超低速不完全旋轉同軸安裝軸承振動分析

1旋轉設備的特點在分析工作性能和故障特性時，超低速、不完全旋轉的重型軸承的主要特征如下。(1)承受載荷大。在回轉設備工作過程中,設備自身重量加上操作人員重量,軸承承受動載荷達10噸以上。(2)不完全旋轉。在工作過程中,由于設備的結構和功能影響,工作時,軸承在0～180°之間往復旋轉。(3)旋轉速度極低且不穩定。由于設備體積大,所以工作過程旋轉速度極低,其正常工作周期通常為5min,而且工作過程中轉速存在波動。(4)工作軸承數量多。旋轉軸上共裝有2套雙列圓柱滾子軸承和1套推力圓柱滾子軸承,多軸承同軸的狀況會造成不同振源的振動信號混疊耦合現象。(5)承受載荷隨旋轉角度發生變化。上部軸承和中部軸承主要是承受方向相反的徑向載荷,此載荷的方向與回轉設備的重心有關。因此當回轉設備旋轉時,這兩個軸承所受載荷大小不變,但是方向隨旋轉角度發生變化。下部軸承承受載荷比較復雜,有設備的重力載荷以及一小部分徑向壓力載荷,還有來自旋轉絞盤上的鋼絲繩的拉力所以在進行故障診斷時必須考慮軸承進入承載區和非承載區的影響。(6)軸承內部承載區固定不變。回轉設備往復運動,軸承與之同步旋轉,在忽略滾子打滑等因素影響時,軸承上的承載區是固定不變的。從上述特點分析,超低速、不完全旋轉重載軸承振動信號具有時域非穩態、多振源信號混疊、載荷變化與承載區相對穩定等特點,其特征頻率不易提取,基于特征頻率的軸承故障診斷方法不適用于此類軸承的性能檢測與故障診斷,本文從超低速重載軸承的內在結構和運動規律出發,首次提出了基于角域特征量的超低速重載軸承故障診斷方法。2故障診斷和診斷的原則2.1振動加速度信號分析當滾動軸承的內、外圈或滾動體有損傷,軸旋轉時,這些零件在接觸過程中會發生機械沖擊,產生故障沖擊脈沖。故障沖擊脈沖沿著傳遞路徑傳播,會出現能量衰減現象。沖擊脈沖的能量衰減主要是由介質的吸收和散射引起的,介質的吸收使沖擊脈沖的振幅減小,衰減變快;介質的散射使沖擊脈沖持續時間變長,衰減變慢。通常在某一測點測得振動加速度信號由幾部分組成:(1)經過衰減后的振源的直接信號;(2)經由第1反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波疊加;(3)深處第2、第3等多個反射界面(或散射體)多次反射(散射)的波的疊加。但由于傳遞過程中沖擊脈沖衰減較多,而且反射波存在時間差,所以疊加在由振源直接衰減成的信號分量較少。經過衰減后的振源的直接信號是所測振動信號的主要成分。也就是說介質內摩擦造成的能量耗散是影響所測振動信號振幅的主要因素。通常用介質的品質因子Q描述介質吸收特性的強弱,它是介質所固有的特性。振幅為A的彈性波的吸收可表示為式中:L為傳遞路徑長度;f為頻率;Q為介質的品質因子;v為波的傳播速度。從(1)式可以看出,當f,Q,v為固定參數時,振幅只與傳遞路徑長度有關,而沖擊脈沖的振幅是振動能量大小的標志,振幅越大,振動能量越大,因此只要考察多個振動加速度傳感器在同一時刻測得的振動信號能量對比,就可以識別故障脈沖的振源。2.2個軸承的受荷情況滾動軸承中的載荷分布情況是影響軸承使用壽命和工作可靠性的關鍵因素,載荷分布情況直接影響到滾動體與滾道的局部接觸情況。研究載荷分布的主要目的是弄清軸承系統中的變形與承載情況,以及在軸承運動過程中,滾動體與內、外圈沖擊強度的變化規律。從回轉平臺的結構來看,旋轉軸上3個軸承承受載荷情況各有不同。上部軸承3530主要承受徑向載荷,在工作過程中,外圈旋轉,內圈不動,外圈和載荷同步變化,承載載荷的部位始終不變,內圈承載部位是不斷變化的,滾動體承載情況也是變化的。中部軸承承受載荷方向與上部軸承正好相反,由于其運動規律與上部軸承相同,因此承載情況與上部軸承相同。下部的推力軸承主要承受軸向載荷,但由于回轉絞盤上的鋼絲繩的拉力作用,還承受一部分徑向載荷。通常來說,脈沖的沖擊強度受故障點的嚴重程度和承載強度兩個因素的影響。對軸承各元件來說,承載是變化的,因此,某一故障部位產生脈沖的幅值變化與載荷變化是相對應的。則脈沖函數fp可表示為式中:f0為脈沖的幅值函數,反映了脈沖強度,其受故障程度η和載荷大小l的影響;δ(θ-ku)為類抽樣函數,當(θ-ku)等于零時,其值為1,否則為0;u為故障零件的零件接觸角,反映了脈沖系列的角度間隔;θ為軸承旋轉角度變量。2.3旋轉接觸頻次的計算在研究過程中發現,旋轉過程中回轉平臺的旋轉速度是非穩態的,也就是說時域上,受主、客觀因素的影響,軸承的振動信號沒有規律,但是在角度域上,軸承轉動一周過程中,各零部件接觸(如滾動體與外圈、滾動體與內圈的接觸)次數是固定不變的,與軸承的轉動速度無關。根據這個規律,提出了接觸頻次的概念。接觸頻次是指當軸承一個套圈旋轉一周的過程中,外圈、內圈、保持架或滾子上某一點與其他構件接觸的次數,單位為:次/轉。接觸頻次與滾動接觸次數的概念有所區別,滾動接觸次數僅僅是描述內、外圈與滾動體的運動關系,接觸頻次則更加廣泛地描述軸承內部各個構件之間的運動關系。當軸承旋轉角度不到一周時,出現的脈沖數不足以計算接觸頻次值,接觸頻次特征量就無法直觀反映出該軸承的故障特點。根據軸承元件均勻對稱分布的特點,可知同一故障位置產生的脈沖在角度域上應當是均勻呈周期分布的。這樣還可以導出零件接觸轉角的概念。零件接觸轉角是指在旋轉工作過程中軸承零件特定點與其他零件發生接觸的最小軸承套圈轉角。假設軸承套圈在旋轉過程中,滾子與內、外圈之間作純滾動,所用符號意義如下:ni為內圈轉速,r/min;ne為外圈轉速,r/min;nm為滾動體圍繞軸承軸線的轉速,也稱為滾動體公轉轉速,因為保持架是由滾動體帶動旋轉的,所以也是保持架的轉速,r/min;ng為滾動體圍繞自身中心軸線的轉速,稱為自轉轉速,r/min;nmi為保持架相對于內圈的轉速,r/min;nem為外圈相對于保持架的轉速,r/min;ωi為內圈轉動角速度,rad/s;ωe為外圈轉動角速度,rad/s;ωm為滾動體公轉角速度,也是保持架的轉動角速度,rad/s;Di為內圈滾道接觸點的直徑,mm;De為外圈滾道接觸點的直徑,mm;Dm為軸承平均直徑,mm;Dw為滾動體直徑,mm,α為接觸角,rad或(°);Z為滾子數;b為滾子列數。如假定內圈旋轉,外圈靜止,軸的轉速為n時,則,ni=n,ne=0,可得當假定外圈旋轉,內圈靜止,軸的轉速為n時,則ne=nni=0可得在一般轉速下,與上述公式的計算值符合,在高速軸承中,還應考慮慣性力矩和摩擦力矩對軸承各元件運動的影響。根據接觸頻次的定義,可知當外圈旋轉一周,內圈不動時,內圈、外圈、保持架以及滾動體的運動時間相等,所耗時間為保持架轉過的角度為外圈相對保持架轉過的角度為保持架相對內圈轉過的角度為則外圈接觸頻次為內圈接觸頻次滾動體接觸頻次外圈接觸轉角為內圈接觸轉角為滾動體接觸轉角為在實際計算滾動體接觸頻次時,考慮到滾動體與保持架之間相互作用力較小,即使故障部位與保持架發生接觸,所產生的振動沖擊信號幅值也較小,因此,滾動體與保持架之間的接觸忽略不計。2.4承重式故障激勵根據表1的計算公式,利用軸承的尺寸參數,可算得軸承各零件的接觸頻次與接觸轉角。當低速重載軸承某一處零件出現故障時,由于軸承的故障對激勵具有直接的影響,特別是在承受較重載荷時,出現的脈沖激勵有以下規律:(1)軸承運行中會產生周期性脈沖沖擊,脈沖的重復周期與某個特定元件的接觸頻次相對應,對同一故障來說,產生的脈沖是均勻分布的,角度周期等于該零件接觸轉角。(2)脈沖的沖擊強度與故障點的嚴重程度相對應。這樣,根據接觸頻次與零件接觸轉角這兩個特征參量,就可以對低速重載軸承進行故障診斷。3移動振動信號某大型設備旋轉軸上共安裝有型號為3530,3540,9069344的3個軸承,工作時,外圈旋轉,內圈不動,各軸承承受載荷變化情況如圖1,圖2,圖3所示,各型號軸承的角域特征參量如表2所示。振動加速度傳感器測得3路振動信號如圖4所示。利用振源識別方法,識別結果如圖5、圖6所示,從圖中可以看出:(1)圖5中有4個振動脈沖信號A1,B1,C1,D1,其角度橫坐標分別為:14.4°,44.27°,79.88°,108.85°,A1與C1之間角度間隔為65.4°,B1與D1之間角度間隔為64.6°,可以判定這是上部軸承滾動體的故障。(2)圖6中有5個振動脈沖信號A,B,C,D,E,其角度橫坐標分別為:32.5°,65.88°,93.98°,126.18°,158.5°,4個脈沖的角度間隔分別為:33.38°,28.10°,32.19°,32.32°,而且振動脈沖的幅值呈遞減趨勢,與軸承載荷分布不均的情況相符。由此可以判斷,該軸承內圈上存