浅析斗轮机回转轴承故障诊断

赵俊峰

（福建大唐国际宁德发电有限责任公司，福建 宁德 352000）

1 斗轮机及回转机构简介

1.1 斗轮机基本构造

由斗轮机构、上部金属结构、悬臂胶带机、主机梯子平台、主机俯仰液压装置、门座、支承铰座、转盘、中部料斗、回转机构、行走机构、集中润滑系统、动力电缆卷筒装置、控制电缆卷筒装置、尾车、尾车梯子平台、电气系统、司机室、配重组、基础布置及载荷等组成。

1.2 斗轮机回转机构工作原理

回转机构主要由回转驱动装置、三排列滚柱式回转轴承、座圈、法兰、齿轮、齿轮罩、紧固件等组成。回转驱动装置由电动机、减速器、制动器、限矩联轴器、机座、罩子等组成。回转机构安装在门座和转盘之间。下座圈下部固定在门座上，下座圈上部与带外齿的三排列滚柱式回转轴承外圈相联；上座圈上部支撑转盘，上座圈下部与三排列滚柱式回转轴承内圈相联。回转驱动装置分别安装在转盘后部，减速器输出轴上的驱动齿轮与三排列滚柱式回转轴承的外齿相啮合，通过电动机的动力传动，实现转盘相对于门座的回转。进而完成主机的回转功能。

在斗轮机日常使用过程中，回转机构发挥着重要的作用，其中最重要的回转轴承则为最核心部件。如其出现问题，检修难度大、存在很大的安全风险；检修时间长，影响设备及系统的正常运行；设备金额较大，经济损失严重。所以，斗轮机回转轴承的故障诊断在实际生产中变动尤为重要。

2 轴承的常见失效形式

2.1 接触疲劳失效

材料在其工作界面上长期有应力作用而导致的失效称为接触疲劳失效，这往往会导致材料的剥落。剥落一般情况下是由其界面上疲劳裂纹慢慢引起的，从最大应力处开始到工作界面会产生不同的剥落形态。其根据形态分成点蚀和层状剥落。如果任其发展和扩大，最终会导致深层剥落，这是此类失效形式的源头。

2.2 磨损失效

工作界面上长期地摩擦和磨损而引起的失效形式称为磨损失效，长期的磨损会带来轴承精度不准确，尺寸变化等一系列后果，最终导致零件无法使用。磨损失效根据其产生原因可分为两种，颗粒磨损以及粘附磨损。颗粒磨损是因为有外来颗粒进入到工作界面之中或是金属屑与工作界面的相对摩擦，这会在工作界面上产生犁状擦痕。粘附磨损是因为工作界面在润滑不佳的情况下与外物摩擦而产生热量从而发生变形，甚至会使界面出现部分的熔化现象进而撕开工作界面上的焊接点。

2.3 腐蚀失效

像水等具有腐蚀性的物质在工作过程中碰到滚动轴承而导致腐蚀甚至出现锈迹而产生的失效形式称为腐蚀失效。此外，微小的电流以及静电的影响一样会引起滚动轴承的腐蚀。此类问题会引起在滚动轴承的各个部位产生不同形状的锈状，慢慢导致整个滚动轴承的失效。

2.4 断裂失效

轴承本身存在缺陷以及载荷过大而产生的失效形式称为断裂失效。因此断裂失效也分为两类，过载断裂和缺陷断裂。其中过载断裂是因为机械发生故障或者安装问题而使外载荷过大进而断裂。缺陷断裂是因为轴承表面的微小裂痕、气泡、温度过高而引起的变形等缺陷在外力作用下而断裂。

2.5 游隙变化失效

游隙变化失效是指在环境以及自身因素的作用下使得轴承尺寸精度丧失，进而产生卡壳现象。其中环境因素有安装出现问题，过盈量不合适，温度的剧烈变化，载荷过大等，自身因素有内部应力的不断波动等。

3 轴承故障诊断的发展

第一阶段，工人和专家们在借助螺丝刀等工具，通过视觉和听觉再结合上自己的经验来判断轴承是否发生故障以及故障的部位，但这样的方式，主观影响很大，会导致较大的误差。

第二阶段，使用测振仪和磁带记录器等工具，主要通过运动学参数的峭度值、峰值来确定轴承是否发生故障，这样做可以减少主观因素的影响，但依然还是会经常出现不能及时准确的诊断出故障的情况，而且此时只能进行单通道分析，较为单一。

第三阶段，随着运动学、动力学的快速发展，傅里叶变换的出现，滚动轴承的故障诊断进入了使用时频域分析的时代，时域分析适用于故障的简易诊断，而频域分析一般使用共振调解方法，适用于故障的精密诊断，并开始出现多通道分析。除此之外，利用温度分析也是当时一种颇为流行的方法。

第四阶段（现阶段），随着计算机技术的发展，滚动轴承的故障诊断开始使用以计算机和传统仪器结合的虚拟仪器。数据分析的速度大大增快，数据的处理量也大大增加。

4 轴承的故障诊断理论

4.1 轴承的振动原理

滚动轴承振动的本质原因是不同的轴承部件受到冲击与碰撞，因为轴承自身的结构特点、加工和装配时产生的误差和出现故障等因素，导致轴对轴承与轴承座组成的振动系统产生激励，进而把振动信号传到减速箱外壳，传感器就可以监测到轴承的状态信息并及时诊断轴承可能发生的故障。

4.2 信号处理

4.2.1 信号的预处理

传感器采集到的振动信号因为受到环境及自身等各种因素的影响，必然会有所衰减且在其中混入噪声信号。通过不同的传感器采集到的信号，从而得到的输出也会有所区别。因此在分析信号前，必须做信号的预处理，其目的是减少噪声信号对分析的影响，增大信噪比，而在本系统中可以更好地得到特征频率。对信号做处理、分析、变化、分辨之前，先对采集到的信号做过滤、放大有用信号去除无用信号的处理就是信号的预处理。

信号预处理方式一般分为以下几种：

（1）信号类型转变。同类电信号的相互转变：比如电阻信号转化为电流信号；不同类信号的转换：比如利用光电仪器将光信号转变为电信号。

（2）信号放大。就是将有用的信号信息利用放大器放大，使其更为明显，常见的有：可屏蔽器、精密测试放大器。

（3）去掉均值。在得到振动信号的各时域参数时，将均值这个参数去掉。

（4）去掉趋势项。常用的趋势项消除方法有滤波法、多项式拟合法。

（5）信号滤波。滤波是对采集的信号中一些不要的频段进行去除的做法，可以有效的减少干扰的影响。这也是本系统所要采取的信号预处理方法，只是本系统的最小熵解卷积法更侧重于还原原来的信号。滤波根据其特点可分成两类，现代滤波与经典滤波。

4.2.2 时域分析

给信号以一个稳定的输入信号，通过确定的函数与时间轴关系，得到输出，然后研究系统的各类性能是否平稳与符合要求，这就是时域分析。时域分析最大的特点就是利用时间轴（x 轴）进行分析，因此其非常的准确和明了。一般时域分析分为两大类：参数分析（量纲参数与无量纲参数）和相关性分析（自相关与互相关）。

当轴承圈产生裂痕，滚动体剥落及发生严重点蚀现象时都会在时域波形图中产生明显的脉冲，因此将峭度用于故障诊断有较好的效果。

但以上参数除峭度外的量纲参数，它需要系统学习的数据而且会受到轴承转速、尺寸、载荷等因素的影响，会为滚动轴承的检测带来诸多不便。为了解决这些不便，可以使用一些无量纲参数，不仅滚动轴承的运行状态及外在环境因素对其的影响很小，而且对故障非常的敏感，是较为合适的诊断参数。无量纲参数有如下几种：

（1）峰值因子。峰值因子（也称为峰态因素），它表现了是峰值在曲线中的尖锐程度，而且故障能使其有较大的波动。轴承工作表面产生较小的缺损时，它的幅值非常地尖锐，所以能较好地诊断这类故障。

（2）波形因子。

（3）脉冲指标。当脉冲因子过大时，滚动轴承可能发生了点蚀；当脉冲因子过小时，滚动轴承可能发生了磨损。

（4）裕度指标。自相关分析也是时域分析中一种运用十分广泛的方法，当其在滚动轴承故障诊断中使用，更有利于抑制噪声的干扰，得到故障的特征。

时域分析可以很好地过滤噪声信号，保留故障信号，确定振动信号中是否有完整的周期，提取出故障信息，从而对故障类型的判断提供有力的帮助。

4.2.3 频域分析

频域分析法是一种用来分析振动信号的有效方法，振动信号能够看成是频率不同的正弦信号的叠加。频率特征是指在在正弦函数的基础上确定输入与输出的函数关系。频域分析法就是指利用频率特征来分析信号的一种传统方法。

频域分析法有如下特点：

（1）频率特征能够让低阶信号的时域频域参数完全相互对应，也能让高阶信号的时域频域参数基本对应。因此，频域分析既能够减小噪声的影响，又能增强系统响应的灵敏度。

（2）将原始信号拆开成不同频的正弦信号，再将其叠加。这样可以有备无患，防止信号损失。除此之外，还能减少所需的存储空间，提高传输的效率。

（3）对故障诊断的频域分析法是一种将频率组成和与之对应的幅值大小以直观的图表展现出来，进而得到初始时域频率组成与相位信息的分析方法。根据对频率组成的分析，对比滚动轴承运行时各组成部分的特征频率，精确得定位故障的发生位置及性质。

常用的频域分析方法有如下几种：频谱分析；包络谱分析；功率谱分析。

4.2.4 故障诊断

滚动轴承经常发生的部分缺陷有内外环与滚子的脱落、点状腐蚀和磨损（包含裂纹）变形，而无论哪种损伤都能引起对应的脉冲频率信号，从中可以得到特征频率。滚动轴承的精密诊断通常利用频谱分析来看是否有产生滚动轴承的故障特征频率，而故障特征频率是可以由速度关系和经验公式求得，特征频率（Hz）的表达式：

式中，N 是轴的转速（r/min）；D 是轴承的截圆的直径（mm）；n 是滚子的个数；d 是滚子的直径（mm）；β是接触角（o）。

5 结束语

通过对轴承的故障研究分析，不难看出，轴承在日常运行过程中会传出相应运行状态的信号，根据这些信号，可以较好的分析出轴承的运行特性。

目前实际生产中，轴承的状态判断手段仍然较为原始，设备管理不够先进，设备管理者可在生产过程中，结合轴承的相关理论研究，定期定量的对斗轮机回转轴承进行数据检测，理论分析，从一段时间的数据趋势，可以发现回转轴承的运行状态，及早发现问题，研究解决方案，制定解决措施，避免事故扩大。