回转支承的故障监测诊断技术研究_刘志军

设备 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 /诊断维修 /再制造 现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering) 2011 年第 11 期 回转支承的故障监测诊断技术研究 * 刘志军，陈捷 ( 南京工业大学机械与动力工程学院，南京 210009) 摘要:回转支承的故障监测诊断技术的研究对于提高设备的运行效率、减少经济损失具有重要的意义。有针对性地概 述了基于振动信号、温度信号、摩擦力矩、声发射、应力波的回转支承监测诊断技术，以及针对上述信号的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 处理方 法，其中包括针对回转支承局部缺陷信号诊断的 HHT、EEMD-MSPCA等方法。最后，对各监测诊断方法进行比较，并提 出基于混合智能多传感器信息融合技术将成为回转支承故障诊断的重要发展方向。 关键词:回转支承;故障监测;故障诊断 中图分类号: TH17 文献标志码: A 文章编号: 1671—3133( 2011) 11—0127—05 Monitoring and diagnosis technique on slewing bearing LIU Zhi-jun，CHEN Jie ( School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China) Abstract: Fault monitoring and diagnosis technology would be a great significance for equipment efficiency and reducing the eco- nomic loss due to the slewing bearing failure． Slewing bearing monitoring and diagnosis technique based on vibration，tempera- ture，friction torque，acoustic emission，stress wave were introduced，including the methods of signal processing，especially Hilbert-Huang Transform ( HHT ) ，Ensemble Empirical Mode Decomposition-Based Multiscale Principal Component Analysis ( EEMD-MSPCA) for local fault signal processing were detailed described． At last，various methods were compared and the intelligent sensor fusion technology of slewing bearing fault diagnosis was forecasted to be a important development direction． Key words: slewing bearing; fault detection; fault diagnosis 0 引言 回转支承又称转盘轴承，是一种大型特殊轴承， 可承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩，一般 采用齿轮传动实现低速转动。回转支承被广泛应用 于工程机械、风力发电、轨道车辆、航空航天及军工等 领域。由于设计、制造、安装和使用过程中的种种因 素会产生各种故障，如滚珠( 或滚柱) 滚道点蚀磨损导 致间隙增大、无油干摩擦、保持架碎裂、滚珠( 或滚柱) 滚道严重磨损并出现凹坑、金属结构出现裂纹和断齿 等［1-2］，这些将导致机器剧烈振动并产生噪声，甚至会 引起设备的损坏。因此，对回转支承进行监测与故障 诊断具有非常重要的意义。 1 回转支承的故障监测诊断技术 根据故障监测和诊断技术机理的不同，回转支承 的故障监测诊断技术主要包括: 振动信号的故障监测 诊断、温度信号的故障监测诊断、摩擦力矩的故障监 测诊断、声发射故障监测诊断和应力波监测诊断等。 1． 1 振动信号的故障监测和诊断技术 故障回转支承元件的损伤点在运行过程中反复 冲击与之接触的其他元件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，可产生低频振动信 号，因此对于滚道疲劳剥落、磨损及滚珠破损、保持架 碎裂等故障形式可通过监测振动信号，从中提取有效 的故障信息。对于振动信号的分析包括: 时域分析、 频域分析和时频域分析。 1． 1． 1 振动信号的时域分析 在振动信号的时域分析中，一些特征参数随着故 障的性质及严重程度不同而发生变化，因此可通过特 征参数法提取故障信息。有量纲参数指标主要有均 值、峰值、有效值和方根幅等;无量纲参数指标主要有 峰值因子、峭度因子、波形因子、脉冲因子和裕度因子 721 * 安徽省科技攻关项目( 0801020115) ;江苏省教育厅产业化推进项目( JH09-12) 2011 年第 11 期 现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering) 等。有量纲特征参数随着故障的发展而增大，且与回 转支承运行工况相关，运用时需考虑工况条件，而无 量纲特征参数对轴承故障足够敏感，基本上不受回转 支承型号、转速及载荷因素的影响，无须考虑相对标 准值。 特征参数法对早期阶段的故障较敏感，但对故障 的后期抗干扰性较差，易产生误判，所以需对振动信 号进行必要的预处理，并且采用多参数诊断法来提高 诊断的可靠性［3］。 1． 1． 2 振动信号的频域分析 通过时域分析可以判断回转支承是否出现故障， 若须判断故障的类型及故障所发生的部位等较精确 的信息，可对振动信号进行频谱分析。回转支承元件 通过损伤点产生的低频振动信号的周期与回转支承 转速及其结构尺寸有关，将采集到的信号通过傅里叶 变换得到频谱图，根据各元件的故障特征频率不同， 可以判断故障是来自回转支承内圈、外圈、滚动体还 是保持架［5］。 由于故障特征频率的能量较低，易被振动系统中其 他低频信号所淹没，随意直接对振动信号进行频率分析 的诊断效果不明显。而故障回转支承在运行过程中除 了产生含有故障特性频率低频成分外，还将产生冲击脉 冲力。由于脉冲力的频带很宽，包含回转支承各构件的 固有频率，所以会激起系统的高频固有振动，据此，唐德 尧［6］等人提出了基于共振解调技术的诊断方法。 共振解调法是把低频重复冲击信号变换为重复 出现的高频自由衰减振动，然后再变换成幅值和延续 时间均得到放大的低频信号进行诊断。共振解调法 中的关键步骤是带通滤波，而滤波器中心频率以及带 宽的选取在很大程度上决定了能否诊断成功。同时 在信噪比低、正常工况的宽频干扰信号幅值大的情况 下，共振解调法也无法有效识别故障特征频率。 1． 1． 3 振动信号的时频域分析 由于傅里叶变换是信号的全局变换，只适用于稳 态信号的分析。一般在恒定工况下和在不变环境下 运行的机械部件的振动信号是稳态的。除此之外，机 械振动信号几乎都属于非稳态的。非稳态信号一般 包含着比稳态振动信号更丰富的信息，可以反映更多 的系统特性［7］。非平稳信号的局部性能需要使用时 域和频域的二维联合表示，对这种信号的分析称为时 频信号分析。回转支承故障诊断中时频域分析主要 包括 Wigner 分布、小波变换 ( WT ) 、Hilbert-Huang Transform( HHT) 和 EEMD-MSPCA等方法。 对于非稳态信号的处理，HUANG E［8-10］于 1998 年提出 HHT 法。它主要包含两部分: 经验模型分解 ( Empirical mode decomposition，EMD) 和 Hilbert 变换。 EMD方法通过一种“筛”的过程将任意信号分解为若 干个本征模函数( Intrinsic Mode Function，IMF) 及一个 余项的和; 然后对 IMF 做 Hilbert 变换，得到信号的时 频分布。EMD具有自适应分解的特性，对非平稳信号 的处理具有较高的效率，但 EMD 依赖信号的局部极 值信息，当信号中存在“异常事件”( 包括间歇性成分、 脉冲干扰) 时，分解出的 IMF 通常为信号固有模式和 异常事件模式的混合。针对 EMD 局限性，WU Zhao- hua［11］等人又提出了改进方法———聚类经验模式分解 法( Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD ) 。 该方法引入了正态分布白噪声在 EMD 中具有的二阶 时间尺度分解特性及不同白噪声序列对应 IMFs 之间 的无关性。这为分析信号提供了均匀分布的分解尺 度，同时添加的白噪声平滑了脉冲干扰等异常事件， 更好地凸显真实信号特征。EEMD比 WT更适用于回 转支承局部缺陷信号的诊断。国内孟庆丰［12］等人将 HHT应用于具有内圈损伤和外圈损伤的滚动轴承诊 断中取得了较好的效果。 斯洛文尼亚卢布尔雅那大学 Matej vokelj，Samo Zupan［13］等人提出了一种针对回转支承振动诊断的新 方法“基于多尺度主元分析的聚类经验模式分解法” ( Ensemble Empirical Mode Decomposition-Based Multi- scale Principal Component Analysis，EEMD-MSPCA ) ， EEMD-MSPCA综合了 EEMD 自适应地把数据分解成 不同时间尺度和多尺度主元分析法的监测特性，这种 方法经实验证明对处理复杂而又具有较宽的动态范 围的非线性系统产生的非平稳信号较好，而且有较好 的去噪特性。 1． 2 温度信号的故障监测和诊断技术 回转支承在使用过程中由于缺油、少油或由故障 引起的碰撞和摩擦加剧等原因都会使温度升高。因 此回转支承的温度可在一定程度上反映其运行的状 态。回转支承的内部结构、各部件的物理特性、温度传 感器的安装位置和回转支承外部载荷条件及环境温度 都会影响回转支承温度场的分布状态［14］。因此在回转 支承的温度监测中，不同类型的回转支承应依据实际工 况条件设定相应的报警阈值。图 1 所示为南京工业大 学研制的回转支承实验台中各传感器测点的布置图，其 中: a为加速度传感器，Tor 为扭矩传感器，T 为温度传 感器。现场温度测试实物图如图 2 所示。图 3 所示为 821 刘志军，等:回转支承的故障监测诊断技术研究 2011 年第 11 期 一单排四点接触球式回转支承在加速寿命实验中用热 电偶测得的润滑脂的平均温度，由图 3 中可以看出，当 回转支承的旋转圈数在10 000转与20 000转之间时，润 滑脂温度上升趋缓，说明此阶段已达到热平衡状态，但 在 20 000转之后温度又急剧上升，结合实验后对回转支 承进行拆解分析，可以确定此阶段温度快速上升是由 于回转支承隔离块碎裂导致摩擦加剧，散热增大。 图 1 各测点布置图 图 2 现场温度测试实物图 图 3 实验中测得的润滑脂的平均温度曲线 1． 3 摩擦力矩的故障监测和诊断技术 回转支承摩擦力矩的大小决定了回转支承的功 率消耗和发热量的大小，是回转支承灵活性的一个重 图 4 现场摩擦力矩测试实物图 要性能参数。回转支 承摩擦力矩受众多因 素的影响，如结构、设 计、加工、摩擦、润滑 和使用工况等［15-16］。 当回转支承出现故 障，如滚动体破损、滚 道损坏时，将增大运 行阻力，摩擦力矩将 有明显的增加过程。 现场摩擦力矩测试实 物图如图 4 所示，图 5 所示为一单排四点 接触球式回转支承在 加速寿命实验中所测 得的平均力矩 M，在实验的初始阶段摩擦力矩稳步上 升，旋转圈数在10 000与20 000转之间时摩擦力矩趋于 稳定，最后阶段摩擦力矩迅速上升，结合实验后对回 转支承进行拆解分析，确定此阶段的摩擦力矩上升是 由于隔离块碎裂引起的。对于不同工况下回转支承 的摩擦力矩其报警阈值不同，需进行大量地实验 研究。 图 5 加速寿命实验中测得的平均力矩曲线 1． 4 声发射( AE) 故障诊断技术 声发射是材料受到外力或内力作用产生变形或 者裂纹扩展时，以弹性波的形式释放应变能的现象， 而采用仪器，监测、分析声发射信号和利用声发射信 号推断声发射源的技术为声发射检测技术［17-18］。声 发射与振动监测诊断相比，其优势在于声发射高频特 性不受机械振动及噪声的干扰，当回转支承出现微小 921 2011 年第 11 期 现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering) 的裂纹不足以引起明显的振动时，声发射信号已经比 较明显，因此预报故障的时间较早［19］。声发射信号包 括突发型和连续型两种。当故障为元件的剥落和裂 纹时，产生的声发射信号为突发型; 而润滑不足或表 面胶合时，产生的声发射信号则是连续型［20］。对于声 发射信号的处理主要包括参数分析和波形分析法。 北京理工大学理化［19］等人利用声发射信号的参 数分析方法对轴承进行了一系列地研究。国外 Tava- koli等人对声发射信号各单元段的 RMS 值进行包络 和 FFT 分析，成功提取了外圈和内圈故障特征频 率［21］。声发射监测诊断法简便、快捷，但是由于高频 声发射信号传播过程的快速衰减特性，往往使声发射 传感器不能拾取到有效的故障信号，因此应用受到一 定地限制［18］。 1． 5 应力波监测诊断技术 应力波与声发射现象不同，当低速机械载荷稳 定、部件表面所受应力达到材料强度时将产生细微裂 缝，为保持能量守恒，部件将会由高能态转换为低能 态，在此过程中将产生应力波。应力波是指完全失效 组件之间的摩擦作用引起的表面波，是由金属间的摩 擦和磨损产物的运动引起的，当结构内部损伤引起应 力集中、裂纹扩展等都会引起应力波的散射和能量吸 收［22］。应力波以瑞利波的形式传播，适用于回转支承 诊断。由于应力波传播过程中纵波的衰减速率较横 波衰减速率小，因此一般回转支承应力波的监测选择 纵波模式，而且所选择的应力波传感器须对纵波的响 应灵敏度高，以消除横波的影响［23］。在实际应力波发 射过程中伴有大量噪声，如不注意处理噪声，将影响 诊断的效果。 陈长征［22］等人分别应用傅里叶变换、小波分析对 应力波信号进行分析，得出运用 Db10 小波处理应力 波信号能成功提取出滚动体故障特征频率。此外也 有研究表明利用 PeakVue 高级专利数据技术对应力 波信号进行处理也有较好的效果［24］。 2 各种监测诊断技术的比较 在回转支承监测诊断技术中，基于振动信号的诊 断技术适用于滚道疲劳剥落、磨损及滚珠破损、保持 架碎裂等故障形式。对于从振动信号中提取故障特 征频率，HHT法的优势在于: HHT 运用具有自适应的 分解特性 EEMD分解，相比 WT 法更适用于回转支承 局部缺陷信号的诊断。而基于声发射的监测诊断技 术的优势在于不受系统振动及噪声的影响、预警时间 早，但需高采样率( MHz级) 及较长的采集样本［13］，且 高频声发射瞬态衰减特性也影响了诊断效果。而基 于应力波检测诊断技术，根据所发射的应力波特点和 诱发应力波发射的外部条件，不仅可以了解缺陷的目 前状态和缺陷的形成历史，也能预测实际使用条件下 的扩展趋势。基于温度的监测诊断技术适用于回转 支承缺少润滑脂，或者滚动体破损、保持架碎裂等故 障形式，而基于摩擦力矩的监测诊断技术适用于回转 支承滚动体破损、保持架碎裂等故障形式，由于与工 况一致的报警阈值难以确定，这两种方法只能起到辅 助的诊断作用。 3 发展趋势 随着故障诊断理论及计算机技术、信号处理技术 的深入发展，大量的科研成果将被应用到回转支承的 故障监测与诊断中。在不久的将来，用于回转支承故 障监测和诊断的共振解调法、小波分析法和经验模式 分解法等技术将进一步完善，专家系统和人工神经网 络技术等综合型的故障智能监测和诊断系统也将被 应用于回转支承故障诊断中。而将多种信息、多种诊 断方法融合到一起的集成故障诊断研究，实现混合智 能多传感器信息的融合故障诊断技术将以其良好的 稳定性、宽阔的时空覆盖区域及较强的故障容错能力 等优势，成为回转支承故障监测诊断研究的重点。 参 考 文 献: ［1］ 龚群协，刘稚钧，李华彪．大型回转支承振动诊断技术应 用研究［J］．噪声与振动控制，2003( 4) : 39 － 42． ［2］ 侯宁，梁伟民．回转支承早期断齿分析及解决措施［J］． 建筑机械，2002 ( 7) : 58 － 59． ［3］ 李兴林，张仰平，曹茂来，等． 滚动轴承故障监测诊断技 术应用进展［J］．工程与实验，2009( 4) : 1 － 5． ［4］ 王志刚，李友荣． 振动信号分析法用于回转支承的故障 诊断［J］．工程机械，2002( 6) : 33 － 35． ［5］ 曾祥超．回转支承试验台测试系统开发［D］． 南京:南京 工业大学，2009． ［6］ 唐德尧，王平．共振解调技术在设备诊断与维护中的应 用［J］．制造业设计技术，2000( 5) : 44 － 45． ［7］ 朱继梅．非稳态信号分析［J］．振动与冲击，2000( 1) :86 －87． ［8］ HUANG E，SHEN Zheng ，Long S ，et al． The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Non-linear and Non-Stationary Time Series Analysis［J］． Proceedings of the Royal Society of London ( Series A) ，1998，454( 4) ． ［9］ 李海涛，王成国，许跃生，等．基于 EEMD 的轨道-车辆系 统垂向动力学的时频分析［J］．中国铁道科学，2007( 5) ． 031 刘志军，等:回转支承的故障监测诊断技术研究 2011 年第 11 期 ［10］ 曹冲锋，杨世锡，杨将新．大型旋转机械非平稳振动信号 的 EEMD降噪方法［J］．振动与冲击，2009 ，28( 9) ． ［11］ WU Zhaohua，HUANG E． Ensemble Empirical Mode De- composition—A Noise-Assisted Data Analysis Method［R］． Calverton : Center for Ocean2 Land2 Atmosphere Studies， 2005． ［12］ 高强，杜小山，范虹，等．滚动轴承的 EMD诊断方法研究 ［J］．振动工程学报，2007，20( 1) : 15 － 18． ［13］ Matej vokelj，Samo Zupan，Ivan Prebil． Multivariate and multiscale monitoring of large-size low-speed bearings using Ensemble Empirical Mode Decomposition method combined with Principal Component Analysis［J］． Mechanical Sys- tems and Signal Processing，2010( 24) : 1049 － 1067． ［14］ 宁练，周孑民．滚动轴承内部温度状态检测技术［J］．轴 承，2007( 2) : 25 － 27． ［15］ 李建华，邓四二，马纯民．陀螺仪框架灵敏轴承摩擦力矩 影响因素分析［J］．轴承，2006( 7) : 4 － 7． ［16］ 王振华．实用轴承手册［M］．上海:上海科学技术文献出 版社，1990． ［17］ 郭华．基于 PCI总线的虚拟超声探伤仪的实现［M］．南 京:南京航空航天大学出版社，2002． ［18］ 郝如江，卢文秀，褚福磊．声发射监测技术用于滚动轴承 故障诊断的研究综述［J］．振动与冲击，2008，27( 3) ． ［19］ 理化，徐春广，肖定国，等．滚动轴承声发射技术［J］．轴 承，2002( 7) : 24 － 26． ［20］ 李凤英，沈玉娣，熊军．滚动轴承故障的声发射检测技术 ［J］．无损检测，2005( 11) : 583 － 586． ［21］ Tavakoli． Massouds Bearing fault detection in the acoustic emission frequency range［C］． Proceedings of the 11 th Na- tional conference on noise control engineering，Tarrytown， NY，United States 1991: 79 － 86． ［22］ 陈长征，孙长城．基于应力波的低速滚动轴承故障诊断 新方法研究［J］．机械强度，2007，29( 6) : 885 － 890． ［23］ 孙长城．基于应力波和小波分析的低速旋转机械故障 诊断研究［D］．沈阳:沈阳工业大学，2006． ［24］ 高景俊，孔胜军． PeakVue高级专利数据技术在轴承故障诊 断中的应用［J］．中国设备工程，2007( 11) :53 －54． 作者简介:刘志军，硕士研究生，主要研究方向为回转支承的在线监测 与故障诊断。 E-mail: liuzhijunnjut@ yahoo． com． cn 收稿日期: 2010-06-25 ( 上接第 111 页) 活塞头部和裙部的特征点编号如图 6 所示。 图 6 活塞头部和裙部的特征部位编号 5 结语 采用光弹应力试验进行活塞应力变形分析能够 达到改进产品的目的。相比制作真实零件及装机试 验来选择改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，可以节省大量的人力、物力和 时间。 以线弹性有限元法为理论依据，在综合分析发动 机活塞机械负荷的基础上，提出了活塞进行机械应力 应变计算的机械边界条件。 计算结果与试验结果较好地吻合，为活塞热应 力、耦合应力的分析打下了基础，为活塞的优化提供 了可靠依据。 活塞最大机械应力值为 48MPa，与共晶硅铝合金 的强度极限 196MPa相比有较大的强度储备。 参 考 文 献: ［1］ 程前，廖世勇，杨贵恒，等． 小型高速汽油机活塞的计算 分析和结构设计［J］．小型内燃机，1998，27( 5) ． ［2］ 孙秀永，王立军，宋建龙，等． CA488 系列发动机耐久性能 的提高［J］．汽车技术，2001( 2) ． ［3］ 陆际清． 汽车发动机设计［M］． 北京: 清华大学出版 社，1993． 作者简介:吴喜骊，副教授，工学硕士，研究方向: 发动机设计、CAD /CAE 技术。 E-mail: wuxiliwxl@ 163． com 收稿日期: 2011-03-04 131