小型滚动轴承故障模拟实验台研制

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.辽宁装备制造职业技术学院 自控学院，辽宁 沈阳 110161；3.中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁 沈阳 110164)

1 引言

滚动轴承广泛应用于工程机械、交通运输、家用电器等各个领域，它是旋转机械是否可靠运行的关键部件之一[1]。滚动轴承常承受周期性变化的交变载荷，使其更易出现故障，如疲劳剥落、磨损、裂纹等，若不能及时处理，将最终导致轴承失效，使机械设备的安全性和可靠性受到致命影响，甚至造成严重的安全事故和巨大的经济损失[2]。因此，开展滚动轴承的故障诊断和状态监测具有重要的工程意义[3]。

目前，国内对于滚动轴承的故障试验以大中型尺寸的轴承为主，但在很多生产设备中，小型滚动轴承的使用量更大，如电动车用电动机、数控机床、电器仪表等[4]，而市场上几乎很少能找到针对小型滚动轴承的故障诊断实验台，并且不能模拟变载荷、变转速的复杂工况。另外，现有设备的加载方式多以液压加载或电磁加载的形式为主，加载设备复杂，载荷大小难以控制，造价昂贵，而且很难保证两侧轴承均匀承载，容易造成偏心载荷，使得所测数据失真。

针对以上不足，本文设计研发了一台用于小型滚动轴承故障模拟实验台，利用该实验台可以诊断出轴承在不同工况下的故障位置，提取变转速、变载荷情况下的故障特征，建立故障特征信息库，监测轴承实时运行状态，分析影响轴承寿命的因素，对产品设计改良和维护策略制定提供参考依据。

本文所研发的小型滚动轴承故障模拟实验台是一个集状态监测、故障诊断、寿命预测于一体的多功能智能系统，涉及机械设计技术、检测与测量技术、信号处理技术、智能算法等多个学科知识的融汇贯通，是机电类专业学生开展工业工程类相关课程实验和创新实践的良好平台。

2 实验台的构成

小型滚动轴承故障模拟实验台如图1所示。

图1 小型滚动轴承故障模拟实验台

在结构设计上综合考虑了实验要求和功能要求，主要包括驱动系统、被测对象、测试系统及加载系统。其中，驱动系统由一台异步电动机和调速器组成，可调速范围为0～2800r/min，调速器可快速、平稳地过渡到预定转速，满足不同工况要求；被测对象主要由试验轴承、陪试轴承、主轴及联接部分组成，主轴采用阶梯结构与轴承实现过渡配合装配，这样不仅可以避免主轴和轴承间的间隙过大影响试验效果，还可以方便轴承装拆；测试系统由传感器、信号采集系统、计算机等设备组成；加载系统可实现对试验轴承施加径向载荷，如图2所示为实验台机械结构的三维图。

图2 实验台机械结构的三维图

3 径向加载装置设计

目前，滚动轴承径向加载主要为点加载和半圆周加载[5]，加载位置常设置在轴承座上，利用轴承座对轴承外圈的径向推力实现加载，如图3所示，这种方式不能模拟轴承的真实工作状况，实际轴承所受径向力多来自旋转主轴的拉力。当主轴承载时，由于摩擦力矩的作用将载荷施加到轴承上，随着主轴的旋转，轴承上承受的载荷是动态可变的，在这样的状态下，按一定的载荷速度谱进行模拟实验，测得所试轴承的振动、温升等数据才能体现轴承的实际健康状况，为进一步监测轴承的疲劳寿命奠定基础[6]。

图3 滚动轴承径向力加载方式示意图

本文设计的径向加载装置如图4所示，采用弹簧加载方式，并配合2根加载螺纹柱和一段方管将弹簧封闭固定起来，方管一侧留有可视窗口，便于观察和测量压力弹簧的压缩量。由于载荷大小与加载弹簧的压缩量成正比，通过上加载螺纹柱对高强度压簧的同步螺旋推进将载荷作用在加载轮上，再经过主轴传递给轴承，进而实现轴承的径向拉力加载。这种结构设计使得施加的载荷容易控制、减轻了自身重量，降低了设计成本，非常适合于小型滚动轴承的故障模拟试验。

1-上加载螺纹柱;2-高强度压簧;3-固定支架;4-下加载螺纹柱;5-固定螺栓;6-加载轮图4 径向力加载装置结构图

另外，加载弹簧在运行中可有效吸收加载轮和主轴接触产生的各种振动能量，提高了加载装置的稳定性，减少了对轴承振动信号的干扰。同时，加载轮采用对称可绕中心旋转的结构，可以实现对两侧轴承的均衡加载，消除偏心载荷对测试数据的影响。此外，在固定支架上还设计了可调螺孔，可适应不同高度的主轴及轴承。固定螺栓设计成直径不同的螺纹结构，目的在于既能有效固定下加载螺纹柱和加载轮整体的位置，又能防止打孔过大从而降低下加载螺纹柱的机械强度。

4 滚动轴承疲劳剥落故障设计

在滚动轴承的工作过程中，滚动轴承的内圈常受到交变载荷的作用，加之安装不当、摩擦过度、使用不良等因素，使滚动轴承与其他部件的接触面上容易产生疲劳，导致滚动轴承接触表面金属呈现点状或片状剥落，这是滚动轴承故障的初始形式[7]。为了模拟滚动轴承的剥落故障，根据滚动轴承的结构特征及剥落故障的状态，并考虑小型滚动轴承接触面加工技术的现状，采用电火花加工技术在轴承的内圈、外圈、滚动体上布置了单点故障[8]。在实验台上，假定轴承接触面疲劳剥落故障满足Paris定律[9]，即其扩展的程度由疲劳剥落故障的长宽深度、材料、疲劳循环中的应力强度因子确定。模拟滚动轴承正常、内圈、外圈、滚动体故障实物图如图5所示。假设疲劳剥落故障宽度为0.5mm，长度为9mm，深度为1mm，材料为轴承钢，应力强度因子取值55。

图5 模拟滚动轴承故障实物图

5 信号采集系统

信号采集系统分别可检测振动信号、压力信号及转动圈数，如图6所示。

图6 信号采集系统工作框图

振动信号是轴承故障诊断的常用方法，通过振动加速度传感器获得测试轴承及陪试轴承的振动信息，测点的不同布置位置会影响加速度特征信号的大小[10]。经过多次测点选择和信号分析，最终将加速度传感器的位置选择在A、B、C、D四点。其中，A点为电机驱动端9点钟位置，B点为陪试轴承底座，C、D点为试验轴承座的3点钟和6点钟位置，如图2所示。轴承疲劳剥落故障振动信号采集仪为DT9857E型8通道高精度振动信号分析系统。

压力信号主要是实时检测轴承径向载荷的大小[11]，采用纽扣式微型压力传感器量程为500kg，综合精度为0.1%，其输出信号通过控制仪表显示并保存。

转动圈数采用电磁计数器记录试验轴承已经运行的圈数，可作为监测、判断、预测试验轴承剩余寿命的依据。

6 验证实验

对研制的小型滚动轴承故障模拟实验台进行可靠性试验。利用信号采集系统测得的振动信号来识别测试轴承的健康状况，并判断故障轴承是否失效。

实验选用的滚动轴承型号为6200DDU深沟球轴承，其参数如表1所示。

表1 测试轴承主要参数

根据实验要求：需要测量轴承在不同大小径向载荷、不同主轴转速作用下的振动信号。因此，采用加载装置将径向力调整到所需的某一数值后， 再通过调速器改变电机转速即可满足实验要求，用这种方法即可模拟轴承在不同载荷下振动信号随转速的变化情况。

本文选取其中的一种情况进行故障分析，如表2所示为该工况下的轴承各部分故障特征频率。

表2 轴承实验工况和故障特征频率

设置信号采集系统的采样频率为12HZ，采集数据点为4096，即可得到测试轴承在正常工况、外圈故障、内圈故障、滚动体故障四种情况下的振动信号时域波形图，如图7～10所示。从图中可以看出，故障缺陷的位置不同，振动冲击强度和规律也不相同。

图7 正常工况下的时域波形图

对振动信号的频谱分析(如包络谱)常作为故障诊断和识别的依据[12]，图11～13所示分别为外圈故障、内圈故障、滚动体故障对应的包络谱，图11中突出频率峰值为108.4Hz和外圈故障频率的理论之102.69Hz相近；图12中突出频率峰值为161.1Hz和内圈故障频率的理论值166.86Hz相近；图13中很容易找到与滚动体故障特征频率59.33Hz相近的频率58.59Hz及其2、3、4、6、9倍频与转频调制成分，这是因为轴承旋转时，滚动体点蚀产生的振动信号频率会随转动呈周期性变化，由此可以判断，该轴承滚动体出现了故障。

图8 外圈故障下的时域波形图

图9 内圈故障下的时域波形图

图10 滚动体故障下的时域波形图

通过上述试验，验证了实验台机械结构和所测数据的可靠性，以及采用振动信号进行轴承故障诊断的有效性，并为下一步开展小型滚动轴承剩余寿命研究提供了必要保证。

图11 外圈故障下的频域包络图

图12 内圈故障下的频域包络图

图13 滚动体故障下的频域包络图

7 结论

本文研制了一套小型滚动轴承故障模拟实验台。在实验台上，可以开展滚动轴承不同程度、不同位置的疲劳剥落故障试验，模拟滚动轴承在不同径向载荷、不同转速状态下的振动特征。通过信号采集和分析系统处理后建立滚动轴承故障信息数据库，可为滚动轴承早期故障的诊断和识别提供依据。实验台还可用于监测滚动轴承的健康状态，并预测其剩余寿命。同时，由于实验台的设计覆盖多个学科领域和综合应用，不仅可以提升学生的动手实践能力还能培养学生的创新思维和科研探索精神。