一种多轴承同轴安装状态下的故障振源识别方法

一种多轴承同轴安装状态下的故障振源识别方法

1轴承转速低,冲击因素复杂低速负荷压岁件通常安装在大型旋转设备上。在旋转平台中，旋转速度低，旋转不稳定，承受大负荷，负荷分布不均。由于结构和工作特点，振动信号具有以下特点。(1)轴承转速低造成了振动信号的频域特征模糊。旋转轴的转速低,使通常低速重载轴承计算出来的轴承故障特征频率一般在零点几Hz到几Hz。由于故障频率都比较接近,而且对于多个故障点时更难判断,诊断方法不宜使用常用的频率分析法。(2)承受载荷大。由于负载较大,而且轴承的转速低,因此,每次故障冲击的间隔较长,加之不同的故障形式又有进入承载区和不在承载区之分,故障机理复杂。因此使用冲击法很难准确地检测到故障信号,无法对故障进行全面地分析。(3)故障轴承不止一个时,测得的故障脉冲信号会在时间域上出现叠加现象,这给低速重载轴承的故障诊断增加难度。2振动信号的传递当滚动轴承的内环、外环或滚动体有损伤,轴旋转时,这些零件在接触过程中会发生机械冲击,产生故障冲击脉冲。故障冲击脉冲会沿着传递路径传播,会出现能量衰减现象。冲击脉冲的能量衰减主要是由介质的吸收和散射引起的,介质的吸收使冲击脉冲的振幅减小,衰减变快;介质的散射使冲击脉冲持续时间变长,衰减变慢。通常在某一测点测得振动加速度信号,由几部分组成:(1)经过衰减后的振源的直接信号;(2)经由第1反射界面(或散射体)多次反射(散射)的波叠加;(3)深处第2、第3多个反射界面(或散射体)多次反射(散射)的波的叠加。但由于传递过程中冲击脉冲衰减较多,而且反射波存在时间差,所以迭加在由振源直接衰减成的讯号分量较少。经过衰减后的振源的直接信号是所测振动信号的主要成分,介质内摩擦造成的能量耗散是影响所测振动信号振幅的主要因素。通常用介质的品质因子Q描述介质吸收特性的强弱,它是介质所固有的特性。振幅式中l———传递路径长度;f———频率;Q———介质的品质因子,为波的传播速度。从式(1)中可以看出当f、Q、v为固定参数时,振幅A只与传递路径长度l有关,而冲击脉冲的振幅是振动能量大小的标志,振幅越大,振动能量越大,因此只要考察多个振动加速度传感器在同一时刻测得的振动信号能量对比,就可以识别故障脉冲的振源。根据振动信号传递路径长度对振动能量影响的规律,在设计试验时,分别在旋转轴承上部、中部和底部安装3个同类型的振动加速度传感器。测得的振动信号如图1所示。根据上述原理通过同一时刻各脉冲振动幅值对比,实现了振源识别,识别结果如图2和图3所示。3旋转振动特性分析如果试验过程中只测量单路振动脉冲信号,由于缺乏参照对比信号,振动脉冲的传递衰减规律就不再适用于振源识别,因此,就必须从轴承内部结构特征入手,分析该振动信号是否包含其相关信息,进而实现振源识别。从图4时域振动曲线来看,由于回转轴承旋转不完全,通常工作角度为0～180°,而且转速存在波动,其振动信号呈现时域非稳态特性,从时域无法直接提取足够信息进行振源识别,因此,必须另辟蹊径。经分析发现在角度域上振动脉冲能够反映出轴承的空间稳定性,邮局就是说角度域上,轴承转动一周过程中,其故障零部件与其他零部件的接触(滚动体与外圈、滚动体与内圈的接触)次数是固定不变的,与轴承的转动速度无关。根据这个规律,可以从角度域提取特征信息,以达到实现振源识别的目的。为了反映轴承转动过程中零部件相互之间的运动关系,定义以下特征量:接触频次是指当轴承一个套圈旋转一周过程中,外圈、内圈、保持架或滚子上某一点与其他构件接触的次数(单位:次/r)。零件接触转角是指在旋转工作过程中轴承零件特定点与其他零件发生接触的最小轴承套圈转角(单位:(°)或rad)。轴承零件特征量的计算公式如表1所示。对于某回转平台同轴安装的3个轴承(型号分别为9069344、3540、3530),其特征参量计算结果如表2所示:由于轴承不完全回转的关系,接触频次特征量不能通过角域的傅立叶变换直接获得,因此,在轴承回转不完全的情况下,利用接触转角进行振源识别更为方便,接触频次更适合用于低速完全旋转状态下的振源识别。当测得一路振动脉冲信号时,只需要将时域信号转换为角域信号,再分别读取每个脉冲的角度坐标,设为θ1、θ2、…、θi、…、θn,接着将各脉冲坐标两两相减,会得到一系列角度差值,将其与表2中的轴承接触转角特征值做比较。如果与其中哪一个接近,则说明振动脉冲来源于该型号轴承,进而实现振源识别。需要说明的是,在与表2理论值进行比较时,结合各个轴承的承载情况分析脉冲间隔与振幅变化规律,会简化振源识别过程。以图4振动脉冲曲线为例,经坐标转换后,角域曲线如图5所示:图中各脉冲的角度坐标为:14.4°、32.5°、44.27°、65.886°、79.89°、93.98°、108.85°、117.13°、126.18°、158.5°,两两相减后得到角度值序列X,根据表2标准值范围,数据经剔除处理后,参照表2分析可得以下结论:(1)θAE=65.49°,θCG=64.58°,说明脉冲A、E、C、G的振源是上部3530轴承。(3)各脉冲振幅呈递减变化趋势,这是因为轴承承受载荷沿圆周分布不均的缘故,而脉冲H与曲线最末端的脉冲来自外界环境的干扰,原因是回转平台打开过程或到位时,与架体发生干涉。4减原理及分析方法针对多个低速重载轴承同轴安装不完全旋转时产生的振动信号混叠现象,利用振幅衰减原理和角域特征量2种方法实现了振动脉冲的振源识别,为进一步研究低速重载轴承性能检测与故障诊断方法奠定了基础。这2种方法各有其特点,利用振幅衰减原理进行振源分离操作简便,但是受机械系统结构限制较大,而利用角域特征量进行振源识别则不受结构条件的影响,只是在分析过程中,计算和分析过程稍显复杂。因此,在具体应用时,方法选择需视具体情况而定。表中,,ni为内圈转速(r/min),n0为外圈转速(r/min),ng为滚动体围绕其身中心轴线的转速称为自转转速(rmin),Di为内圈滚道接触点的直径(mm),De为外圈滚道接触点的直径(m