喬?hào)|興，趙一楠，王文斌，陳玉賢，韓孝順

(1.甘肅路橋新銳交通科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730100；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

公路防撞波形鋼護(hù)欄板是一種安裝在高速公路兩側(cè)或中央分隔帶的安防設(shè)施，采用環(huán)氧鋅基聚酯復(fù)合涂層的三波護(hù)欄板具有很好的應(yīng)用前景和廣闊市場(chǎng)。在加工護(hù)欄鋼板的過(guò)程中需要使用拋丸機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行表面處理，保證后續(xù)的環(huán)氧鋅基聚酯復(fù)合噴涂工序順利進(jìn)行。為了得到滿(mǎn)意的表面質(zhì)量，為三波護(hù)欄板自動(dòng)生產(chǎn)線配置了兩臺(tái)拋丸機(jī)。拋丸機(jī)中鋼彈丸憑借離心力的作用撞擊鋼板表面，達(dá)到去除鋼板表面氧化鐵皮的效果[1]。平式拋丸機(jī)一般裝有幾個(gè)拋丸機(jī)，從不同位置拋射鋼丸，以提高清理效率、獲得滿(mǎn)意表面質(zhì)量，而立式拋丸機(jī)相較于平式拋丸機(jī)來(lái)說(shuō)靈活性跨度更大，在向前運(yùn)行的同時(shí)自行翻轉(zhuǎn)。

在實(shí)際工作中，拋丸機(jī)主軸支撐軸承頻繁發(fā)生損壞，嚴(yán)重影響了整條生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)，增加了生產(chǎn)線的運(yùn)行和維護(hù)成本，制約了企業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拋丸機(jī)滾動(dòng)軸承的失效進(jìn)行了大量研究，黃強(qiáng)[2]分析了拋丸機(jī)滾動(dòng)軸承頻繁出現(xiàn)故障的問(wèn)題，提出了改進(jìn)和優(yōu)化的方法。XUE C等[3]分析了拋丸機(jī)拋頭軸承產(chǎn)生故障的原因，提出了改進(jìn)的措施。文廉輝[4]介紹了加強(qiáng)拋丸機(jī)的日常維護(hù)管理、提高設(shè)備可靠性的方法。黃軼春等[5]給出了拋丸機(jī)規(guī)范性管理的方法。LI Y等[6]提出了一種基于頻譜特征和MOMEDA的軸承故障診斷算法，能夠在較強(qiáng)的噪聲干擾下提取故障軸承的特征頻率。何勇等[7]提出了以峭度和包絡(luò)熵為綜合目標(biāo)函數(shù)的變分模態(tài)分解參數(shù)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了軸承故障類(lèi)型的準(zhǔn)確判定。

本文分析了主軸支撐軸承的失效原因，通過(guò)所設(shè)計(jì)的軸承實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了軸承故障診斷研究，用拋丸機(jī)生產(chǎn)中所采集到的軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以盡早判斷出軸承故障，能夠減少非必要停機(jī)，提高了生產(chǎn)平穩(wěn)性和效率，給企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 拋丸機(jī)結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

由于平式拋丸機(jī)和立式拋丸機(jī)在拋丸原理上相似，故以平式拋丸機(jī)為例來(lái)說(shuō)明拋丸機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理。平式拋丸機(jī)主要由設(shè)備本體和電控系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。設(shè)備本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括加丸料裝置9、丸料循環(huán)系統(tǒng)(包括斗式提升機(jī)1、上運(yùn)輸器2、下運(yùn)輸器5、丸料分離器8、丸料儲(chǔ)存?zhèn)}7等)、拋丸機(jī)4、廢料運(yùn)輸器3、廢料器6和清掃尾吹裝置10等結(jié)構(gòu)。

圖1 拋丸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)拋丸機(jī)的工作流程圖如圖2所示。由丸粒儲(chǔ)料倉(cāng)供給拋丸機(jī)的鋼丸粒，憑借拋丸機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力被分丸輪拋出，通過(guò)定向套被均勻擊打到鋼板的表面，進(jìn)而沖擊鋼板表面的氧化鐵皮。拋出的丸粒和氧化皮等去除物流入到拋丸室底部，經(jīng)下運(yùn)輸器5運(yùn)輸?shù)蕉肥教嵘龣C(jī)1，通過(guò)斗式提升機(jī)運(yùn)輸至上運(yùn)輸器2，并在丸粒分離器8中進(jìn)行分離，分離后干凈的丸粒進(jìn)入丸粒儲(chǔ)料倉(cāng)7中再循環(huán)利用，碎丸粒和清理下來(lái)的去除物流到廢料器6中。

圖2 拋丸機(jī)的工作流程圖

2 拋丸機(jī)主軸支撐軸承失效分析

拋丸機(jī)主軸支撐結(jié)構(gòu)如圖3所示。動(dòng)力通過(guò)皮帶輪驅(qū)動(dòng)拋丸機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，葉輪固定在主軸的右端，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)拋出高速?gòu)椡瑁梢郧謇砘驈?qiáng)化鋼板表面。在拋丸機(jī)工作過(guò)程中，主軸支撐軸承主要承受葉輪和皮帶輪慣性力以及皮帶輪受力產(chǎn)生的彎矩，同時(shí)葉輪拋丸時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)傳遞到主軸支撐軸承上。

圖3 拋丸機(jī)主軸支撐結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主軸軸承頻繁出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。以某一次檢修為例，拋丸軸有異常聲響，振動(dòng)較大，檢修人員拆下拋丸機(jī)主軸后，發(fā)現(xiàn)軸上鍵槽已經(jīng)被擠壓變形，同時(shí)圓柱滾子軸承損壞嚴(yán)重，損壞的軸承和主軸如圖4所示。從圖中可以看出，保持架已經(jīng)斷裂成數(shù)段，內(nèi)圈滾道有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，甚至有較大面積的剝落。

圖4 損壞的主軸和支撐軸承

對(duì)于主軸和軸承損壞的原因，經(jīng)過(guò)研究和分析發(fā)現(xiàn)：由于拋丸機(jī)主軸靠一對(duì)圓柱滾子軸承支撐，右端固定在拋丸機(jī)護(hù)板上，整體結(jié)構(gòu)近似懸臂，這種固定方式導(dǎo)致右端的支撐軸承受力情況較差；同時(shí)在拋丸過(guò)程中葉輪產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)主軸右端支撐軸承影響較大,影響了其使用壽命。這是拋丸機(jī)主軸支撐軸承出現(xiàn)故障最主要的兩個(gè)原因。主軸支撐軸承的意外失效會(huì)導(dǎo)致拋丸機(jī)非計(jì)劃性停機(jī)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的運(yùn)行平穩(wěn)性和生產(chǎn)效率，成為整條生產(chǎn)線中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。因此為了保證生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行，需要對(duì)拋丸機(jī)主軸支撐軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，對(duì)拋丸機(jī)實(shí)施基于設(shè)備狀態(tài)的維修。

3 拋丸機(jī)主軸支撐軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

針對(duì)拋丸機(jī)中主軸支撐軸承頻繁失效的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了拋丸機(jī)主軸支撐軸承在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。在拋丸器外殼上固定加速度傳感器，實(shí)時(shí)采集主軸支撐軸承的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并保存到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中；以振動(dòng)信號(hào)的峭度作為軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如果其峭度值超過(guò)設(shè)定閾值，則系統(tǒng)通過(guò)Andon系統(tǒng)進(jìn)行黃色報(bào)警，提醒工作人員軸承已經(jīng)損壞，需要關(guān)注軸承的健康狀態(tài)，并選用方均根指標(biāo)來(lái)反映軸承故障嚴(yán)重程度。如果其方均根值超過(guò)設(shè)定閾值，則通過(guò)Andon系統(tǒng)進(jìn)行紅色報(bào)警，需要對(duì)其盡快更換與維修。通過(guò)主軸支撐軸承的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠盡早發(fā)現(xiàn)拋丸器主軸支撐軸承的故障，工作和檢修人員可以利用從軸承出現(xiàn)故障到完全損壞這段時(shí)間，對(duì)拋丸機(jī)進(jìn)行有計(jì)劃的維修，以此來(lái)減少非必要停機(jī)次數(shù)，提高生產(chǎn)平穩(wěn)性和效率。

圖5 主軸支撐軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 測(cè)點(diǎn)位置的選取

為了準(zhǔn)確反映拋丸機(jī)主軸支撐軸承的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，加速度傳感器布置位置非常重要。由于軸承外圈通過(guò)法蘭與拋丸機(jī)外殼固定，外殼的剛性較好，對(duì)振動(dòng)的吸收較小，便于固定加速度傳感器，因此將加速度傳感器固定在拋丸機(jī)外殼靠近右端支撐軸承的位置，具體如圖6所示。

圖6 測(cè)振點(diǎn)布置圖

3.2 主軸支撐軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和在線預(yù)警

對(duì)采集到的軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，狀態(tài)保持穩(wěn)定的這段時(shí)間被稱(chēng)為正常階段，但隨著時(shí)間的推移，軸承會(huì)被不斷磨損，其狀態(tài)也會(huì)發(fā)生較大變化，此時(shí)稱(chēng)為異常階段[8]。對(duì)進(jìn)入異常階段的軸承如果不及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，軸承損傷便會(huì)加劇，最終出現(xiàn)明顯故障。

峭度(kurtosis)是四階中心矩和標(biāo)準(zhǔn)差四次方的比值，對(duì)沖擊特征十分敏感，因此選擇能夠區(qū)分軸承正常階段和異常階段的峭度作為滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)異常時(shí)，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)當(dāng)中往往會(huì)摻雜著沖擊脈沖，峭度的幅值也會(huì)增大。伴隨運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，滾動(dòng)軸承會(huì)被不斷磨損，其峭度值會(huì)逐漸回到正常水平。如果其峭度值超過(guò)設(shè)定閾值，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員需要維修或更換。

峭度計(jì)算如式(1)所示。

(1)

其中：xstd為所采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；xi為所采集的第i個(gè)數(shù)據(jù)；xm為所采集到數(shù)據(jù)的均值。

xm計(jì)算如式(2)所示。

(2)

當(dāng)滾動(dòng)軸承正常運(yùn)行的時(shí)候，其峭度值大約為3～3.5，本系統(tǒng)中峭度的閾值設(shè)為4。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)的峭度值連續(xù)超出閾值5次，則認(rèn)為軸承已出現(xiàn)故障。如果峭度值偶爾超出閾值1次，可能只是拋丸機(jī)設(shè)備偶爾出現(xiàn)了異常，主軸支撐軸承可能還沒(méi)有出現(xiàn)故障，這種狀況介于完好狀態(tài)和故障狀態(tài)之間，故可稱(chēng)為前故障狀態(tài)。如果此時(shí)就停機(jī)對(duì)主軸支撐軸承進(jìn)行維修更換，則可能會(huì)因維修周期過(guò)短而導(dǎo)致“過(guò)剩維修”，從而增加維修、檢測(cè)費(fèi)用。另外在頻繁裝拆主軸支撐軸承的過(guò)程中也會(huì)增加設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響了整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)平穩(wěn)性和生產(chǎn)效率。所以當(dāng)軸承的峭度值超出峭度閾值需要進(jìn)行黃色預(yù)警，提醒工作人員關(guān)注軸承的健康狀態(tài)。

如圖7所示，在648 h處，軸承的峭度值首次超過(guò)4，之后峭度值下降，在700 h處，軸承的峭度值連續(xù)超出閾值，表明軸承已經(jīng)出現(xiàn)了故障。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)報(bào)警裝置，發(fā)出黃色預(yù)警信號(hào)，提醒工作人員關(guān)注軸承的健康狀態(tài)。

圖7 主軸支撐軸承的峭度變化趨勢(shì)圖

方均根(RMS)也稱(chēng)為有效值，反映了滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)能量的大小。方均根作為軸承故障嚴(yán)重程度判定的指標(biāo)，適用于故障隨著時(shí)間緩慢變化的損傷(如磨損累積損傷)，其發(fā)展變化趨勢(shì)符合軸承故障發(fā)展的變化趨勢(shì)。隨著軸承故障的發(fā)展和運(yùn)行狀態(tài)的退化，其幅值不斷增大，根據(jù)方均根的變化趨勢(shì)可以判斷軸承的運(yùn)行狀態(tài)和故障的嚴(yán)重程度。當(dāng)軸承的方均根值超出方均根閾值時(shí)，則反映出滾動(dòng)軸承已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重故障，需要進(jìn)行紅色預(yù)警，提醒工作人員對(duì)主軸支撐軸承進(jìn)行維修或者更換。

方均根的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

如圖8所示，在648 h和700 h處，軸承的方均根值并沒(méi)有超出閾值，但在936 h處，軸承的方均根值首次超出閾值，表明軸承已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重故障。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)報(bào)警裝置，發(fā)出紅色預(yù)警信號(hào)，提醒工作人員需要停機(jī)，對(duì)主軸支撐軸承進(jìn)行維修或者更換。另外，在黃色預(yù)警和紅色預(yù)警中的時(shí)間，工作人員需要合理安排維修時(shí)間，以免非計(jì)劃停機(jī)。

圖8 主軸支撐軸承的方均根變化趨勢(shì)圖

通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在拋丸機(jī)上安裝實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障，為生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行和實(shí)施基于設(shè)備狀態(tài)的維修提供了基本條件，減少了設(shè)備非計(jì)劃性的停機(jī)，降低了產(chǎn)品的不良率，提高了的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中拋丸機(jī)主軸支撐軸承頻繁失效的問(wèn)題，根據(jù)拋丸機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，分析了主軸支撐軸承失效的主要原因是懸臂結(jié)構(gòu)和葉輪的振動(dòng)導(dǎo)致右端支撐軸承受力情況較差。

2)設(shè)計(jì)了拋丸機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，確定了合理的傳感器固定位置。

3)選取沖擊特征敏感的峭度指標(biāo)和反映軸承故障嚴(yán)重程度的方均根指標(biāo)作為軸承健康狀態(tài)指標(biāo)，設(shè)置合理的閾值，對(duì)主軸支撐軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方案的可行性，可以實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)的維修，提高了生產(chǎn)平穩(wěn)性和效率。