汪超,張鍵
(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 武漢 430080)
在軋鋼生產(chǎn)線上,由于軋件溫度不均勻,運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等因素,給生產(chǎn)線上的機(jī)械設(shè)備造成大量的沖擊載荷,過載情況頻繁發(fā)生,其中軸承故障成為高發(fā)性故障。因?yàn)榇嬖趶?qiáng)烈的振動(dòng),軸承故障的特征頻率在頻譜圖中常常被淹沒在許多強(qiáng)振信號(hào)中,造成識(shí)別困難。根據(jù)安排檢修計(jì)劃及檢修作業(yè)的需要,軸承故障識(shí)別應(yīng)達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別故障部位和故障程度的目標(biāo)。
近幾年來,在機(jī)械設(shè)備的故障診斷工作中,嘗試采用自相關(guān)函數(shù)圖像來判斷冶金企業(yè)中軋鋼設(shè)備用滾動(dòng)軸承的早、中期故障,取得了比較滿意的效果,診斷的準(zhǔn)確率高于80%。而對(duì)于軸承晚期故障,由于軸承通常已經(jīng)散架,故障特征混亂且不明顯,還需要利用頻譜分析圖像才能確診。
在信號(hào)分析領(lǐng)域,自相關(guān)函數(shù)定義為信號(hào)與自身延遲τ時(shí)刻信號(hào)的卷積,即
Rf(τ)=f(τ)*f*(-τ),
式中:Rf(τ)為τ時(shí)刻的自相關(guān)函數(shù);τ為延遲時(shí)間;f(τ)為τ時(shí)刻信號(hào)函數(shù);f*(-τ)為f(τ)關(guān)于0時(shí)刻鏡像的信號(hào)函數(shù)。
(1)連續(xù)性信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為偶函數(shù),具有對(duì)稱性。
(2)連續(xù)性信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的峰值在原點(diǎn)(τ=0)處。
(3)周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然保留信號(hào)的周期特征。
(4)對(duì)均值為零且不含周期成分的“純”隨機(jī)信號(hào),當(dāng)τ足夠大時(shí),自相關(guān)函數(shù)趨于零。
(5)若隨機(jī)信號(hào)中含有常值分量,則自相關(guān)函數(shù)中含有常值分量 。
自相關(guān)函數(shù)的上述性質(zhì)為判斷設(shè)備的故障提供了理論依據(jù),使快速地判定滾動(dòng)軸承的故障成為可能。
以隨機(jī)信號(hào)為主體的自相關(guān)圖像如圖1所示,圖像表現(xiàn)為菱形,表明設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)以隨機(jī)信號(hào)為主體,包含的周期信號(hào)較微弱,沒有明顯的周期信號(hào)疊加現(xiàn)象,即設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)正常。
圖1 以隨機(jī)信號(hào)為主體的圖像
通常認(rèn)為機(jī)械設(shè)備屬恒速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備,或者在短時(shí)間(采樣時(shí)間)內(nèi)認(rèn)為是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備。設(shè)備正常狀態(tài)下的特征是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動(dòng)信號(hào)中所包含的周期成分相對(duì)隨機(jī)成分不占主導(dǎo)地位[1-2]。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)中某個(gè)零件出現(xiàn)故障,其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性必然下降,與該零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相關(guān)聯(lián)的周期性振動(dòng)增強(qiáng)[3],相應(yīng)地該零件的周期信號(hào)特征在自相關(guān)圖像上也會(huì)表現(xiàn)突出。
以周期信號(hào)為主體的自相關(guān)圖像如圖2所示,圖像表現(xiàn)出強(qiáng)烈的周期性特征。隨機(jī)信號(hào)的特征相對(duì)較弱,且表現(xiàn)出存在尖峰沖擊的特征[4],尖峰沖擊表明軸承已經(jīng)發(fā)生破損,必須及時(shí)安排更換。
圖2 以周期信號(hào)為主體的圖像
如圖3所示,圖像表現(xiàn)出了故障中期的特征,在隨機(jī)信號(hào)的特征基礎(chǔ)上疊加了周期信號(hào)(2個(gè))的特征??拷泓c(diǎn)的周期信號(hào),說明周期時(shí)間短,頻率比較高,通常是存在故障的滾動(dòng)軸承的特征頻率;離零點(diǎn)較遠(yuǎn)處的周期信號(hào),說明周期信號(hào)時(shí)間長(zhǎng),頻率比較小,是低頻的周期信號(hào),通常是故障軸承所在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率[5]。
圖3 故障中期的自相關(guān)函數(shù)
2.4.1 故障部位的判讀
以圖2為例,在基點(diǎn)(τ=0)任一方向找到第1個(gè)高點(diǎn),其與基點(diǎn)的時(shí)間距離即為故障信號(hào)的周期時(shí)間T,則故障信號(hào)的頻率為
由于周期時(shí)間T的讀數(shù)誤差較大,故障信號(hào)的頻率只作為一個(gè)重要的參考值,其物理對(duì)象為:(1)故障軸承所在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,即軸每轉(zhuǎn)1周故障沖擊發(fā)生1次;(2)故障軸承的特征頻率。
圖2中周期時(shí)間大約為0.08~0.09 s,轉(zhuǎn)換成頻率為11~12 Hz,對(duì)應(yīng)的是軸承內(nèi)圈的頻率,因?yàn)閮?nèi)圈與軸安裝在一起,該頻率應(yīng)該是某個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,因此故障軸承在這個(gè)軸上。
2.4.2 故障程度的判讀
故障程度依據(jù)周期信號(hào)的強(qiáng)度與隨機(jī)信號(hào)的強(qiáng)度之比。圖2中周期信號(hào)表現(xiàn)強(qiáng)烈,是已經(jīng)到達(dá)故障晚期的特征,必須盡早安排更換,以免故障擴(kuò)大化。圖3表現(xiàn)為故障中期的特征,設(shè)備還可以運(yùn)行較短時(shí)間,可以安排在最近的檢修計(jì)劃中處理,但要注意觀察故障的惡化速度。
實(shí)例取自某鋼鐵公司熱軋帶鋼廠1號(hào)卷取機(jī)的診斷報(bào)告。
如圖4所示,當(dāng)離合器向左移,Z21/Z74齒輪嚙合,卷取機(jī)大降速傳動(dòng);離合器向右移,Z38/Z57齒輪嚙合,卷取機(jī)小降速傳動(dòng)。
圖4 卷取機(jī)傳動(dòng)鏈圖
卷取機(jī)大減速機(jī)某時(shí)刻的時(shí)域波形及概率密度分布如圖5所示。時(shí)域波形可反映有無信號(hào)的周期特征、相鄰2個(gè)峰值的間隔時(shí)間t(與自相關(guān)函數(shù)振動(dòng)周期時(shí)間相同)和沖擊峰值的大??;概率密度曲線反映了采樣點(diǎn)(1 024點(diǎn))落在某一區(qū)間內(nèi)振動(dòng)幅值的數(shù)目。一般幅值范圍為-24~34 m/s2,圖中幅值0~3 m/s2和-3~0 m/s2內(nèi)所落數(shù)目不同,而且在0處,左右振幅數(shù)目不對(duì)稱,說明存在明顯的沖擊振動(dòng),初步判斷其存在故障隱患,但不能確定故障發(fā)生的位置。
圖5 卷取機(jī)大減速機(jī)時(shí)域波形及概率密度分布
卷取機(jī)大減速機(jī)的自相關(guān)圖像如圖6所示,反映了周期信號(hào)自相關(guān)的變化情況。有t=0.082 s的明顯等時(shí)間間隔,對(duì)應(yīng)故障頻率f=12.195 Hz,與I軸的軸頻(11.667 Hz)相近,且圖形明顯具有周期性特性,說明卷取機(jī)大減速機(jī)存在故障隱患。
圖6 卷取機(jī)減速機(jī)自相關(guān)函數(shù)圖像
卷取機(jī)大減速機(jī)幅值譜如圖7所示,卷取機(jī)大減速機(jī)I軸的轉(zhuǎn)頻(11.667 Hz)處幅值為0.401 m/s2,并伴有2~5倍I軸轉(zhuǎn)頻的高次諧波成分。這些高次諧波成分的出現(xiàn),說明軸承對(duì)I軸的定心約束已經(jīng)失效,即軸承已經(jīng)發(fā)生損傷。
圖7 1號(hào)卷取機(jī)幅值譜
由于自相關(guān)函數(shù)保留了信號(hào)的周期特征,圖中的尖峰性沖擊還不強(qiáng)烈。故障頻率接近軸的頻率,說明軸承內(nèi)圈出現(xiàn)故障,故障形式可能是內(nèi)圈點(diǎn)蝕或內(nèi)圈磨損較大與軸配合產(chǎn)生間隙。
綜上所述,自相關(guān)函數(shù)圖像可以在早期清晰地反映出軸承的故障,適用于低速重載軸承的故障監(jiān)測(cè)與診斷。但也存在一定的局限性,其只反映了信號(hào)的中低頻特征,不能清晰地表現(xiàn)齒輪嚙合頻率的周期特征。這是由于為了對(duì)低頻信號(hào)保持足夠的頻率分辨率,設(shè)備故障在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的采樣頻率往往不是很高,在一個(gè)齒輪嚙合振動(dòng)的周期中,采樣點(diǎn)數(shù)很少,造成自相關(guān)函數(shù)圖像的時(shí)間分辨率不足,從而無法表現(xiàn)出高頻信號(hào)的周期性特征[6],因此,仍需進(jìn)一步研究。