譜線,該特征與局部式齒根斷裂故障振動(dòng)機(jī)理一致。

圖4 輪齒折斷故障振動(dòng)信號(hào)圖譜

4.2 轉(zhuǎn)子故障模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

轉(zhuǎn)子角度不對(duì)中故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。特征譜線為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率及其二倍頻。其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與二倍頻幅值比小于2,該幅值特征與轉(zhuǎn)子角度不對(duì)中故障振動(dòng)機(jī)理相符。

圖5 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障振動(dòng)信號(hào)圖譜

轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。特征譜線為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率,譜圖中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波構(gòu)成“樅樹形”頻帶,上述信號(hào)特征與轉(zhuǎn)子不平衡故障振動(dòng)機(jī)理一致。

圖6 轉(zhuǎn)子不平衡故障信號(hào)圖譜

4.3 滾動(dòng)軸承故障模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)計(jì)算出軸承故障特征頻率理論值如表1所示。

表1 滾動(dòng)軸承故障特征頻率 Hz

其中外圈故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(a)所示,特征譜線為133.59 Hz及其二倍頻,與滾動(dòng)軸承外圈磨損故障振動(dòng)機(jī)理一致；內(nèi)圈故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示,特征譜線為191.41 Hz和以工頻為間距的邊頻帶,符合滾動(dòng)軸承內(nèi)圈磨損故障振動(dòng)機(jī)理；軸承滾動(dòng)體故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7(c)所示,特征譜線為60.93 Hz,與軸承滾動(dòng)體磨損故障的特征頻率理論值接近。

圖7 軸承故障振動(dòng)信號(hào)圖譜

4.4 穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按時(shí)間歷程順序?qū)?6張轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻譜圖進(jìn)行合成,得到如圖8所示的三維瀑布譜陣。譜陣中,不同時(shí)刻的故障振動(dòng)信號(hào)譜線整體趨勢(shì)一致,特征頻率基本不變,任意頻率成分在不同時(shí)刻所測(cè)得的故障振動(dòng)信號(hào)特征相同。

圖8 轉(zhuǎn)子不平衡故障重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果譜陣

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)能準(zhǔn)確模擬齒輪、轉(zhuǎn)子和滾動(dòng)軸承的典型故障工況,振動(dòng)信號(hào)特征與故障振動(dòng)機(jī)理一致,模擬的故障工況穩(wěn)定可靠,可以提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的故障工況和故障振動(dòng)信號(hào),滿足故障診斷實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)需要。

5 結(jié)語

機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解故障診斷相關(guān)知識(shí)和鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力,滿足復(fù)雜故障工況的模擬和測(cè)試分析需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬的故障信號(hào)特征與故障振動(dòng)機(jī)理一致,模擬故障工況準(zhǔn)確穩(wěn)定,適用于機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為故障診斷課程提供了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),也為其他類型故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制與應(yīng)用提供了借鑒。

機(jī)械振動(dòng)故障綜合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行研究,后續(xù)工作可在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加油液分析、溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的多參數(shù)融合數(shù)據(jù)分析與診斷研究工作,以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。