（机械电子工程专业论文）大型回转支承装置故障机理及故障诊断技术的研究.pdf

亟堡堡王奎堂堡兰堡堡塞 一 摘要 随着全球经济一体化的不断发展，我国内外贸易额不断增加，港口作为 国内外贸易的重要交通枢纽，其发展已成为国民经济发展中的重要部分。与 此相应地，港口起重机也出现了大型化、高速化地发展趋势，其关键零部件 工作性能的要求也越来越高。门座式起重机在港口起重设备中占有非常大的 比例，回转支承又是门座式起重机的重要部件，在门机的回转支承中滚动轴 承式回转支承又占有较大的比例，故本文对此类型轴承的故障机理以及故障 诊断的方法展开了研究。 由于振动分析是进行回转支承状态检测与故障诊断的重要手段，本文在 总结了回转支承常见的故障产生的原因基础上，归纳了几种主要的典型故障 形式，并对典型故障形式的振动信号的特征进行了分析。同时建立回转支承 故障振动模型，分析了不同部件相应故障的故障振动频率。根据回转支承振 动信号的特点。提出了选择小波基函数的原则，比较了多种小波基函数后选 择了能较好体现回转支承故障信息的小波基函数。并根据回转支承的受力及 运动特征选择了时域中的多个特征参数判断故障与否，并运用频域分析方法 初步对故障部位进行定位，最后应用小波分析等方法对信号进行精确的处理 来判断故障的部件以及故障程度。 本文第一章介绍了回转支承故障诊断研究意义、故障诊断现状以及大型 回转支承诊断过程中存在的问题；第二章介绍了回转支承的结构型式、运动 特征、典型故障形式，最后对回转支承几种典型故障机理进行了分析；第三 章对回转支承的振动机理进行了分析，并建立了回转支承故障引起的振动的 数学模型，并提出回转支承的故障特征频率；第图章对小波交换理论基础进 行了阐述，并对小波基函数的选择展开了研究；第五章针对回转支承的故障 振动信号的处理方法展开了研究；第六章介绍了回转支承故障诊断系统组 成，并对现场采集的数据进行分析并得出诊断结论。第七章对本文的工作进 行了总结与展望。 本文从不同侧面分析了回转支承的运行状态、故障发生程度以及故障发 展趋势，为科研人员更好地把握回转支承故障发生机理积累素材，为大型回 转支承使用提供科学的故障诊断手段，为企业的实际工作提供可靠的决策依 武汉理_ 大学硕士学位论文 据，同时也为理论的不断深化和完善创造条件，其研究成果具有明显的经济 效益和社会效益。 【关键词】大型回转支承测试技术信号处理小波分析故障诊断 l l 亟坚望王查兰基主堂焦堡苎一 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m i ci n t e g r a t i o n ，t h ei n t e r n a l a n de x t e r n a lv o l u m eo ft r a d eo fo u rc o u n t r yi si n c r e a s i n gc o n s t a n t l y ，p o r t a s d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li m p o r t a n th u b o fc o m m u n i c a t i o n so ft r a d e ，i t s d e v e l o p m e n tb e c o m ei m p o r t a n tp a r to f n a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta l r e a d y w i t ht h i s b e i n ga c c o r d i n g l y , p o r t h o i s t a p p e a rm a x i m i z a t i o n ，t a k et h ep l a c e d e v e l o p m e n tt r e n da tah i g hs p e e dt o o ，t h ed e m a n d f o ri t sw o r k i n gp e r f o r m a n c e o fk e ys p a r ep a r ti s h i g h e ra n dh i g h e r p o r t a l c r a n eo c c u p yh e a v yp r o p o r t i o n a m o n gt h ee q u i p m e n ti np o r t ，a n dl a r g e d i a m e t e ra n t i f r i c t i o nb e a r i n g t ob e p o r t a l c r a n ei m p o r t a n tp a r t ，s ot h i st e x tl a u n c hs t u d y i n gt ot h i st y p et r o u b l e m e c h a n i s ma n dm e t h o dt h a tt r o u b l ed i a g n o s e do f b e a r i n g s i n c ei ti st h ei m p o r t a n tm e a n st od i a g n o s ew i t ht h et r o u b l ei nv i b r a t i o n a n a l y s i so fl a r g e d i a m e t e ra n t i f r i c t i o nb e a r i n g ，t h i s t e x ti so nt h eb a s i so f s u m m a r i z i n g t h ec o m m o nr e a s o n e m e r g i n g i nt r o u b l eo f l a r g e d i a m e t e r a n t i f r i c t i o nb e a r i n g ，a n ds u m m e d u ps e v e r a lk i n d so f m a i n t y p i c a lt r o u b l ef o r m s t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev i b r a t i o ns i g n a lt ot h et y p i c a lt r o u b l ef o r mh a sa l s o b e e na n a l y s e d s e tu pt h ev i b r a t i o nm o d e lo ft h et r o u b l eo fl a r g e d i a m e t e r a n t i f r i c t i o n b e a r i n g a tt h es a m e t i m e ，a n da n a l y s e d t h et r o u b l ev i b r a t i o n f r e q u e n c yo ft h ec o r r e s p o n d i n gt r o u b l eo f d i f f e r e n tp a r t s ，a c c o r d i n gt ot u r n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fs u p p o r t i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a lr o u n d ，h a v ep u tf o r w a r dt h e p r i n c i p l eo fc h o o s i n g t h eb a s ef u n c t i o no f w a v e l e t ，w a v e l e tb a s em a n y k i n d so fi t c h o o s e st ob ec a nb e t t e rt os u p p o r tw a v e l e tb a s ef u n c t i o n ，t r o u b l ei n f o r m a t i o no f l a r g e d i a m e t e ra n t i f r i c t i o nb e a r i n gt o r e f l e c tb e h i n dt h ef u n c t i o n a n dj u d g e t h et r o u b l eo rn o ta c c o r d i n gt ot u r n i n gal o to fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si n s i d e t h ec o u n t r yw h e nb e e nc h o s e nb ys t r e n g t ha n ds p o r tc h a r a c t e r i s t i c s u p p o r t e d r o u n d ，u s i n gt h ea n a l y t i c a l m e t h o di nt h el a n df r e q u e n t l yw i l l c a r r yo nt h e l o c a l i z a t i o nt ot h et r o u b l ep o s i t i o nt e n t a t i v e l y , t h em e t h o do fu s i n gt h es m a l l w a v et oa n a l y s ef i n a l l ye t c c a r r i e so na c c u r a t ep r o c e s s i n gt oj u d g et h ep a r to f t h et r o u b l ea n dt r o u b l ed e g r e et ot h es i g n a l 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 t h i st e x th a sa n a l y s e df r o md i f f e r e n ts i d e st h a tt h ed e g r e ea n dt r o u b l e d e v e l o p m e n t t r e n dt a k ep l a c ei nl a r g e d i a m e t e ra n t i f r i c t i o nb e a r i n gw o k i n g ，i s i t s u p p o r tf o rs c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e l t oa c c u m u l a t et h em a t e r i a la n dt o r e c o g n i s eh o w m e c h a n i s mt r o u b l et a k ep l a c e ，o f f e rt h es c i e n t i f i ct r o u b l ef o rt h e f a c tt h a ta r g e 。d i a m e t e ra n t i f r i c t i o nb e a r i n g u s i n ga n dd i a g n o s et h em e a n s ，o f f e r t h er e l i a b l ed e c i s i o nb a s i sf o rr e a lw o r ko f e n t e r p r i s e s ，f o r t h ec o n s t a n t p r o m o t i o na n dp e r f e c t i n gt h ec o n d i t i o no fc r e a t i n go ft h et h e o r ya tt h es f l i n et i m e ， i t sr e s e a r c hr e s u l t sh a v eo b v i o u se c o n o m i cb e n e f i t sa n d s o c i a lb e n e f i t k e y w o r d ：l a r g e d i a m e t e ra n t i f r i c t i o n a n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m i v b e a r i n g ，t e s tt e c h n o l o g y ，s i g n a l t r o u b l e d i a g n o s i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国加入w t o ，我国国内外贸易额逐年递增，而港口作为国内外贸 易的重要交通运输枢纽，其发展已成为国民经济增长中的重要组成部分，这 就对港口装卸设备的管理工作提出了更高的要求。需要科学的管理和使用港 2 1 装卸设备，这样能节省大量的人力、物力、财力，同时也能提高港口工作 的安全性，因此我国大力推行设备状态监测与故障诊断技术促使设备的管理 工作科学化。 目前在我国各港口的装卸设备中，门座式起重机( 以下简称门机) 占有 较大的比重，并且在港口的装卸任务中具有举足轻重的作用，故其零部件的 故障与否以及是否能正常完成装卸任务十分重要。回转支承装置( 以下简称 大轴承) 是门机的重要部件，也是主要易损部件之一，它的运转状态良好与 否直接影响整台机器以致整个港口的作业，又直接关系到操作人员和生产设 各的安全，因此是整个门机系统的关键部位。两且由于拆装十分困难、维修 周期长、维修费用十分贵，所以对大轴承实行状态监测和早期预报，避免突 发性故障的发生和不必要的拆检，做到有计划有准备地进行维修，可取得很 大的经济效益和社会效益。 1 1 回转支承故障诊断技术的研究意义 在回转支承的运行过程中，由于存在故障而发生事故的现象是屡见不鲜 的。特别是工作过程中回转支承各部件受到挤压力或零部件磨损的作用，造 成其工作状态的不断变换导致其故障难以识别。回转支承的故障诊断就是通 过各种监测手段表现其运行状态，判别其工作是否正常。如果不正常，经过 分析与判断，指出发生了什么故障，便于管理人员维修。或者在故障未发生 之前，提出可能发生故障的预报，便于管理人员尽早采取措施，避免发生故 障，或避免发生重大故障，因而造成停机停产，给港口带来重大经济损失。 所以，回转支承故障诊断技术的研究有着重要的意义，具体体现在以下几点： ( 1 ) 对回转支承进行有效及时的故障诊断，可以提高科学的设各管理 水平。为了保证回转支承的无故障正常运行，一般需要采用必要的维修措旖。 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ 一 目前普遍采用的维修方式有：1 ) 事后维修：即待事故发生后再进行维修；2 ) 定期维修：即不管有无故障，按期进行拆卸或更换关键部件：3 ) 状态监测 维修：即不规定修理阃隔时间，而是根据对设备的监测与诊断，进行决策， 只有在有必要时才进行适当维修。 对于回转支承的维修，由于事后维修方式已经发生了故障，所以要花费 较大的费用来更换整个机构或损坏的零部件，更换的费用较高，因此这种维 修方式不能有效的对回转支承进行维修。定期维修是假定门机的回转支承的 各部件都具有相同的寿命，但实际上，由于运行情况、制造质量、工况、维 护水平及门机操作人员的技术水平的差异，每台设备的使用寿命不尽相同。 因此，定期维修也不能对回转支承进行有效的维修。状态监测维修，实际上 是故障诊断维修。它可以控制因过剩维修造成的费用上升，减少消耗与维修 量。同时又可以防止事故的发生，做到“随需而修”。而对回转支承的故障 进行准确的判断是状态监测维修的基础，所以对回转支承进行有效及时的故 障诊断，可以提高科学的设备管理水平。 ( 2 ) 可以避免重大事故的发生，减少事故的危害性。 对于机械设备，除了要进行同常维护保养外，还需了解设备的工作状态， 这在大型港口和起重机械设备中尤其重要，因为这种大型设备一旦发生故障 就会带来经济损失或对安全工作造成直接危害，国内某些港务公司、建筑公 司等多家单位因为回转支承的故障，致使整个装卸线停产停工，均造成了巨 大的财产损失，严重威胁到了工作人员的生命安全。故对回转支承的诊断有 助于避免重大事故的发生，减少事故的危害性。 ( 3 ) 可以获得潜在的巨大的经济效益 回转支承作为门机重要的运动构件，由于其运动及受力的复杂性，人们 对于这种结构的运动与动力特性认识不够深入，设计不周全，使用维护不当 等问题比较突出，回转支承的各种故障严重地影响了企业的正常生产。而且 回转支承造价昂贵，用于港口机械其单价国产超过3 0 万元，进口超过1 0 0 万元，且定货周期超过六个月。所以对回转支承故障诊断技术的研究可以节 省大量的维修费用。 从设计的角度来说，考虑到回转支承处于结构承上启下的关键部位，而 且拆装十分困难，维修周期较长，维修费用又比较昂贵，所以，回转支承一 般按设备终身寿命设计，但设计上的保证并不能在使用中得到完全体现。不 管是国外设计国外制造还是国内设计国内制造的回转支承，都存在此类问 题。因此，往往需要采取预防维护的措施，- - n 可以延长其寿命，再则可以 亟堡望三查兰堡主兰垡堡塞 减少经济损失。只有了解设备的工作状态，才能合理安排维修时间，决定维 修和更换的零部件，确保维修作业和更换作业的可靠性，才能决定备件、备 品的范围和维修方法。 1 2 回转支承故障诊断现状 对于回转支承的故障分析与诊断，无论是在国内还是在国外，无论是制 造者还是使用者都很关注这一问题。虽然研究的出发点不一样，制造商主要 关心如何从设计与制造的途径来提高回转支承的工作寿命，真正做到终身寿 命设计与使用。使用者更关心回转支承的工作状态和运行趋势，希望其所产 生的故障对生产过程的影响降到最低限度。但由于回转支承结构受力复杂， 运行状态特殊，未见有系统的研究文献报导。 德国主要有对回转支承结构型式及其支承体的疲劳寿命试验报导，提倡 并推荐使用单排或双排式结构，但未见有具体力学分析。法国t e 公司多推 荐三排滚柱形式，该形式的回转支承理论受力分析单一，但未考虑滚动体运 动角速度的差异和受力不均匀所引起的实际角速度的差异，由此而引发的故 障较多。日本主要采用滚柱式结构，但早期故障率高。由于各国的设备管理 体制原因，真正对于具体故障的机理分析和诊断技术研究的文献极少，由国 际联机检索i ”j 可得，相关报道仅十余篇，主要集中在如何用光谱来分析回转 支承各运动副间的磨损颗粒等方面。文献跟踪分析表明，国外将回转支承的 状态监测归于低速重载轴承这一大类，这样的归类是正确的，但由此认为， 因为是低速回转轴承类，所以应该用位移来度量它的状态则失之偏颇。它忽 略了回转支承的实际运动特点，因为回转支承的运动是一种非平衡受力下的 运动，其受力运动和运动副的磨损都是非均匀的，所以，位移并不是一种较 好的状态度量指标，而且在实际结构上，位移很难准确测定。这种思维定式 也是国外研究文献较少的原因之一。 相比之下，国内的研究报导则相对多一些。国内一些大专院校以及多家 公司均开展了一定的专题研究与试验。对于影响回转支承寿命的一些主要因 素有了初步的认识和掌握。在文献 1 1 1 中讨论了单排球式回转支承的寿命及其 影响因素，在文献i l2 j 中讨论了低速重载大轴承故障特征频率及各主要元件的 振动模型，但该模型没有考虑回转支承上下结构对其的约束，因此，实际诊 断价值不大。在文献【l 中讨论了回转支承故障振动信号的时差定位及其逻 辑判断。在文献【1 4j 中讨论了用电参数来诊断回转支承的工作状态，在文献 亟堡墨三奎堂堡主兰垡堡壅 一 f i 5 1 中讨论了回转支承金属结构的故障诊断，在文献1 6 1 中讨论了回转支承 故障及其相应的技术管理问题，在文献【1 7 中讨论了利用灰色模型实现对回 转支承运行状态的预测，在文献1 中讨论了光谱技术在回转故障渗断中的 应用，在文献【1 9 】【2 0 1 中讨论了自适应滤波技术在回转支承早期的综合诊断问 题。 应该说在回转支承的故障诊断研究中，对其故障的诊断途径、方式、采 用的处理技术有了基本的掌握，但故障的发生机理及其在设计、制造、安装、 维护等环节中如何对故障加以预防或者避免其发生，这方面的研究还比较初 步。 1 3 回转支承诊断过程中存在的问题 由于大型回转支承装置结构、运动、受力较为复杂，并且信号采集现场 的状况多变，回转支承工作过程中，还会碰到如滚柱、滚道产生裂纹、剥落 和冲击的故障，当回转支承的零部件出现故障时，所测得的振动信号中将包 含大量的冲击成分，但当噪声比较强时这些冲击成分在总测试信号中所占的 比例就变得比较小了。当零部件故障所产生的振动信号被噪声或大的信号所 掩盖，直接用时域以及频谱分析的方法很难进行识别。而小波变换以其良好 的时频局部化分析特性，弥补了传统信号分析方法如傅立叶变换丢失了时问 信息、短时傅立叶变换时间和频率信息不精确等不足，较好的实现了对信号 全貌及其局部特性的双重分析，为回转支承装置在强噪声等复杂背景f 对低 频故障信号提取、信号滤波等提供了一条有效的途径。本文运用小波变换的 这个特性来提取局部损伤及缺陷类故障信息。 1 4 本文主要研究内容 本文在总结了回转支承常见的故障产生的原因基础上，归纳了几种主要 的典型故障形式，并对典型故障形式的振动信号的特征进行了分析。同时建 立对回转支承故障振动模型，分析了不同部件相应故障的振动频率。根据回 转支承的受力及运动特征选择了时域、频域中的多个特征参数判断故障与 否。并运用谱分析以及小波分析等方法对信号进行进一步的处理来判断故障 的部件以及故障程度。 塞堡堡三丕堂堡主兰垡堡茎 一 第2 章大型回转支承典型故障机理分析 大型回转支承装置是门座式起重机的重要组成部件，其工作状态的好坏 直接关系到整个设备的好坏并且也与港口的经济效益有直接的联系。故对回 转支承的故障分析有着重要的实践价值。因此，根据回转支承的结构形式和 它的工作运动特点，综合现场经验归纳回转支承典型的故障形式，并对典型 故障的机理展开研究将有利于更好的分析回转支承的工作状态，能有效的指 导港口设备的维修管理工作，并能产生较大的经济效益。本章欲就门机回转 支承的特点分析其典型的故障机理。 2 i 回转支承的结构型式 回转支承装置的作用是将回转部分支承在固定的机架上，使之不下落或 翻倒，并起到对中作用，以保证回转部分具有确定的运动。从运动学的观点 来看，它提供所要求回转运动的约束：从受力方面来看，它承受起重机各种 外载荷作用下所引起的垂直力、水平力和倾覆力矩。其回转运动是通过回转 驱动机构来实现的【j j 。 回转支承装置按其结构特点分为两大类：柱式回转支承装置和转盘式回 转支承。柱式回转支承装置包括转柱式和定柱式两种，转柱式回转支承是立 柱和回转部分一起回转，定柱式回转支承装置中立柱是固定的，其回转部分 通过上下支承装置支持在立柱上。转盘式回转支承装置包括滚轮式支承，滚 子式支承和大型滚动轴承式三种型式。其分类如图所示。 r 柱式回转支承装置 r 转柱式回转交承 回转支承装置l 。定柱式回转支承 l厂滚轮式回转支承( 少支点) o 转盘式回转支承装置l 滚子式回转支承( 多支点) l 滚动轴承式回转支承 三种类型各有不同的特点，其中，柱式回转支承装置主要由一个立柱、 两个水平支承和一个垂直推力支承组成。根据柱是固定的或回转的分为定柱 亟堡墨三盔堂堡主堂生堡塞 式和转柱式两种。定柱式回转支承装置的特点是立柱固定在基础上，其回转 部分通过上下支承支持在立柱上。转柱式回转支承装置的结构特点是起重机 回转部分和转柱联接成体一起回转。 转盘式回转支承装置的类型很多，其共同特点是没有很高的立柱，起重 机的回转部分装在一个大转盘上，转盘通过滚动体( 滚轮、滚子、滚珠或滚 柱) 支承于固定的基础上。转盘和回转部分一起回转。转盘式回转支承又分 为滚轮式回转支承装置、滚子式回转支承装置和滚动轴承回转支承装置。 目前由于滚动轴承式支承装置具有结构紧凑、回转阻力小等优点，已越 来越广泛地被采用，国内外目前生产以及安装在门机上的多是滚动轴承式回 转支承。这种回转支承装置是一个大型的滚动轴承，能承受垂直力、水平力 和倾覆力矩。装置中的滚柱或滚珠可以选用一般滚动轴承中标准规格的尺寸 的滚动体。由于应用的比较广泛，所以本文针对的主要对象是滚动轴承式回 转支承装置。 2 2 回转支承的运动特征 对于门机的大型回转支承，它是低速重载轴承，工作频率低，并且由于 其有非平稳的运动特征，不存在的各运动部件的固有运动频率并不是很明 确，会有一定的偏移，所以不能用中高速轴承故障诊断中常用的振动频谱来 分析其发生的故障情况。同时，门机的回转支承又具有以下等共同特点： ( i ) 回转速度低。门机的回转支承装置其回转速度大都在i 转分左右， 即工作频率在o 0 2 h z 左右。由于门机上部的回转结构及工作对象可以重达 数十吨至数百吨，正常回转时转动惯量很大，而且由于门机的外形特点以及 工作要求，其回转中心与回转质量中心都不重合；同时由于门机回转部分有 较大的承风面积，对于港口门机，受港口多风的影响，会造成转速的不均匀 性。 ( 2 ) 运动状态复杂。滚动体在内外滚道间除了基本的滚动运动外，还 由于滚柱体具有一定尺寸，其上各点运动速度各不相等，与滚道存在相对滑 动。而且滚动体间由于受力变形后的原因，也存在相对滑动。回转支承这种 低速重载下的滑动摩擦是造成滚道和滚体疲劳点蚀剥落的重要原因之一，也 是与中高速轴承的主要区别之一。 ( 3 ) 滚动体与相应滚道非均匀受力。回转支承即受轴力又受弯矩，各 滚动体受力是变化的，在回转过程中，当作用力从一个滚动体向另一个滚动 6 量坚墨三奎堂堡主兰垡堡塞一 体转移的过程中，必然会发生受力突变的情况，而且，由于相对滑动情况的 存在，运行阻力也是非均匀的。特别是对于滚动轴承形式的结构，极易产生 因滑动阻力较大雨出现的颤动现象。而滚动体的非均匀受力必然导致滚道内 滚动体的非均匀分布，使回转支承呈现非平稳的运动状态。 ( 4 ) 工作回转区间的局部性。由于结构的限制或装卸作业的实际需要， 回转支承的工作区间常常在一个比较固定的范围内，这样，局部范围内磨损 就比较严重，各种点蚀情况发生的几率就比较高。实际中发现，这种工作区 间的局部性还易于造成局部润滑不良，滚道内杂物积聚，局部运动阻力增大 等问题。 滚动轴承式回转支承是现在国内外门机回转支承使用比例较高的类型， 它的运动特征有一些特有的特点。若根据滚动体与滚道接触的分类，滚动轴 承式属于线接触式，其滚动体为圆柱形滚子或圆锥形滚子，滚道的断面为直 线形。在平面及锥面滚道中，圆柱形滚柱工作时会有滑动的现象发生，圆锥 形滚子则基本没有滑动。线接触式回转支承的结构型式有单排及交叉滚柱 式、交叉滚锥式、多排滚柱式等。它们所具有的特点与点接触式不同：接触 应力较低，承载能力较高，但对问隙、安装精度及座架刚性有较高的要求， 座架须有较好的抗弯及抗扭刚性，否则将造成边缘接触；另方面，线接触 式由于在接触处产生的弹性压缩变形比点接触式小，故在倾覆力矩的作用 下，滚圈的相对倾斜角较小，即回转支承具有较大的刚度，特别是多排滚柱 式回转支承的刚度最大。其中三排滚柱式回转支承装置是港口门座起重机中 应用最为广泛的结构型式之一，其结构形式如图2 1 所示。 图2 1 三排滚柱式回转支承 图中1 为带外齿的外座圈，2 为水平布置的上、下两排滚柱，3 为垂直 布置的一排滚柱，4 为带内齿的内座圈。这种回转支承两个方向的轴向力及 倾覆力矩由上、下两排水平滚柱承受，径向力则由垂直布置的第三排滚柱承 受。驱动方式为内齿啮合驱动，这样内圈就与轴承座或机架相联接，固定或 2 ， j ，。“；：!。ii。 。 ，ill；。，0。kr 亟堡堡三盔兰堕主鲎垡笙苎 相对固定，外圈与回转驱动装置相联接，和上部回转机构一起回转。 2 3 大型回转支承的典型故障形式与分类 回转支承经常出现的故障按其成因可分为两类，一类是由于设计、制造、 安装不当造成的先天不足，其中主要有以f 几点： ( 1 ) 回转支承连接结构刚度不够。这类问题在国内早期设计的门机中 较为普遍。有限元分析计算表明，回转支承是整机结构刚度较薄弱之处，如 果没有足够的上下联接支承剐度，极易造成变形，产生应变能的非正常释放， 造成联结结构的疲劳开裂或过大的周期性弹性变形，对滚道产生附加的冲击 载荷。 ( 2 ) 回转支承安装不当或制造不良，造成的滚道局部变形，有时也可 以由大车运动轨道不平而诱发。 ( 3 ) 滚动体制造控制不当，造成滚动体过密，安装间隙过小。在轴向 载荷作用在运动转移过程中的滚动体从而造成滚动体之间的挤压，使得局部 阻力运行增大，滚动体与滚道之间的滑动摩擦力相应增大，各运动副间磨损 增加，从而使得回转支承的使用寿命降低。 除了设计、制造、安装的原因外，回转支承故障的更多的原因则是由于 操作、使用、保养不当而造成的后天失调。其中主要有有以下几点： ( 1 ) 滚道的过度变形和滚动体破裂。在很多情况下，如较大的突加载 荷作用，都可能使滚道发生整体或局部的变形。从而造成滚动体的变形和破 裂，并由此而引起内外滚道与滚动体之间的异常摩擦直至滚道下沉而使回转 失效。 ( 2 ) 回转支承各运动副磨合过程没有很好完成。回转支承各运动副间 的磨合很少引起使用者的重视，在一般情况下，润滑良好，工作状态不很频 繁，经过一段时间运行，磨合过程将自然完成。但若不注意，使设备经常处 于满负荷工作状态，容易造成早期的过度磨损和疲劳点蚀。 ( 3 ) 滚道问杂质积聚，由于防尘装置不好或受回转结构的限制，滚道 间杂质的积聚现象也比较普遍。这类问题不会引起严重的后果，但由此引发 的异常振动易与其他故障相混淆，给使用者造成较大的心理负担。 ( 4 ) 回转支承上下联接机构开裂或联接螺栓断裂。这类故障通常是在 早期得不到发现，或困检查部位难以直接查看疏漏，结果造成较严重的后果， 如导致整个回转支承断裂变形。 塞堡望兰盔堂堡主兰垡堡塞一 上述的这两大类故障，绝极大部分是可恢复的，但维修是昂贵的a 如果 我们能及早地发现其征兆，准确地予以诊断，采取恰当的措施，则部分故障 可以排除，部分故障的劣化趋势可以中止或减缓，从而可以使回转支承始终 处于可控的范围内，以保证生产过程的正常运行，同时也节省大量的维修费 用。 由上面的分析结果可知回转支承整体运行情况，对于运行正常的回转支 承我们实行正常管理。对于运行状态不正常的回转支承我们需进一步了解故 障发生部位、故障类型、故障程度、发展趋势，为科学管理提供有效依据。 为此，下面将对回转支承若干典型故障诊断进行总结研究。 2 4 大型回转支承几种典型故障机理分析 根据上节对回转支承运行特点，可以总结出回转支承的主要故障具体的 可以分成以下几种：疲劳剥落损伤、磨损类故障、结构变形、局部阻力变大、 螺栓松动和磨合过程。下面分别对各种典型故障的机理以及振动信号特征展 开分析。 2 4 1 疲劳剥落损伤 疲劳故障是回转支承失效的典型现象，主要与承力、运行时间( 或循环 次数) 和制造质量有关。 滚动式回转支承发生疲劳剥落的过程是，在回转支承工作时，滚道和滚 动体表面既共同承受载荷又存在相对的滚动，由于交变载荷的作用，首先在 表面下一定深度处( 最大剪应力处) 形式裂纹，继而扩展到接触表层发生剥落 坑，最后发展到大片剥落，形成小凹坑，这就是回转支承滚道与滚动体的疲 劳剥落现象。 在回转支承运转过程中，因为遇到凹坑造成碰撞就会产生冲击振动，所 以疲劳剥落会造成回转支承运行时的冲击载荷、振动和噪声加剧。在正常工 作条件下，疲劳剥落往往是回转支承故障的主要原因。 此类故障的危害较大，且有可能立即引起回转支承的破坏，因此这类故 障更容易引起人们的重视。在运行过程中，如果回转支承元件经过损伤点时 会产生突变的脉冲信号，造成回转支承的冲击振动。通常这种故障引起的振 动可以分为两部分：一是回转支承元件的损伤点在运行过程中反复冲击与之 武汉理工大学硕士学位论文 相接触的其它元件表面而产生的低频振动成分。当回转支承的转速一定时， 该振动是一种周期性振动且周期与转速和回转支承的结构尺寸有关。由于这 种振动是由于元件通过损伤点时产生的，因此振动的故障特征频率又披称为 “通过频率”。各元件的故障特征频率不同，理论上就可以根据故障频率的 大小来判断故障是来自内、外滚道还是滚动体。二是由于损伤冲击作用而诱 发的回转支承系统自由振动成分。损伤冲击作用过后，外界对系统没有持续 的激励作用，但此时系统仍可以在初速度或初位移的作用下发生自由振动， 其振动频率为系统的固有频率。回转支承系统的固有振动包括回转支承内、 外圈的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，甚至测振传感器的固有振动 等部可能由于损伤冲击而产生并反映在回转支承的振动信号中。相对于故障 特征频率，回转支承的固有频率较高。 当在回转支承运转过程中，因为遇到疲劳剥落产生的凹坑会造成碰撞就 会产生冲击振动。其运行状态的故障特征振动波形图如下图所示， 扯 自毫* 图2 2 回转支承疲劳剥落状态典型振动波形图 2 4 2 磨损类故障 回转支承的另一个主要的故障类型是磨损类故障，这种故障类型产生的 原因主要由于回转支承滚道和滚动体的相对运动( 包括滚动和滑动) 和尘埃异 物的侵入等而引起表面的磨损，当润滑不良时会更加加剧回转支承零部件表 面的磨损。磨损的结果会使回转支承的游隙增大，表面粗糙度增加，从而降 低了回转支承的运转精度，因而也降低了机器的整体运动精度，振动及噪声 也会随之增大。此外，还有一种产生磨损类故障的原因是所谓的微振磨损， 当回转支承本身不旋转而受到振动时，由于滚动体和滚道接触面间有微小 的、往复的相对滑动，因而导致微振磨损产生，其结果在滚道上形成波纹状 的磨痕。 在正常使用情况下，回转支承滚动体和滚道表面的磨损需要经历较长的 时间，因此这种故障是种渐进性故障。产生这种故障的回转支承在振动特 1 0 茎堡堡三盔兰婴主兰垡堡塞 征上与正常的回转支承相类似，都属于随机性振动，不同的是其振动水平明 显高于正常回转支承。由于振动特征和正常回转支承在本质上没有区别，对 于磨损类故障的回转支承故障诊断只能从振动信号的有效值和峰值上去判 断，如果发现明显高于正常值，即判定为磨损。 2 4 3 结构变形 回转支承的结构变形主要是由于制造不当或工作过程中装置受力异常 而引起的。制造不当主要是使得支承架的刚度不够导致其在工作过程中产生 变形，这种情况并不常见，但是应为这种情况会造成回转支承严重性的损坏， 会极大的缩短回转支承的使用寿命，所以需要引起测试人员的重视。如秦皇 岛的多个门机的回转支承使用寿命仅两、三年便需要更换，最后检测的原因 便是支承架变形而造成回转支承在运行过程中受到较大的力，使得回转支承 变形并引发多种零部件故障导致回转支承报废。造成了人力、物力、财力的 浪费。另一种情况是在运行过程中整机受力不正常而引起的，最为常见的就 是由于大车运动轨道不平，或两边轨道有高低差而造成整机倾斜，此时整机 受力会偏向一侧，使得回转支承一侧的受力远远超过正常值，最后引致回转 支承结构的变形。 # * 童t “r # 】# 女 1 h e ：臣赫赫 l 一萌嘶赢童去! 亩一： i 。j l 。- 一hl j h “l 。h 。_ 矿”i r ”一af r r ；：。!： 图2 3 回转支承结构变形状态典型振动波形图 从回转支承结构变形引起振动方面来看，由于回转支承承受较大的倾覆 力矩，滚动体在不同的位置受到的载荷各不相同，同时承受载荷的滚动体的 数目也不同。这样就造成回转支承的承载刚度时刻变化从而引起振动，当回 武汉理工大学硕士学位论文 转速度一定时，这种振动具有确定性。从振动时间历程图可以看出，在“拍” 的信号后半期常常是视剧烈的较短的大幅振动信号，有一定规律性的应变能 积聚与释放现象。其典型运行状念振动波形图如图2 。3 所示，图中横坐标表 示时间，单位为1 1 0 0 s ；纵坐标表示振动加速度，单位为g 。 2 4 4 螺栓松动 回转支承的螺栓是将回转支承的上下部分联接起来的关键零件，螺栓力 过大，会使回转支承在运行过程中受到过大的压力而使螺栓断裂，造成危险。 另一种情况是在安装或运行一段时间后，会有螺栓松动的情况出现，这种情 况出现的概率较第一种多一些。螺栓松动导致回转支承刚度下降。螺栓和回 转支承上、下圈组成的系统振动频率下降，在功率谱上可以看到有较低频谱 出现。 螺栓松动现象的振动信号有一定的特征性，具体体现在其振动信号呈 “拍”的特征，振动波形的幅值由大到小，再由小到大，循环往复，形成“调 制”现象。其典型运行状态振动波形图如图2 4 所示 一曩箍毒# t 誓n j l j 时1 4 * 0 2 4 回转支承螺栓松动状态典型振动波形图 2 4 5 局部阻力变大 由2 2 节中提到的回转支承运动特征可以得知，由于工作回转区问的局 部性，会使回转支承的局部范围内磨损会比较严重，还易于造成局部润滑不 良，滚道内杂物积聚，局部运动阻力增大等问题。这是由于工作环境和门机 1 2 蓝堡望三查堂堡主堂堡堡墨 的结构特点所决定的。这种情况在回转支承的故障中也有一定的比例，故需 要引起一定的注意。 回转支承局部阻力变大在振动的时阳历程图上也会有一定的特征表示。 如图2 5 所示，从运行状态的振动时间历程图可以看出，在“拍”的信号中 叠加有大幅值短周期的调制信号。 一l 一i r r * 日 2 5 回转支承局部阻力状态热型振动波形图 2 4 6 磨合过程 回转支承在初期使用时，由于各运动副的处于磨合过程，在此过程中会 有一些振动现象存在，不过这种现象属于正常的，在一般情况下，润滑良好， 工作状态不很频繁，经过一段时间运行，磨合过程将自然完成。但若不注意， 使设备经常处于满负荷工作状态，容易造成早期的过度磨损和疲劳点蚀。分 清振动信号是否是磨损过程是其它的过程对设备管理人员比较重要。 从回转支承运行状态的振动时间历程图( 如图2 6 所示) 可以看出其具 有的特征，其振动信号是“拍”的特征。 武汉理- 大学硕士学位论文 ： 【。+ i j 一 一一； 1 z m 一一”r t f l _ 一_ _ 一一： mmm 嬲神5 硅 2 6 回转支承磨合状态典型振动波形图 2 4 7 磨合、局部阻力综合状态 这种情况是磨合和局部阻力两种故障的综合状态，从运行状态振动波形 波形应该是两种故障振动信号的叠加，从其运行状态的振动时间历程图也可 以看出这一点。其典型运行状态的振动时间历程图如图2 7 所示。 * ，凯。孳! 竺登8 孳辅j 。i 9 1 2 1 4 。 浦口 鼍 一 翥 誊 置：罱潲黼孓 一盘丽一：磊蓄靠谕销对舟辟措 图2 7 回转支承磨合、局部阻力综合状态典型振动波形图 1 4 j o 5 5 b 5 鼍l 一 薯： 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了不同回转支承的结构型式，并总结了回转支承工作时的运动 特征。本章将回转支承的典型故障形式分为两大类，一类是由于设计、制造、 安装不当造成的先天不足，一类是由于操作、使用、保养不当而造成的后天 失调，并加以详细的分析。在本章的最后根据对回转支承运行特点，总结出 回转支承的主要故障具体的可以分成以下几种：疲劳剥落损伤、磨损类故障、 结构变形、局部阻力变大、螺栓松动和磨合过程，并对各种典型故障的机理 以及振动信号特征予以分析。 墓堡堡王奎堂婴主堂焦丝茎 一 第3 章回转支承故障振动特征频率的分析 3 1 回转支承的振动原因 正如推动事物发展需要内因和外因一样，引起回转支承振动的因素也可 分为内部因素和外部因素两种。内部因素包括回转支承本身的结构特点、加 工装配误差和使用一段时间后运行过程中的故障等，而外部因素包括传动轴 及其上面其它零件的运动和力的作用等。正是由于这些因素的存在，使得回 转支承装置的滚动体、内外滚道、支承座甚至是外壳机架组成了弹性振动系 统，当支承装置在一定载荷下运转时就会产生激励，而振动系统会对激励产 生响应并形成振动。产生的振动机理可用图3 1 来表示。 图3 1 回转支承的振动机理 在内部因素和外部因素中，最重要的是运行故障引起的振动，因此关键 问题就是如何将信号中由运行故障引起的信息提取出来。在此之前就应该首 先弄清楚各种因素引起的振动信号的特征。如第二章分析的分为结构特点引 起的振动，加工装配误差引起的振动、运行故障引起的振动三类。 ( 1 ) 结构特点引起的振动 由于回转支承承受较大的倾覆力矩，滚动体在不同的位置受到的载荷各 不相同，同时承受载荷的滚动体的数目也不同。这样就造成回转支承的承载 刚度时刻变化从面引起振动。当回转速度一定时，这种振动具有确定性。 ( 2 ) 加工装配误差引起的振动 回转支承元件加工时留下的表面波纹度、粗糙度及形位误差以及装配误 差等原因产生交变激振力使系统振动，虽然这些加工装配误差造成的激振力 武汉理工大学硕士学位论文 大都具有周期性的特点，但由于回转支承一般滚动体数目较多、结构较为复 杂，各因素之间也不存在确定的关系，因此总体上来说，这些振动随机性较 强，含有多种频率成分，那么振动系统在这些激振力的作用下所产生的振动 当然也具有多种频率成分并具有较强的随机性。 ( 3 ) 运行故障引起的振动 回转支承在运行过程中出现的故障按其振动信号特征的不同可分为两 大类：一类称为磨损类故障；另一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、剥落、 擦伤等。 3 2 故障振动特征频率的计算方法 3 2 1 故障特征频率的计算方法 以内圈相对固定，外圈旋转的回转支承为