何博

摘 要：將一種信號(hào)分析的機(jī)械故障診斷方法引入自動(dòng)扶梯設(shè)備的故障診斷中，通過分析自動(dòng)扶梯設(shè)備最常見的軸承異響、異常振動(dòng)故障的動(dòng)力學(xué)特性及頻譜特征，介紹了使用信號(hào)分析方法進(jìn)行故障診斷的過程，這一方法在實(shí)際自動(dòng)扶梯設(shè)備故障診斷中將提高早期故障識(shí)別率及識(shí)別精度，有效保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)扶梯;信號(hào)分析;軸承故障;故障診斷

0 引言

自動(dòng)扶梯設(shè)備是目前廣泛使用在軌道交通車站、商場(chǎng)、醫(yī)院等人群密集區(qū)域的大型機(jī)械設(shè)備，使用環(huán)境復(fù)雜，每日工作時(shí)間長，容易產(chǎn)生各類機(jī)械故障。同時(shí)，電梯設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的正常與否，直接關(guān)系到乘客人身安全[1-3]。因此，設(shè)備的故障診斷工作責(zé)任重大。傳統(tǒng)的自動(dòng)扶梯故障診斷主要依靠人工診斷，這種方法對(duì)從業(yè)人員能力有著較高要求，且自動(dòng)扶梯故障早期特征不明顯，難以被發(fā)現(xiàn)。使用現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)協(xié)助進(jìn)行故障診斷、監(jiān)測(cè)將極大提高故障診斷的效率，利于發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，起到防微杜漸的效果。

現(xiàn)代機(jī)械故障診斷技術(shù)主要使用信號(hào)分析的方法，通常包括降噪、特征提取以及模式識(shí)別這幾個(gè)步驟[4-5]。本文以軸承故障為例，介紹使用信號(hào)分析方法在自動(dòng)扶梯設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用。

1 自動(dòng)扶梯軸承類故障介紹

異響、異常振動(dòng)是自動(dòng)扶梯最常見的機(jī)械故障之一，常常表現(xiàn)為主機(jī)、聯(lián)軸節(jié)或減速箱的異響和振動(dòng)。其中主機(jī)、減速箱的異響、異常振動(dòng)中軸承故障為高頻故障。傳統(tǒng)人工方法處理這類故障時(shí)往往使用更換主機(jī)或減速箱的方式確定問題發(fā)生部件，然后聽發(fā)生異響的位置，從而判斷問題根源。這一方法不僅需要維修人員對(duì)設(shè)備構(gòu)造有著豐富的理解，同時(shí)還需具備一定經(jīng)驗(yàn)，否則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。使用信號(hào)分析方法進(jìn)行這類問題故障診斷時(shí)，首先要對(duì)設(shè)備中零件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以最常發(fā)生的軸承故障為例。

一般情況下滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與旋轉(zhuǎn)軸以過盈配合方式連接，外圈則被安裝固定在軸承座中，且一般情況下是處于固定狀態(tài)的。滾動(dòng)軸承主要由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體以及保持架四部分組成，如圖1.1所示。

不同的軸承故障，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性，將會(huì)表現(xiàn)出不同的特征頻率。通過采集主機(jī)和減速箱振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析，核對(duì)出現(xiàn)的明顯頻率，對(duì)照故障頻率的動(dòng)力學(xué)分析，可以得出故障原因。

由于長期受滑動(dòng)摩擦力、潤滑不足等因素的影響，滾動(dòng)軸承易于發(fā)生疲勞磨損、剝落甚至斷裂等故障。軸承最易發(fā)生故障的部位一般為滾動(dòng)體、內(nèi)圈與外圈。最常見的滾動(dòng)軸承故障形式有以下幾種：疲勞失效、磨損失效、斷裂失效、腐蝕失效、膠合失效、壓痕失效、保持架損壞。

2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征

滾動(dòng)軸承的制造誤差和裝配誤差，特別是過大的裝配間隙是產(chǎn)生振動(dòng)的最主要原因。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲、雜質(zhì)滲入等也是產(chǎn)生振動(dòng)的原因。

滾動(dòng)軸承的各個(gè)部分都有其固有振動(dòng)頻率。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，故障信號(hào)往往是周期沖擊信號(hào)，其周期即為軸承運(yùn)動(dòng)周期。并且隨著滾動(dòng)軸承的繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)故障產(chǎn)生的振動(dòng)頻率與軸承各部分固有振動(dòng)頻率一致時(shí)將會(huì)發(fā)生共振，軸承將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，因此分析其各部件的固有振動(dòng)頻率顯得尤為重要。

1）滾動(dòng)軸承內(nèi)圈、外圈固有振動(dòng)頻率

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備故障信號(hào)處理領(lǐng)域，故障頻率在頻譜中可以被表示成故障特征頻率基頻與其倍頻。分析故障動(dòng)力學(xué)特征，得到各類故障頻率的經(jīng)驗(yàn)公式是自動(dòng)扶梯故障診斷的重要步驟。

3 滾動(dòng)軸承故障的信號(hào)特征

滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)包含了故障發(fā)生的很多有效信息，例如故障發(fā)生位置、故障程度、故障類型等等。特別是在信號(hào)的頻譜圖中，滾動(dòng)軸承的不同故障所表現(xiàn)的特征也各有不同。下面著重介紹滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈、外圈以及滾動(dòng)體發(fā)生明顯故障時(shí)的頻譜特征。

1）外圈故障信號(hào)特性

滾動(dòng)軸承的外圈發(fā)生故障時(shí)，其故障類型可模型化為沖擊，并且隨著滾動(dòng)體的圓周運(yùn)動(dòng)，這種沖擊是呈周期性的，因此滾動(dòng)軸承的外圈故障一般可等效為周期脈沖信號(hào)。在采集滾動(dòng)軸承故障信號(hào)時(shí)，為準(zhǔn)確拾取脈沖響應(yīng)，可使用加速度傳感器。實(shí)際信號(hào)采集中通道越多越能減少有效信息的遺漏，增加故障診斷與識(shí)別的準(zhǔn)確性。

2）內(nèi)圈故障信號(hào)特性

一般情況下滾動(dòng)軸承的外圈是固定的，而內(nèi)圈是隨軸做高速轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，因此滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障往往比外圈故障復(fù)雜得多。內(nèi)圈故障也可視為滾動(dòng)體對(duì)內(nèi)圈表面故障點(diǎn)所做的沖擊運(yùn)動(dòng)，但由于內(nèi)圈的運(yùn)動(dòng)隨軸的轉(zhuǎn)速不斷變化，故障點(diǎn)所在位置在不斷改變，故障點(diǎn)出的載荷也在發(fā)生變化。因此滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈故障更加具有調(diào)制性。

3）滾子故障信號(hào)特性

滾動(dòng)體故障與內(nèi)圈故障類似，都具有很強(qiáng)的調(diào)制性，由于滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)是時(shí)刻處于保持架的約束下的，其故障特性往往與保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相關(guān)。

在實(shí)際過程中分析出各類故障的動(dòng)力學(xué)特性并得出故障頻率的經(jīng)驗(yàn)公式，再使用振動(dòng)傳感器采集故障信號(hào)，并根據(jù)故障的信號(hào)特征進(jìn)行分析后，可以將故障信號(hào)頻譜圖中的明顯頻率與經(jīng)驗(yàn)公式作為對(duì)比，從而判斷出自動(dòng)扶梯故障原因及故障發(fā)生位置。

4 總結(jié)

本文以自動(dòng)扶梯軸承故障為例，分析了軸承故障的動(dòng)力學(xué)特性和故障信號(hào)特征，介紹了完整的使用信號(hào)分析方法進(jìn)行自動(dòng)扶梯故障診斷的流程。這種方法可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際工作中不易被發(fā)現(xiàn)的故障早期特征，提高設(shè)備安全性和故障診斷可靠程度。因此，將該技術(shù)引入自動(dòng)扶梯設(shè)備中將會(huì)是今后自動(dòng)扶梯設(shè)備診斷的趨勢(shì)。

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