診斷滾動(dòng)元件軸承故障時(shí)須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

 

低噪聲和足夠高的分辨率對(duì)于早期軸承缺陷檢測(cè)至關(guān)重要。在缺陷剛剛出現(xiàn)時(shí)，缺陷特征的幅度通常很低。由于設(shè)計(jì)容差，軸承固有的機(jī)械滑動(dòng)會(huì)將幅度信息傳播到軸承頻率響應(yīng)中的多個(gè)倉(cāng)，從而進(jìn)一步降低振動(dòng)幅度，因此要求低噪聲以便較早地檢測(cè)到信號(hào)。

 

帶寬對(duì)于軸承缺陷的早期檢測(cè)至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)期間，每次撞擊缺陷時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生包含高頻內(nèi)容的脈沖（參見圖7）。對(duì)軸承缺陷頻率（而非旋轉(zhuǎn)速率）的諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)這些早期故障。由于軸承缺陷頻率與旋轉(zhuǎn)速率之間的關(guān)系，這些早期特征可以在數(shù)千赫茲范圍內(nèi)出現(xiàn)，并延伸到10 kHz到20 kHz范圍之外。即使是低速設(shè)備，軸承缺陷的固有性質(zhì)也要求較寬帶寬以便及早檢測(cè)到缺陷，避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲（會(huì)影響較低頻段）的影響。

 

動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于軸承缺陷監(jiān)測(cè)也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載和缺陷可能影響系統(tǒng)所經(jīng)受的振動(dòng)。負(fù)載增加會(huì)導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷也會(huì)產(chǎn)生沖擊，激發(fā)結(jié)構(gòu)諧振，放大系統(tǒng)和傳感器所經(jīng)受的振動(dòng)。隨著機(jī)器在停止/啟動(dòng)情況下或正常運(yùn)行期間的速度上升和下降，變化的速度會(huì)為系統(tǒng)諧振激發(fā)創(chuàng)造潛在的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致更高幅度的振動(dòng)4。傳感器的飽和可能導(dǎo)致信息丟失、誤診斷，在某些技術(shù)的情況下甚至?xí)p壞傳感器元件。

 

圖6.軸承缺陷頻率取決于軸承類型、幾何形狀和旋轉(zhuǎn)速率。

 

圖7.諸如包絡(luò)檢測(cè)之類的技術(shù)可以從寬帶寬振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取軸承早期缺陷特征。

 

齒輪缺陷

 

什么是齒輪缺陷，什么原因?qū)е慢X輪缺陷？

 

齒輪故障通常發(fā)生在齒輪機(jī)構(gòu)的齒節(jié)中，原因有疲勞、剝落或點(diǎn)蝕等。其表現(xiàn)為齒根出現(xiàn)裂縫或齒面上有金屬被削除。造成的原因有磨損、過載、潤(rùn)滑不良和齒隙，偶爾也會(huì)因?yàn)榘惭b不當(dāng)或制造缺陷而引起5。

 

為什么齒輪故障是一個(gè)問題？

 

齒輪是許多工業(yè)應(yīng)用中動(dòng)力傳遞的主要元件，承受著相當(dāng)大的應(yīng)力和載荷。齒輪的健康狀況對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。可再生能源領(lǐng)域有一個(gè)眾所周知的例子，造成風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)（以及相應(yīng)的收入流失）的最大因素是主動(dòng)力系統(tǒng)中多級(jí)齒輪箱的失效5。類似的考量也適用于工業(yè)應(yīng)用。

 

如何檢測(cè)和診斷齒輪故障？

 

由于難以將振動(dòng)傳感器安裝在故障附近，以及系統(tǒng)內(nèi)多種機(jī)械激勵(lì)引起的相當(dāng)大背景噪聲的存在，齒輪故障的檢測(cè)很棘手。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可能有多個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率6。因此，檢測(cè)齒輪故障可能要采用多種互補(bǔ)的方法，包括聲發(fā)射分析、電流特征分析和油渣分析。

 

在振動(dòng)分析方面，加速度計(jì)通常安裝在齒輪箱殼體上，主要振動(dòng)模式是軸向振動(dòng)7。健康齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)特征的頻率是所謂齒輪嚙合頻率，等于軸頻率和齒輪齒數(shù)的乘積。通常還存在一些與制造和組裝容差相關(guān)的調(diào)制邊帶。健康齒輪的這些情況如圖8所示。當(dāng)發(fā)生齒裂紋之類的局部故障時(shí)，每次旋轉(zhuǎn)中的振動(dòng)信號(hào)將包括系統(tǒng)對(duì)相對(duì)低能級(jí)的短時(shí)沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是低幅度寬帶信號(hào)，一般被認(rèn)為是非周期性和非靜態(tài)的7,8。

 

圖8.健康齒輪的頻譜，曲軸轉(zhuǎn)速為~1000 rpm，齒輪轉(zhuǎn)速為~290 rpm，齒輪齒數(shù)為24。

 

由于這些特性，僅憑標(biāo)準(zhǔn)頻域技術(shù)并不能精確識(shí)別齒輪故障。由于沖擊能量包含在邊帶調(diào)制中，其中還可能包含來自其他齒輪對(duì)和機(jī)械部件的能量，因此頻譜分析可能無法檢測(cè)早期齒輪故障。時(shí)域技術(shù)（例如時(shí)間同步平均）或混合域方法（例如子波分析和包絡(luò)解調(diào)）一般更合適9。

 

診斷齒輪故障時(shí)須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

 

一般來說，寬帶寬對(duì)齒輪故障檢測(cè)非常重要，因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中是乘數(shù)。即使對(duì)于相對(duì)低速的系統(tǒng)，所需的檢測(cè)頻率范圍也會(huì)快速上升到數(shù)kHz區(qū)域。此外，局部故障進(jìn)一步擴(kuò)展了帶寬要求。

 

出于多種原因，分辨率和低噪聲極其關(guān)鍵。將振動(dòng)傳感器安裝在特定故障區(qū)域附近是很困難的，這意味著機(jī)械系統(tǒng)可能會(huì)使振動(dòng)信號(hào)發(fā)生較高程度的衰減，因此能夠檢測(cè)低能量信號(hào)至關(guān)重要。此外，由于信號(hào)不是靜態(tài)周期信號(hào)，因此不能依賴于從高本底噪聲中提取低幅度信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)FFT技術(shù)，傳感器本身的本底噪聲必須很低。在混合了不同元件的多個(gè)振動(dòng)特征的齒輪箱環(huán)境中尤其如此。除了這些考慮因素之外，早期檢測(cè)的重要性不僅僅是出于資產(chǎn)保護(hù)的原因，還出于信號(hào)調(diào)理的原因。已經(jīng)證明，單齒斷裂故障的情況與兩個(gè)或更多齒斷裂的故障情況相比，前者的振動(dòng)嚴(yán)重程度可能更高，這意味著在早期進(jìn)行檢測(cè)可能相對(duì)更容易。

 

結(jié) 語

 

雖然常見，但不平衡、未對(duì)準(zhǔn)、滾動(dòng)元件軸承缺陷和齒輪齒節(jié)故障只是高性能振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)和診斷的許多故障類型中的幾種。更高傳感器性能與適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級(jí)考量相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)新一代狀態(tài)監(jiān)控解決方案，讓人們更深入了解各種工業(yè)設(shè)備和應(yīng)用的機(jī)械運(yùn)作。這些解決方案將改變維護(hù)的執(zhí)行方式和機(jī)器的運(yùn)行方式，最終減少停機(jī)時(shí)間，提高效率，并使下一代設(shè)備具備新能力。

 

 

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