基于应变分析的转盘轴承状态监测研究

卞梁，马剑，黄齐

(1.江苏科技大学(张家港校区) 船舶与建筑工程学院，江苏 张家港 215600；2.张家港港务集团有限公司，江苏 张家港 215633)

转盘轴承是港口门座式起重机中的关键部件，用于连接上部转台和下部底座，使上部相对于下部旋转。工作时，转盘轴承承受较大的轴向力和倾覆力矩，是主要的易损部件，一旦发生故障，将影响正常的生产作业。另外，大型转盘轴承维修周期长、费用高，因此有必要监测其工作状态，以便及早发现故障，合理安排维修计划，节省维修成本。

运行过程中，转盘轴承滚子与滚道之间存在较大的接触力，长时间运行容易出现滚子局部点蚀、滚道剥落以及滚子整体破碎等故障。目前对转盘轴承采取的状态监测和故障诊断方法[1]主要有振动分析法[2-4]、应力波分析法[5-6]和声发射检测法[7-8]等。

门座式起重机转盘轴承工作时转速较低，早期的低频故障信号往往受到背景噪声的干扰而难以有效分离，因此故障诊断的热点和难点仍是故障信号的提取和分析[9-10]。由于转盘轴承的变形只与其受力相关，受结构整体振动的影响较小，因此其表面应变的信噪比较高。文献[11]采用有限元软件对转盘轴承发生故障前后表面的应变变化规律进行了研究，计算结果显示转盘轴承在发生故障前后的表面应变有明显变化，可以进一步通过分析应变的变化规律进行故障诊断。

为考察应变信号在转盘轴承状态监测和故障诊断中的作用和效果，开展了基于应变分析的转盘轴承状态监测试验，通过在内圈表面布置电阻应变片，获取转盘轴承在静态加载下各测点的应变分布曲线。并在此基础上采用ANSYS软件对应变测量试验进行了有限元模拟，通过计算结果和试验结果的对比验证模型的有效性。最后分析转盘轴承加载后内圈表面的轴向应变和主应变分布情况，讨论测点的优化布置方案。

1 试验研究

1.1 试验原理与方案

以MQ4037型门座式起重机转盘轴承为研究对象，如图1所示，该转盘轴承型号为132.50.4000，采用三排圆柱滚子式结构，承载能力大，抗冲击能力强，在港口起重机中广泛使用[12]。转盘轴承外圈固定于底座，内圈与上部转台相连。起重机起吊重物时，作用于转台上的载荷直接传递到转盘轴承内圈。在轴向力和倾覆力矩的作用下，转盘轴承内圈将发生变形，通过在内圈表面不同位置布置电阻应变片，可以获取各位置的应变变化情况，监测转盘轴承在运行过程中的状态。考虑到对称性，取转盘轴承内圈从臂架到尾部半圈作为试验对象，在内圈侧面沿圆周方向分上下2层共布置16个测点，如图2所示(图中只显示了上层测点的编号，对应的下层位置也有应变片)。贴片方向沿竖直方向，即测量内圈表面的轴向应变。由于转盘轴承内圈布置集中润滑分配器等原因，布点时未按圆周平均分布。

1—外圈；2—上排滚子；3—下排滚子；4—径向滚子； 5—润滑油孔；6—上层测点；7—内圈；8—下层测点图1 三排圆柱滚子转盘轴承结构示意图

图2 测点布置示意图

试验设备主要包括电阻应变仪和计算机，试验线路连接示意图如图3所示，布置于转盘轴承内圈表面的电阻应变片通过屏蔽电缆将测量信号传递到电阻应变仪，电阻应变仪则与计算机相连，通过控制软件实现应变信号的实时采集。典型测点布置如图4所示。

图3 试验线路连接示意图

图4 典型测点布置图

1.2 试验结果分析

试验通过2种方式对转盘轴承进行加载：1)空载时通过改变臂架的外伸幅度对转盘轴承施加倾覆力矩；2)通过起吊额定载荷对转盘轴承同时施加轴向力和倾覆力矩。考虑到风载和支座约束对测量的影响，空载时将臂架旋转到4个不同的方向进行测量。为了不影响码头上相邻门机的作业，选取臂架与门机轨道成45°且靠近江面一侧的方向作为起始方向(记为0°方向)开始测量，然后将臂架逆时针旋转45°，90°和180°进行测量。测量时，首先将臂架伸展到最大幅度(37 m)，对各测点应变清零，然后收缩到最小幅度(11.5 m)，待转台稳定后进行读数。

空载情况下，不同方向各测点的应变分布曲线如图5所示。从图中可以看出，上层测点的应变绝对值呈先减小后反向增大的趋势，与受力情况一致；下层测点的应变变化规律与上层测点类似，但变化幅度稍小。由于受风载和支座的影响，个别测点在不同方向的应变值变化较大，但应变整体变化趋势基本一致，说明应变信号能够反映转盘轴承的受力情况，可以用于转盘轴承的状态监测。

图5 空载情况下不同方向各测点应变分布曲线

加载试验在180°方向进行，臂架伸展幅度为13 m，加载到额定载荷(40 t)，待转台稳定后进行读数。然后卸下载荷，记录空载时各测点的读数。将加载与空载的读数相减，可得到由于载荷引起的各测点应变的变化值。加载情况下各测点的应变分布曲线如图6所示。由图可知,各测点应变分布情况与空载情况类似，上层测点的应变变化规律较明显，而下层测点的应变变化较小。由于加载测量和空载测量相比，倾覆力矩有所增加，因此各测点的应变值也有所增大。

图6 加载情况下各测点应变分布曲线

虽然试验结果显示转盘轴承内圈的轴向应变能反映出转盘轴承的受力情况，但进一步分析发现，部分测点的应变信号比较微弱，应变值偏小，考虑到测量仪器的误差和测量过程中随机因素的影响，这些测点将很难用于转盘轴承的状态监测与故障诊断。为提高测量结果的可靠性和有效性，需要对测点布置进行优化。

2 有限元分析

在ANSYS软件中建立了转盘轴承有限元模型，对应变测量试验进行数值模拟。考虑到对称性，选取结构的一半进行建模。建模时忽略了滚动体、保持架和密封圈等细节。滚子材料为100Cr6轴承钢，套圈材料为42CrMo4，材料参数见表1，划分网格后的有限元模型如图7所示。

表1 滚子与套圈材料参数

图7 有限元模型示意图

计算时，在外圈底面施加固定约束将外圈固定，在对称面上施加对称边界条件，同时在内圈表面施加倾覆力矩，模拟空载情况下的应变测量试验。从门机设计计算书中可获得臂架从最大幅度变化到最小幅度产生的倾覆力矩为4 534 kN·m。由于采用了对称建模的方法，因此取实际倾覆力矩的一半进行加载。有限元计算得到的各测点的轴向应变值见表2，该计算结果反映了无风载、支座为刚性固定的理想状态下，由于加载引起的内圈表面的轴向应变。

表2 各测点轴向应变的有限元计算结果

计算结果与试验结果的对比如图5所示。可以看出，各测点应变的整体变化趋势与试验结果比较一致，大部分测点的计算值与试验值比较接近，说明建立的有限元模型是有效的。但个别测点的计算值与试验值相差较大，这是由于计算模型与实际结构相比进行了部分简化，而且应变片的粘贴质量也会对测量结果产生一定的影响。

为优化测点布置，提高测量精度，需要对转盘轴承内圈表面的应变分布情况进行分析。转盘轴承臂架端内圈表面的轴向应变分布如图8所示。由图可知，轴向应变沿高度方向变化很大，在靠近顶部和底部区域的应变值最大，但分布范围较小且分布不均，在此处测量时对应变片粘贴位置要求较高；在高度中间区域应变分布相对比较均匀，应变值也较大，因此是轴向应变检测比较理想的区域。

图8 内圈表面轴向应变分布图

转盘轴承受力后，内圈表面各点实际处于复杂应力状态，内圈表面第一主应变的分布云图如图9所示。由图可知，靠近顶部和底部区域的主应变值较大，相同位置的应变值能达到轴向应变的4～5倍，因此若采取主应变测量的方法，在内圈顶部和底部的合适位置布置测点，可以得到更大的应变测量信号，测量数据的可靠性更高。

图9 内圈表面第一主应变分布图

3 结束语

通过在转盘轴承内圈表面布置电阻应变片，对转盘轴承加载后内圈的轴向应变进行了测量，获得了内圈表面的轴向应变分布。试验结果表明，转盘轴承内圈表面的应变信号可以反映转盘轴承的受力情况，但部分测点的应变信号比较微弱，很难用于转盘轴承的状态监测和故障诊断。

采用ANSYS软件对转盘轴承进行了有限元分析，模拟应变测量试验，计算得到的各测点应变值与试验值比较接近，应变的整体变化趋势与试验结果一致，验证了模型的有效性。为优化测点布置，分析了内圈表面的轴向应变分布情况。结果显示，转盘轴承受力后内圈轴向应变分布不均，最大应变发生在靠近上下表面的局部区域内，且分布不连续，布置测点时对贴片位置的精度要求较高。在高度的中间存在一应变值较大且应变分布比较均匀的区域，此处是布置测点比较理想的区域。采用主应变测量的方法，在内圈靠近顶部和底部的合适位置布置测点，可以有效提高应变测量值，保证测量数据的可靠性和有效性。