滚动轴承故障诊断技术研究

滚动轴承故障诊断技术研究

摘要:滚动轴承是机器的易损件之一。滚动轴承故障诊断的传统方法和现代方法有冲击脉冲法、共振解调法、小波分析法等。滚动轴承诊断技术的发展方向为非线性理论、现代信号处理技术与智能诊断技术的融合、信号处理技术之间的相互融合。

关键词:滚动轴承；故障诊断；冲击脉冲；共振解调技术；小波变换；遗传算法0 前言

滚动轴承是机器的易损件之一,据不完全统计,旋转机械的故障约有30%是因滚动轴承引起的,由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。如何准确判断出它的末期故障是非常重要的,可减少不必要的停机修理,延长设备的使用寿命,避免事故停机。滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏,如装配不当、润滑不良、水分和异物侵人、腐蚀和过载等。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下,经过一段时间运转,轴承也会出现疲劳剥落和磨损。总之,滚动轴承的故障原因是十分复杂的,因而对作为运转机械最重要件之一的轴承,进行状态检测和故障诊断具有重要的实际意义,这也是机械故障诊断领域的重点。

1 滚动轴承故障诊断技术的发展和现状

1.1 国外发展概况

国外对滚动轴承的监测与诊断开始于20世纪60年代。至今为止的超过40年的时间内,随着科学技术的不断发展,滚动轴承的诊断技术亦不断向前发展。现在在工业发达国家,滚动轴承工况监测与故障诊断技术己经实用化和商品化。总的来说,该技术的发展可以分为四个阶段。

第一阶段:利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。。20世纪60年代,由于快速傅里叶变换(FFT)技术的出现和发展,振动信号的频谱分析技术得到很大发展,随之而来的是各种通用的频谱分析仪纷纷问世。人们通过频谱分析仪分析轴承振动信号频谱中是否出现故障特征频率来判断轴承是否有故障。由于背景噪声的影响,频谱图往往比较复杂,轴承的特征频率在故障初期很难识别出来。另外,当时频谱仪的价格很昂贵,所以没能得到普及利用。

第二阶段:利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。20世纪60年代末,全球主要滚动轴承生产商之一,瑞典SKF公司在多年对轴承故障机理研究的基础上,发明了用冲击脉冲计(SbockPulseMete:)的仪器来监测轴承的故障。它实际测试的是轴承表面损伤故障引起的冲击脉冲的幅值,根据这一特征评价轴承的损伤程度。由于这种方法能比较有效地检测到轴承早期损伤类故障,且不需进行解调分析,因此一经发明,便为英、美等发达国家所采用。随着这一技术不断发展,SKF公司及世界上其它一些公司相继开发了各种更新换代产品,如SKF公司的电脑化新产品BEA一52型轴承分析仪,它利用了冲击波来检测滚动轴承油膜厚度,此外还有轴承自动分析系统(BearingAuto一analysisSystem)等产品。

第三阶段:利用共振解调技术诊断轴承故障。1974年,美国波音公司的D.R.Harting发明了一种叫做“共振解调分析系统”的专利,这就是我们现在称为“共振解调技术”的雏形。由于这种方法放大和分离了故障信号,极大地提高了信噪比,所以尤其适用于轴承故障的早期检测。比较上面两种方法发现,这两者皆利用了损伤类故障会引起冲击脉冲这一特点,然而,SPM法只监测滚动轴承损伤引起的冲击脉冲的幅值,共振解调法除此之外还能诊断出发生故障的轴承元件及故障发生的严重程度,所以它问世以来就一直被广泛应用,没有别的方法能够取代它。

第四阶段:开发以微机为中心的滚动轴承工况监测与故障诊断系统。最近二十多年中,随着微机技术的突飞猛进的发展。开发以微机为中心的滚动轴承工况监测与诊断已经引起了国内外很多研究者的重视。美、英、日等国都己相继开发了此类的系统。此外,俄罗斯的VAST公司己成功开发成功了一个滚动轴承自动诊断系统,并应用到工业与交通运输的各个部门。瑞典的CMUmaehineanalyst+HMI 轴承监测诊断系统,CMU数据采集模块具有强大的测量功能,包括加速度包络合逻辑控制、多通道、支持多种传感器,高达12800的分辨率。其分析软件采用oracl。8i关系型数据库,遵守ODBC和SQL协议、采用模块化组件设计、自动统计生成报警门限。另外新西兰的VB3O00及FAG滚动轴承监测诊断系统也是在轴承监测与诊断系统领域里的领先产品,以其多参数的监测、模块化的通道选择、加入新功能的多样化平台,使用HMI界面软件、能对设备状态的变化在影响生产或产品质量前做出高效率且及时地反应。

1.2国内发展的概况

可查国内对滚动轴承的工况监测与故障诊断的广泛研究基本上是从80年代才开始的。虽然起步较晚,但经过很多高校、研究所和工厂广大科技人员的努力,在滚动轴承的故障诊断、系统开发等方面己取得很大进步自1985年来,由中国设备管理协会设备诊断委员会、中国振动工程学会机械故障诊断分会和中国机械工程学会设备维修分会分别组织的全国性故障诊断学术会议以先后召开多次,极大地推动了我国故障诊断技术的发展。工作比较集中的是大型旋转机械故障诊断系统,已经开发了20种以上的机组故障诊断系统和十余种可用来做现场简易故障诊断的便携式现场数据采集器。研究的主要方面是基于振动信号的包络共振技术(也即共振解调技术)。其中,航空航天部608所的唐德尧教授等人于1984年开发成功基于共振解调原理的JK8241齿轮轴承故障分析仪,既而于1990年开发成功专用于铁路货车轮对轴承故障诊断的JK864n自动试验系统。相比较而言,国内对滚动轴承的诊断与国外相比还存在一定的差距,其中一个主要原因在于国内在这方面投入的人力和物力还不够。对滚动轴承实效机理、实效过程的研究不够、不深入。相比较而言,国外公司对实验数据的积累工作很重视,VAST公司宣称他们在二十年的研究过程中,积累了从不同类型的旋转机械中拾取的10000多组数据。正是依赖于这么多组实际轴承数据,他们开发的产品在很多企业得到成功。

2 滚动轴承故障诊断传统的分析方法

2.1振动信号分析诊断

振动信号分析方法包括简易诊断法、冲击脉冲法(SPM法)、共振解调法(IFD 法)。振动诊断是检测诊断的重要工具之一。

(l)常用的简易诊断法有:振幅值诊断法,反应的是某时刻振幅的最大值,适用于表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断;波峰因素诊断法,表示的是峰值和均方根值之比,适用于点蚀情况下的诊断;概率密度诊断法,通过概率密度曲线进行故障判断,一般作为故障的定性分析;峭度系数诊断法具有与波峰类似的变化趋势,它的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关,但缺乏早期报警能力,在故障严重时会失去诊断能力,适用于点蚀故障诊断。

(2)冲击脉冲法(SPM)是在滚动轴承运转中,当滚动体接触到内外道面的缺陷