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        基于EMD分解的滾動軸承早期故障診斷

        2023-10-21 07:08:22朱春松
        時代汽車 2023年18期
        關鍵詞:滾動軸承故障診斷

        朱春松

        摘 要:滾動軸承故障率在機組故障中所占比例較高,特別是高線軋機中的滾動軸承,轉(zhuǎn)速較高,工作環(huán)境惡劣,其故障的早期診斷至關重要。主要通過闡述高線軋機的工作特點、滾動軸承的故障機理、基于EMD分解的滾動軸承早期故障診斷,對滾動軸承進行信號采集以及信號處理,判斷故障位置及原因,提高滾動軸承的故障診斷率。

        關鍵詞:故障特征頻率 滾動軸承 故障診斷

        1 引言

        目前生產(chǎn)力水平?jīng)Q定我國自動化水平,因此機組的故障導致整個生產(chǎn)線癱瘓的事件比比皆是,對工廠的經(jīng)濟、人力都會造成巨大的損失,甚至人員傷亡等更嚴重的后果。滾動軸承作為故障率發(fā)生較高的零件之一,如何對其進行監(jiān)測與早期故障診斷至關重要。振動學的引入,讓我們了解到信號信息法在故障診斷的重要地位。當前基于振動學分析的故障診斷方法有時域分析法、頻域分析法及時頻域分析法[1]。時域分析法主要適用于設備的簡單故障判別,診斷方法較為簡單,例如常見的波形分析等;頻域分析法是目前企業(yè)中應該比較廣泛的信號分析法,其檢測較為準確,能夠分析出其故障特征頻率,可以用于精密診斷,但是該方法只適用故障中后期,早期故障通過時域分析法并不明顯;而時頻域分析法是針對非平穩(wěn)信號常用的信號分析法,對于早期故障信號的分離有著明顯的優(yōu)勢,文章采用的就是EMD分析法來分析滾動軸承的早期故障,以防為主,來提高滾動軸承的故障診斷率,避免故障后期引發(fā)整個機組的癱瘓。

        2 高線軋機的工作特點

        以某廠高線軋機為例,其工作分為低速軋制和高速軋制。低速軋制時,機組的運行狀態(tài)相對穩(wěn)定,由于速度較小因此機組的沖擊振動也相對平穩(wěn),振動的傳遞現(xiàn)象也不明顯;高速軋制時,其速度最高可達90m/s,此時不僅會導致高線軋機組溫度會快速升高,還會導致機組的穩(wěn)定性降低,沖擊振動加大甚至會出現(xiàn)共振現(xiàn)象,當異常振動明顯時,需停機進行檢修,因此對于高線精軋機組要進行定期監(jiān)測。

        一個輸入端和兩個輸出端組成高線精軋機組中的增速箱,增速箱采用單列圓柱滾子軸承作為支撐元件,自由端采用一個單列圓柱滾子軸承和球軸承支撐。其中輸入端與電機相連,兩個輸出端分別連接25#軋機與26#軋機,帶動奇數(shù)架和偶數(shù)架軋機進行高速運行,所以認為25#軋機與26#軋機為故障診斷的對象。

        3 滾動軸承的故障機理

        高線精軋機組中共由十架軋機以及增速箱組成,而每架軋機共有22個軸承,軸承故障在整個高線精軋機組的故障率中占比較高,因此對于軸承的故障檢測影響著機組的運行狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗可知,滾動軸承一旦出現(xiàn)故障,會產(chǎn)生異常振動和沖擊,嚴重的故障甚至會導致整個機組的癱瘓。因此對于軸承的早期故障診斷是很有必要的。

        (1)滾動軸承的失效形式

        因為運行速度較高,滾動軸承屬于高線精軋機組上的易損元件,當軸承出現(xiàn)早期故障是時,振動可能被外界環(huán)境所干擾,難以檢測出來,一旦出現(xiàn)異常,一般都是中后期故障,當軸承出現(xiàn)嚴重故障振動信號會出現(xiàn)傳遞,嚴重的可以出現(xiàn)共振,甚至影響其他機組零件的質(zhì)量與壽命。疲勞剝落、磨損、變形、保持架損壞等都屬于目前滾動軸承常見的失效形式。

        (2)滾動軸承的頻率特性

        通過頻率:

        內(nèi)圈通過頻率:

        外圈通過頻率:

        滾動體通過頻率:

        保持架通過頻率:

        式中:——內(nèi)圈回轉(zhuǎn)頻率(Hz);,為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速();

        ——滾珠直徑(mm);

        ——軸承直徑(mm);

        ——滾珠個數(shù);

        ——壓力角。

        固有頻率:

        當各元件以其固有頻率下異常振動時,往往是由于結構本身的缺陷或者出現(xiàn)結構不規(guī)則現(xiàn)象導致,也是常見的軸承故障之一,這時出現(xiàn)的波形圖往往是以回轉(zhuǎn)間隔為包絡的高頻振動曲線[2]。

        其固有頻率可按下面公式計算:

        式中:——圈套寬度(mm);

        ——圈套厚度(mm);

        ——固有頻率振動階數(shù),K=1,2,3…

        滾動體固有頻率計算式:

        式中:——滾動體半徑(mm)。

        根據(jù)提供的軸承型號,可計算得出軸承的故障特征頻率如表1所示。

        通過以上對滾動軸承的特征頻率進行計算分析,表1能夠為后面故障診斷提供參數(shù)依據(jù)。在進行信號分析時,根據(jù)軸承各結構的故障特征頻率及其振動波形圖,可以準確快速的找到滾動軸承的故障點,有助于實現(xiàn)精準的故障檢測。往往在進行滾動軸承故障診斷中,需要將其分為低頻和高頻兩個頻段進行信號分析,當f<1000Hz時認為是低頻段,這個階段主要可以看到滾動軸承故障特征頻率;當f=1000~10000Hz時認為是高頻段,這是頻譜圖體現(xiàn)的特征主要是固有頻率及其高次諧波[3]。對于滾動軸承的早期故障,往往高頻更加敏感,但是很難分離出其故障特征頻率,所以難以發(fā)現(xiàn)故障具體位置,在這個階段只能判斷機組存在故障,但是難以判斷位置,從而容易導致誤判。在精軋階段,滾動軸承一旦出現(xiàn)故障,滾動軸承故障初期沖擊信號較弱,往往被噪聲所淹沒,直接進行頻域分析難以找出對應的故障特征頻率,通過對多個IMF高頻分量進行解調(diào)分析,得到包絡頻譜后再相加可以突出故障頻率,提高信噪比。

        4 基于EMD分析法對滾動軸承進行早期故障診斷

        如圖1所示,為高線精軋機組測點布置圖,測點往往設置在外漏的軸承座上,主要通過振動傳遞性的原理,將沖擊振動信號傳動到能夠反映軸承振動特性的位置。在振動信號中除了有故障信號外還有噪聲信號,兩者混合容易導致誤判。因此在進行信號采集時,往往需要測量同一位置不同方向的振動值,方便得到更加準備的測量結果。為了保證在線監(jiān)測數(shù)值的準確性,往往還需要將多個測點的結果進行共享對比,在進行信號分析時,只需選擇振動特征最為明顯的波形圖進行時頻譜分析即可,以提高故障診斷的準確性。

        前面已經(jīng)闡述,在測量振動信號時,除了故障特征信號之后往往還會采集到噪聲等信號,很可能造成故障信號被淹沒,難以發(fā)現(xiàn)早期故障。而EMD分解方法可以將采集的信號分解成若干個瞬時頻率具有物理意義的IMF分量,對于無用信號的剝離有著重要的作用,也是一種針對非平穩(wěn)信號進行是信號分析的重要手段[4]。通過以上介紹,高線精軋機組的信號呈現(xiàn)非穩(wěn)定性,因此EMD 分解法認為適用于檢測其軸承的早期故障。

        實驗對26#軋機所測的振動信號進行自適應的分解,得到頻率從高到低的11個IMF分量,對每一個分量進行包絡后再進行頻域分析,得到包絡頻譜圖,通過觀察每個IMF分量的包絡譜特性,分析每個IMF分量的物理意義。限于篇幅,只列舉前三個分量,如圖2、3和4所示。

        通過圖2、3和4三個分量的包絡譜圖可以看出,IMF1、IMF3的包絡譜圖中仍找不到對應的故障特征頻率,IMF2分量的包絡譜圖沒有意義,為定義為無用的信號。因為每個分量表示的是原始信號真實的物理信息,在高線精軋過程中,由于環(huán)境等干擾因素的影響,信號體現(xiàn)的意義各不相同,通過單獨對IMF分量進行分析,可以找到有意義的分量,有助于無用分量的剝離。

        為了解決上述問題,論文考慮將無用的IMF分量(如圖3中的IMF2分量)剔除,對包含故障信息的IMF分量進行重構,計算重構信號的包絡信號,如圖5所示。再計算重構信號的包絡頻譜和包絡功率譜,如圖6(a)和(b)所示。

        由圖6的包絡波形圖可知,可以看出明顯的沖擊信號,驗證了滾定軸承故障確實存在。由圖6(a)的FFT頻譜和圖6(b)的功率譜圖可以明顯看出故障頻率在150Hz,參考表1可以看出,與軸承內(nèi)圈故障頻率153.243Hz將近,可判定為軸承內(nèi)圈故障。由此可以看出,通過EMD分解法濾除實際工況中噪聲等干擾信號,將有用的信號進行重構,通過頻譜圖可以看出明顯的故障特征頻率,對于惡劣環(huán)境下有早期故障的診斷有著很大的幫助。在傳統(tǒng)的頻譜分析中,只能做到整體的信號分析,很難將噪聲等無用信號與故障信號分離,所以只有等滾軸軸承故障特征較明顯時才能檢測到故障位置,對于機組的提前監(jiān)測無法起到提醒作用。而通過EMD分解法可以將故障信號和噪聲等干擾因素分開,從而判斷出滾動軸承的早期故障。

        因此,EMD分解法通過將信號進行分解重構,對非平穩(wěn)信號以及混雜信號的分析有著明顯的優(yōu)點,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)基于頻譜的信號分析法,在實際工程中遇到的大部分信號都是非平穩(wěn)信號,通過EMD 分解法對非平穩(wěn)的振動信號進行分解,能夠?qū)收闲畔⒌腎MF分量從強噪聲中分離出來[5]。因此,EMD分解法更適應于現(xiàn)場環(huán)境惡劣的機組早期故障,有助于判斷機組中隱藏的故障位置。

        5 結論

        根據(jù)現(xiàn)有的故障診斷法,用一般的頻譜分析可以判斷出滾動軸承的中后期故障,對于早期故障往往被噪聲淹沒難以被發(fā)現(xiàn)。對于EMD分解法可以將信號自適應的分解成若干個IMF分量,剔除無意義的IMF分量,將有意義的分量進行重構,將故障信號從干擾信號中剝離,凸顯滾動軸承的早期故障。在機械故障診斷中,早期故障的發(fā)現(xiàn)不僅對影響著機組的工作效率,甚至還會影響到人身安全,所以對于故障的發(fā)現(xiàn)越早越好,檢修人員可以及時關注,防止出現(xiàn)急速惡化。

        參考文獻:

        [1]陳子慧,李志農(nóng),谷士鵬等.基于自適應Fourier分解-同步提取變換的機械故障診斷方法[J].兵器裝備工程學報,2023,44(04):139-145.

        [2]沈?qū)W軍,常越,龐馭文.基于深度域適應方法的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術[J].湖南工程學院學報(自然科學版),2022,32(04):24-30+34.DOI:10.15987/j.cnki.hgbjbz.2022.04.009.

        [3]靳現(xiàn)平,徐元濤,劉洋等.基于改進EMD的煤礦用履帶式水倉清理機機械故障診斷研究[J].煤炭工程,2022,54(S1):181-186.

        [4]劉晉瑋. 基于自相關與EMD的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方法的研究[D].三峽大學,2020.DOI:10.27270/d.cnki.gsxau.2020.000449.

        [5]許丹,于龍,王玉梅.基于用最小二乘法改進的EMD與能量熵融合的斷路器機械故障診斷方法[J].高壓電器,2014,50(08):99-103.DOI:10.13296/j.1001-1609.hva.2014.08.025.

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