李濤 張為

摘 要：本文主要針對(duì)礦用軸承失效分析和故障診斷展開(kāi)研究，先簡(jiǎn)要分析礦用軸承的使用工況，然后對(duì)礦用軸承的失效形式及故障表征分別進(jìn)行了闡述，最后在礦用軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，詳細(xì)論述了測(cè)量裝置、測(cè)點(diǎn)布置、振動(dòng)分析與故障診斷等內(nèi)容，旨在不斷提高礦用軸承的故障診斷水平，有效應(yīng)對(duì)礦用軸承失效問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：礦用軸承;失效分析;故障診斷辦法

現(xiàn)階段，設(shè)備制造企業(yè)和使用企業(yè)，對(duì)于礦山采掘設(shè)備的可靠性予以了高度重視，這已經(jīng)成為了企業(yè)內(nèi)部設(shè)備管理部門(mén)共同關(guān)注的話題之一。在機(jī)械設(shè)備的支承單元中，軸承發(fā)揮著重要的作用，加強(qiáng)軸承的可靠性是重中之重。一般來(lái)說(shuō)，礦用設(shè)備的工作環(huán)境并不是十分理想化，由于軸承失效，極容易導(dǎo)致設(shè)備故障問(wèn)題的出現(xiàn)。軸承的設(shè)計(jì)、安裝以及使用等，極容易導(dǎo)致軸承失效現(xiàn)象，所以在使用方面，要對(duì)軸承的工作狀態(tài)進(jìn)行深入預(yù)測(cè)、分析，不斷提高礦山正常運(yùn)作水平。

一、礦用軸承的使用工況分析

一般來(lái)說(shuō)，礦用軸承的使用工況并不理想，對(duì)其表現(xiàn)進(jìn)行分析，首先，現(xiàn)場(chǎng)空間比較有限，煤礦機(jī)械機(jī)構(gòu)比較緊湊化，礦山設(shè)備不僅本體較大，自重較高，其作業(yè)處理量也比較大，進(jìn)而增加軸承負(fù)荷。其次，采廠或礦井內(nèi)部工作條件具有高度的復(fù)雜性和多變性，軸承的負(fù)荷變化極其顯著。再次，礦山機(jī)械重負(fù)荷，如果工況處于中速運(yùn)轉(zhuǎn)下[1]，軸承受到啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)的沖擊負(fù)荷比較常見(jiàn)。

二、礦用軸承的失效形式及故障表征

（一）失效形式

首先，工況環(huán)境的惡劣現(xiàn)象比較嚴(yán)峻，對(duì)于粉塵等微小顆粒，一旦進(jìn)入軸承內(nèi)，極容易導(dǎo)致失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。其次，潤(rùn)滑不良。由于潤(rùn)滑劑老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，在滾動(dòng)體和滾道之間，潤(rùn)滑油膜的完整性不足，這對(duì)于金屬表面的直接接觸產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，使表面磨損程度越來(lái)越顯著，而且在接觸表面，裂紋或微小碎片已經(jīng)形成[2]，這也是軸承失效的原因之一。最后，材料疲勞。在軸承承受循環(huán)應(yīng)力的影響下，由于運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，在滾動(dòng)體和軸承溝道表面，點(diǎn)蝕和剝落已經(jīng)出現(xiàn)，所以加劇軸承失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（二）故障表征

對(duì)上述軸承失效形式進(jìn)行分析，對(duì)于軸承失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，極容易損傷到其溝道表面，導(dǎo)致在軸承運(yùn)行過(guò)程中，加劇滾動(dòng)體和溝道表面間的沖擊的發(fā)生，導(dǎo)致軸承的振動(dòng)越來(lái)越顯著，所以軸承振動(dòng)的大小，可以對(duì)軸承故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。軸承振動(dòng)的測(cè)量，可以避免對(duì)設(shè)備正常工作造成影響，所以在軸承故障監(jiān)測(cè)中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。以某行星齒輪減速器裝置在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)嶋H使用中出現(xiàn)故障，拆解后顯示輸出裝置行星輪中一行軸承發(fā)生損壞，另一行兩盤(pán)軸承均表現(xiàn)出不同程度上的損壞情況，致使大內(nèi)齒圈輪齒以及行星輪出現(xiàn)相應(yīng)損壞。通過(guò)對(duì)損壞軸承零件化學(xué)成分、金相組織以及硬度進(jìn)行分析的方式，可以得到有關(guān)軸承失效原因的具體結(jié)論：發(fā)生斷裂的外圈滾道表面存在擠壓痕跡，表面有明顯的圓周向加工刀紋，這一特性說(shuō)明外圈滾道表面相對(duì)粗糙，表面波谷明顯，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)得就好比裂紋或者尖角缺口，對(duì)應(yīng)力集中呈現(xiàn)出了較高的敏感性，會(huì)導(dǎo)致其與滾子圓柱表面的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)出的明顯的增大趨勢(shì)，最終對(duì)軸承部件的使用壽命以及具體性能產(chǎn)生不良影響，在導(dǎo)致軸承早期失效方面扮演著非常重要的角色。而從硬度上來(lái)說(shuō)，使用過(guò)的軸承部件外圈、內(nèi)圈以及尚未出現(xiàn)破損情況的滾子在硬度值表現(xiàn)方面均符合滾動(dòng)軸承零件的硬度要求，低倍熱酸浸試驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)圈、外圈鋼中存在枝晶偏析，滾子鋼中存在中心帶狀偏析，偏析超標(biāo)，影響軸承鋼的力學(xué)性能，對(duì)熱處理及加工工藝也有影響。除此以外，在諸多對(duì)軸承零件使用壽命長(zhǎng)短以及機(jī)械性能水平產(chǎn)生影響的因素當(dāng)中，非金屬夾雜物、碳化物、以及偏析的具體形態(tài)、分布情況發(fā)揮著非常重要的決定作用。對(duì)于軸承部件而言，圓柱滾子是以線接觸的形式參與服役運(yùn)行，所承受接觸應(yīng)力水平高，滾子圓柱表面任一點(diǎn)均可能作為工作點(diǎn)，對(duì)偏析、非金屬夾雜物和碳化物的形態(tài)及分布均勻性有著更為嚴(yán)格的要求;受損滾子內(nèi)部有中心帶狀偏析缺陷，鋼中C類(lèi)夾雜級(jí)別與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，受損滾子網(wǎng)狀碳化物大于3.0級(jí)與標(biāo)準(zhǔn)要求不符;偏析與非金屬夾雜物、網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)，是軸承滾子失效的主要因素。從上述分析中，可以對(duì)行星齒輪減速器裝置軸承部件失效的原因以及具體表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)：首先，軸承部件外圈、內(nèi)圈以及滾子硬度均符合鋼滾動(dòng)軸承在零件硬度方面的具體要求;其次，軸承部件外圈滾道表面有明顯的加工刀紋，且呈圓周狀分布，表面粗糙程度高，導(dǎo)致其與滾子圓柱表面的接觸應(yīng)力高，直接導(dǎo)致了軸承部件的早起失效;最后，軸承滾子鋼中偏析、網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)以及非金屬夾雜物的存在是導(dǎo)致軸承滾子部件發(fā)生失效的主要原因。

三、礦用軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)

（一）測(cè)量裝置

簡(jiǎn)易振動(dòng)傳感器和精密振動(dòng)傳感器，是振動(dòng)傳感器的重要構(gòu)成內(nèi)容，首先，對(duì)于簡(jiǎn)易振動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，其監(jiān)測(cè)參數(shù)主要以設(shè)備振動(dòng)量為主，對(duì)振動(dòng)值大小進(jìn)行分析，為設(shè)備是否正常的判斷提供一定的依據(jù)。在監(jiān)測(cè)設(shè)備后，所獲得的振動(dòng)信號(hào)具有一定的規(guī)律性，通過(guò)其分析，可以有效檢測(cè)和診斷設(shè)備的故障問(wèn)題。對(duì)這種方法進(jìn)行分析，具有廣闊的覆蓋范圍，數(shù)據(jù)采集密度較為明顯，而且沒(méi)有對(duì)儀器配置和技術(shù)水平提出較高的要求，在儀器配置中，測(cè)振筆比較常見(jiàn)。

其次，對(duì)于精密振動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，可以對(duì)故障性質(zhì)和振動(dòng)部件等進(jìn)行判斷，并確保設(shè)備故障排除方法的高度有效性。精密診斷，在少量關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測(cè)中具有較高的適用性，而且還可以有效分析和診斷異常的設(shè)備。精密振動(dòng)傳感器，其頻率采集范圍比較寬，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍比較大，同時(shí)有助于將數(shù)據(jù)處理能力提升上來(lái)，其精度性和可靠性已經(jīng)得到了充分發(fā)揮。

（二）測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)軸承振動(dòng)進(jìn)行分析，其產(chǎn)生主要體現(xiàn)在滾動(dòng)體和溝道的沖擊方面，其傳播方向與軸承的徑向方向相一致。所以在布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)過(guò)程中，要做到：第一，在軸承、軸承座的位置處，應(yīng)合理布置測(cè)點(diǎn)。第二，測(cè)點(diǎn)應(yīng)與布置在軸承的負(fù)載區(qū)保持較近的距離。第三，測(cè)點(diǎn)要對(duì)沖擊波能直線傳播到的位置予以優(yōu)先選擇。合理控制好軸承到測(cè)點(diǎn)的距離，滿足短、直要求，避免與零件間多界面及空腔部位保持較近的距離。第四，要想不斷提高軸承的振動(dòng)的監(jiān)測(cè)全面性[3]，測(cè)量工作要在3個(gè)相互垂直的方向上來(lái)進(jìn)行。在水平安裝的設(shè)備方面，水平和垂直方向得到了廣泛應(yīng)用，而且在補(bǔ)充方面，軸向測(cè)量比較適用。針對(duì)垂直或傾斜的設(shè)備，往往沿著彈性軸的方向進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)徑向方向進(jìn)行測(cè)量。

（三）振動(dòng)分析與故障診斷

1.振動(dòng)速度有效值

基于額定工況條件，設(shè)備的振動(dòng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)在10個(gè)以上，時(shí)間跨度也應(yīng)在30天以上，并對(duì)其平均值進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)作為振動(dòng)值。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求限制，如下表所示，在選種相應(yīng)的限值后，為該設(shè)備的振動(dòng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)提供保證。在設(shè)備維修的影響下，振動(dòng)情況的變化極其顯著，這時(shí)要加強(qiáng)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的重新構(gòu)建。

2.加速度包絡(luò)

在軸承運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行分析，極容易導(dǎo)致軸承套圈的出現(xiàn)，加強(qiáng)共振解調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)引發(fā)軸承座共振的沖擊信號(hào)進(jìn)行求解，該沖擊信號(hào)，在軸承的初期失效方面得到了廣泛應(yīng)用，并為早期預(yù)警分析提供一定的幫助，及時(shí)將問(wèn)題進(jìn)行排除。對(duì)加速度包絡(luò)值趨勢(shì)進(jìn)行分析[4]，可以確保軸承的故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。由于軸承外圈缺陷的出現(xiàn)，某膠帶減速機(jī)具有明顯的加速度包絡(luò)頻譜故障特征。在維修后，加速度包絡(luò)趨勢(shì)并不是特別顯著，在運(yùn)行時(shí)間不斷增加的影響下，加速度包絡(luò)值越來(lái)越大。下圖為維修后加速度包絡(luò)值趨勢(shì)：

（四）加強(qiáng)BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在機(jī)械故障診斷技術(shù)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的應(yīng)用價(jià)值，也就是借助對(duì)機(jī)械故障信息的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，然后對(duì)分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接權(quán)值進(jìn)行應(yīng)用，從而將學(xué)習(xí)的故障診斷知識(shí)進(jìn)行表達(dá)。因此，該方法的故障模式的聯(lián)想記憶優(yōu)勢(shì)顯著，而且模式匹配和相似歸納能力較高，可以給予故障與征兆之間的非線性映射關(guān)系一定的保障。對(duì)軸承故障診斷要求進(jìn)行分析，加強(qiáng)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建，在該系統(tǒng)的診斷步驟中，可以有效采集故障信息，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本集的構(gòu)建。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在礦用軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，振動(dòng)監(jiān)測(cè)發(fā)揮著重要的作用，而且振動(dòng)監(jiān)測(cè)，有助于不斷提高故障診斷水平。加速度包絡(luò)頻譜技術(shù)，可以將軸承故障診斷的準(zhǔn)確性提升上來(lái)，加速度包絡(luò)趨勢(shì)分析，也可以對(duì)軸承的工作狀態(tài)予以反映，將二者結(jié)合在一起，可以更好地識(shí)別和預(yù)測(cè)軸承故障。本文上述分析中嘗試圍繞礦用軸承失效分析和故障診斷展開(kāi)研究，對(duì)礦用軸承的失效形式及故障表征分別進(jìn)行了闡述，并結(jié)合某行星齒輪減速器裝置軸承故障表現(xiàn)對(duì)失效原因進(jìn)行概括與總結(jié)，最后在礦用軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，詳細(xì)論述了測(cè)量裝置、測(cè)點(diǎn)布置、振動(dòng)分析與故障診斷等內(nèi)容，對(duì)于礦用軸承故障診斷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有重要意義。

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