李 崢，盧文秀，褚福磊

（清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）

滾動(dòng)軸承作為各種旋轉(zhuǎn)設(shè)備中重要的零件，由于運(yùn)行工況復(fù)雜，極易產(chǎn)生各種故障，會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不良后果，因此針對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷尤為重要[1-5]。針對(duì)清華大學(xué)研究生課程“轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)”“機(jī)械振動(dòng)”以及大類新生“機(jī)械的奧秘”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，本文研制了一種滾動(dòng)軸承教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬了滾動(dòng)軸承各種不同位置的故障，從而為研究生開展實(shí)驗(yàn)研究及科研提供了設(shè)備支撐。為了模擬各種工況，特意設(shè)計(jì)了一套加載裝置，能模擬真實(shí)狀況下軸承的運(yùn)行狀態(tài)[6-7]。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

圖1 滾動(dòng)軸承教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。考慮到測(cè)試過程中軸承裝卸的方便，將試驗(yàn)軸承固定在轉(zhuǎn)軸的一端，轉(zhuǎn)軸另一端通過皮帶輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，通過變頻器可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)軸承為 HRB6220 深溝球軸承。為了提高信噪比，在軸承座上加工有一個(gè)通槽，可將傳感器直接固定在軸承外圈上，也可以固定在軸承座上。軸承座通過拉桿與二級(jí)杠桿相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承徑向加載。二級(jí)杠桿末端采用懸掛不同組合的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊來(lái)實(shí)現(xiàn)加載。通過調(diào)節(jié)變頻器輸出及杠桿端負(fù)載的大小，可以實(shí)現(xiàn)軸承在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速、不同故障嚴(yán)重程度下的聲發(fā)射信號(hào)測(cè)試分析[8-10]。圖 2為教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖。

圖2 滾動(dòng)軸承教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)電機(jī)采用2.2 kW 三相異步電機(jī)，型號(hào)為Y112M-6，最高轉(zhuǎn)速940 r/min ，通過V 形帶傳動(dòng)帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主軸。測(cè)試的軸承 HRB6220 節(jié)圓直徑D=140 mm，滾珠直徑d=25.4 mm，滾珠個(gè)數(shù)z=10，接觸角α=0°。二級(jí)杠桿靜態(tài)加載裝置放大倍數(shù)為200，試驗(yàn)臺(tái)電控箱變頻器的最高頻率可達(dá)50 Hz，皮帶輪傳動(dòng)比為37/47。對(duì)應(yīng)電控箱頻率x，主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速

3 滾動(dòng)軸承的故障特征頻率

軸承的特征故障頻率計(jì)算公式如下：

將具體參數(shù)代入公式可得：fr=2.37 Hz 時(shí)，內(nèi)圈故障、外圈故障、滾珠故障的特征頻率分別為14.1917、9.86、129.8612 Hz。

4 滾動(dòng)軸承故障信號(hào)實(shí)驗(yàn)研究

HRB6220 深溝球軸承如圖 3 所示。利用 PAC 公司的R-15 傳感器采集故障信號(hào)，并進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)符合剛度最大和傳遞路徑最短的原則，最好選在軸承的承載區(qū)且靠近外圈。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用離被測(cè)軸承最近的傳感器（見圖4），該傳感器在被測(cè)軸承的徑向豎直方向，通過U 形磁鐵固定塊固定在軸承座上。

圖3 HRB6220 深溝球軸承實(shí)物圖

圖4 傳感器布置方案

利用電火花在內(nèi)、外圈及滾珠上加工各種模擬故障，如圖5 所示。

圖5 軸承故障實(shí)物圖

5 滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析與處理

5.1 正常軸承

正常軸承聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形圖和經(jīng)傅立葉變換后的幅頻譜如圖6 所示，可以看到很多頻率成分，但都不是故障特征頻率，這表明測(cè)得的信號(hào)噪聲干擾較強(qiáng)。

圖7 的自相關(guān)譜中，由于軸承沒有故障，因此頻率都較低，沒有出現(xiàn)明顯的特征頻率，因此符合信號(hào)分析結(jié)果。

5.2 外圈故障

外圈故障時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形圖和幅頻譜如圖8 所示，外圈故障的特征頻率為10.095 7 Hz，而幅頻譜中1 倍頻、2 倍頻、3 倍頻的頻率成分比較突出，1 倍頻與計(jì)算值比較接近，故可以初步判斷為故障特征頻率。對(duì)信號(hào)做頻域自相關(guān)得到自相關(guān)譜如圖 9所示。

從圖9 中可以看到非常明顯的外圈故障特征頻率9.631 Hz 及其2 倍頻19.26 Hz，可以判斷軸承存在外圈故障。

圖6 低速正常軸承的聲發(fā)射信號(hào)波形圖和幅頻譜

圖7 低速正常軸承聲發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)譜

圖8 低速外圈故障軸承的聲發(fā)射信號(hào)波形圖和幅頻譜

圖9 低速外圈故障軸承的自相關(guān)譜

5.3 內(nèi)圈故障

內(nèi)圈故障時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形圖和幅頻圖如圖10 所示。

從圖11 中可以看到非常明顯的主軸轉(zhuǎn)頻2.4 Hz，以及內(nèi)圈故障特征頻率14 Hz 及其2 倍頻28 Hz，在14 Hz 周圍存在間隔為2.4 Hz 的邊頻帶，可以判斷軸承存在內(nèi)圈故障。

5.4 滾珠故障

滾珠故障時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域波形圖和幅頻譜如圖12 所示，在波形圖中存在一些頻率成分，但都不是滾珠故障的特征頻率，而從幅頻圖中可以看到存在一些比較明顯的沖擊，說明滾珠故障是存在的。

對(duì)信號(hào)做頻域自相關(guān)得到圖13，可以看到存在很多的頻率成分，但無(wú)法找到特征頻率。

由以上數(shù)據(jù)的處理分析可得，軸承的外圈故障信號(hào)特征比較明顯，所以一般的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)外圈故障都具有一定效果，其次是內(nèi)圈故障，最后是滾珠故障。聲發(fā)射分析無(wú)論在低速還是在高速時(shí)都能準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障特征頻率，從而判斷出故障類型，對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷是非常有效的[11-19]。處理中的應(yīng)用[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008, (5):812-815.

圖10 低速內(nèi)圈故障軸承的聲發(fā)射波形圖和幅頻譜

圖11 低速內(nèi)圈故障軸承的自相關(guān)譜

圖12 低速滾珠故障軸承的聲發(fā)射信號(hào)波形圖和幅頻譜

圖13 低速滾珠故障軸承的自相關(guān)譜

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于實(shí)際旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承系統(tǒng)，研制了一種滾動(dòng)軸承教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過該教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了 HRB6220軸承在不同轉(zhuǎn)速、加載工況下的故障信號(hào)采集，滿足了故障信號(hào)的多樣性和豐富性，對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷起到了關(guān)鍵的作用，為今后的科研工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。