（安全技术及工程专业论文）机车滚动轴承检测系统的设计与诊断技术的研究.pdf

d e s i g n o f l o c o m o t i v e r o l l e r b e a r i n g d e t e c t i o n s y s t e m a n d r e s e a r c h o n d i a g n o s t i c t e c h n o l o g y ab s t r a c t a s o n e o f t h e k e y c o m p o n e n t s o f t h e v e h i c l e a n d l o c o m o t i v e i n t h e r a i l w a y , t h e c o n d i t i o n o f r o l l e r b e a r i n g h a s d i r e c t i n fl u e n c e o n t h e s e c u r i t y o f t h e r a i l r o a d r u n n i n g . e s p e c i a l l y w i t h t h e p r o p o s a l o f t h e h i g h s p e e d a n d h e a v y l o a d i n g , t h e s e c u r i t y i s b e c o m i n g m o r e a n d m o r e im p o r ta n t . t o d e t e c t t h e f a i l u r e b e a r i n g s e x a c t l y a n d t i m e l y i s o n e o f t h e i m p o rt a n t t a s k s a l l t h e w h i l e . s o i t i s g r e a t s i g n i f i c a n t t o s t u d y t h e r o l l e r b e a r i n g d e t e c t i o n s y s t e m a n d f a u l t d i a g n o s i s t e c h n i q u e s . t h e f a c t o r s a f f e c t e d o n h e a t g e n e r a t i o n s w i t h i n r o l l e r b e a r i n g a r e a n a l y z e d f i r s t . c a l c u l a t i o n m o d e l s o n h e a t t r a n s f e r a r e e s t a b l i s h e d . t h e n s i m p l y a n a l y z e t h e t e m p e r a t u r e f i e l d s o f t h e r o l l e r b e a r i n g . t h e a n a l y t i c a l i n v e s t i g a t i o n s o f t h e e ff e c t o f b e a r i n g w i t h a f a u l t o n t h e i n n e r r i n g , o u t e r r i n g a n d b a l l o n t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c a r e p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . t h e c h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c y f o r m u l a i s d e d u c e d a n d t h e m o d e l t o a n a l y z e t h e e n v e l o p e s i g n a l p o w e r s p e c t r u m i s p r e s e n t e d . t h e n e w p o i n t s o f t h e m o d e l l i e i n t h e c o n s i d e r a t i o n o f t h e e f f e c t s o f t h e m o v e m e n t o f d e f e c t i v e p o i n t s a n d t h e r a d i a l l o a d d i s t r i b u t i o n . b a s e d o n th e m o d u l e , t h i s p a p e r p r e s e n t s a m e t h o d o f m u l t i - p a r a m e t e r d e t e c t i o n i n c l u d i n g t e m p e r a t u r e a n d v i b r a t i o n , d e s i g n s a d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d o n c a n - b u s a n d u s b - b u s . t h i s s y s t e m i n t e g r a t e s l o c a l fi e l d t e c h n o l o g y a n d u s b p r o t o c o l , a c c o m p l i s h e s t h e c o l l e c t i o n , t r a n s f e r , s t o r a g e a n d d i s p l a y t h e s i g n a l o f t h e v i b r a t i o n a n d t e m p e r a t u r e . t h e n r e a l i z e s t h e m u l t i - s p o t m e a s u r i n g a n d m u l t i - p a r a m e t e r d i a g n o s in g . f i n a l l y , i n o r d e r t o o b s e r v e t h e m o t i v e s t a t u s i n t h e f a i l u r e m o d e , w e e s t a b l i s h t h e e m u l a t i o n m o d u l e v i a a d a ms . t h e n , r e f e r r i n g t h e r e l a t e d d a t a , t h e c o r r e c t n e s s a n d v a l i d i t y o f t h e m o d u l e a r e p r o v e d t a k i n g d k 3 a s e x a mp l e . t h r o u g h t h e a r g u m e n t a n d a n a l y s i s o f t h i s p a p e r , t h e f e a s i b i l i t y o f ro lle r b e a r in g d e t e c tio n s y s te m b a s e d 。 。 c a n b u s a n d u s b b u s a n d th e v a l i d i t y o f a n a l y z i n g t h e m a l f u n c t i o n s b y v ib r a t i o n m o d u l e a n d a s c e rt a i n i n g t h e t e m p e r a t u r e u s i n g t h e r m a l a n a ly s i s m o d u l e s a r e p r o v e d k e y wo r d s : r o l l e r b e a r i n g ; f a u l t d i a g n o s is ; v i b r a t i o n ; t e m p e r a t u r e ; can b u s ; us b b u s 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1问题的提出 1n 在铁路机车车辆运行中，滚动轴承是安全运行的关键部件，也是最容 易损坏的部件之一，它的故障直接关系到运输的安全。在列车长时间运行 中，轴承既要传递力，受到轴承载荷的作用，又存在与轴颈表面的相对滑 动，因此，轴承在工作过程中将不断地出现不同程度的损伤，而在高速、 重载、长交路下运行的列车，轴承的故障往往会迅速扩大，在短时间内会 造成热轴、燃轴、切轴而最终导致列车颠m等重大行车事故。当轴承损坏 的程度超过预先规定的范围，其功能的恶化将造成内燃机车技术经济指标 的损失超过规定值，这时认为轴承失效。对失效的滚动轴承能及时准确的 检测出来，是确保内燃机车安全运行的一个重要环节，这也一直是铁路部 门安全检测最重要的工作之一。为了彻底排除因滚动轴承故障引起的行车 事故，需要两个方面进行保证，一方面是对运行的列车进行动态监测，及 时发现运行列车的安全隐患;另一方面，在列车进行段修或定期检修时， 检查每个轴承的状态，发现故障轴承，使其不再投入运行。当前，段修或 定期检修时主要靠搬转轴承外圈凭手感检查，这种检测方法因其操作强度 大、生产效率低、诊断的准确性差，极易使漏检轴承继续投入运行而危机 行车安全，造成严重后果。特别是近年来铁路运输的运行速度一再提高， 对滚动轴承的工作状态要求将更加严格。显然，传统的人工经验型轴承检 测方式己不能满足安全运行的需要。 为防止机车轴承故障造成行车事故，现在全路已广泛使用安装了轴温 报警装置，但是这种报警装置都是以轴承温度的升高作为指标来确定轴承 是否有故障。几乎所有的轴承都是经过温度升高的阶段发展到事故，但轴 承故障往往会存在很长时间而不产生温升，用轴承温度的升高指标来确定 轴承故障主要存在以下问题川 : 第 一 、轴承安装精度、润滑油脂量的多少、轴承新旧程度等因素直接 影响轴承的运转温升，同时轴承发热与散热量直接受外界的温度的影响， 介 a x 4 f r j - 硕 士 学 位 论 文 检测到的轴承温升值并不能正确反应轴承的状态; 第二、轴承温度监测系统所能提前预报的时间很短，据统计有机车轴 承从热轴到热切最长的行驶距离不过几十公里，最短的只有十几公里，我 国铁路干线上的红外线轴温监测系统的配置一般都相距 3 0 -5 0 公里。 当轴 承温度持续升高时，险性事件己经迫在眉睫; 第三、并不是轴承所有故障均反应出轴温高的特征，轴承有些故障， 如:保持架破裂，轴承内外圈、滚道剥离、裂纹等未使轴承滚动面之间产 生严重的金属切削现象时，轴承温度并不升高，有些轴承甚至可以运行很 长时间而不发生热轴，但却时刻都存在着燃切轴的危险; 另外，有时也可能发生维修管理和振动引起的轴温报警装置失灵的情 况。 因此，希望有一 种能与轴承温度检测系统配合使用的方法，在轴承产 生故障后，明显发热之前及早预报出有故障的轴承。基于此，研究了机车 滚动轴承温度信号和振动信号复合检测的方法，对轴承进行检测与故障诊 断。 1 . 2课题的研究背景 无论何种机械设备，轴承都是易损的关键部件。因此，关于它的故障 诊断技术一直都是国际学术界及其某些行业如:航空、化工、钢铁、石油、 发电、机械等行业极其关注的课题。 ， . 21国外滚动轴承诊断技术现状 滚动轴承的工况监视与故障诊断在国外大概开始于 2 0 世纪 6 0 年代， 在其后的2 0 多年的时间里， 随着科学技术的不断发展， 特别是1 9 6 5 年f f t 方法取得突破性进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支，为故障 诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础3， 。各种方法和技巧不断产 生、 发展和完善， 应用的领域不断扩大，监视与诊断的有效性也不断提高。 国外轴承检测技术的发展大体分为两个流派，一类是美、欧、卜 ，以 随车检测( 与随车监控技术相结合) 技术为主，以地面检测技术为辅;另一 第一章绪论 类是东欧国 家， 主张以 地面检 测为主， 防车检测为辅， 节约投资们 。 美国铁道部自 六十年代就开发随车检测保护装置技术， 到1 9 8 4 年首先 完成电 脑装车应用，采集7 0 多项信息， 可以集中显示或存储处理，并用于 状态诊断，具有从简、求实的长处。欧洲各国在噪声和振动检测和故障诊 断方面，积累了丰富的经验，处于领先地位。日本也实现了微电脑上车应 用的设计【5 。 前苏联铁路局投入了相当大的力量进行诊断技术开发，七十年代有许 多地面测试装置投入应用， 如塔什干机务段牵引电动机轮对不解体检测后， 从1 9 7 8 年起取得了消灭轴承烧损故障的良 好成绩引 。 匈牙利铁路局也于七 十年代建立了地面检测站，开始应用微机测试方法。此外，自七十年代以 后东欧各国初步普及了机油光谱分析技术，取得了丰富的经验。 1 . 2 . 2我国滚动轴承诊断技术现状 我国的诊断技术的起步较东欧各国稍晚，但发展迅速，铁路滚动轴承 的诊断，一直都受到铁道部、各大铁路局、车辆段的重视。国内也有很多 高等院校、研究所和工厂对铁路滚动轴承的检测和诊断做了大量的研究和 开发。 北京钢铁学院、哈尔滨工业大学、重庆大学等单位对轧钢机、发电机 等大型机械动力设备的主要轴承在线振动检测和故障诊断技术方面都有一 定的研究;航空航天部的 6 0 8 所在广州铁路局株洲车辆段研制了 用于货车 轴承定检时轴承故障振动分析系统;铁道部四方车辆研究所、哈尔滨铁路 局科研所也对货车轴承定检振动诊断故障的方法进行了实验和研究;柳州 机务段、湖南湘依铁路机车电器有限公司等也研制了几种检测设备，主要 采用共振解调技术对轴承进行检测，这些技术方法虽然能够解决一定的问 题，但是普遍存在着故障识别率低、存在较严重的故障漏检等问 题。 同时， 铁道部于2 0 0 0 年颁发了 关于 机车轴承温度监测报警装置技术 条件( 暂行) 的通知，对机车车辆轴承温度监测报警装置的研制生产提出 了明确的规定和严格的技术要求，以便能及时、可靠、准确的对机车轴温 进行监测报警， 确保机车车辆的安全运行。目 前使用的m s - 6 型多路温度监 o n a / =7 硕 士 学 位 论 文 测仪采用p n 结传感器， 配以 恒流源， 在二次仪表端根据电压的变化来反映 轴温的变化川 。 其不足之处在于: 测量误差大; 连线多， 环节多， 结构 复杂:需定期标定，传感器的互换性差; 传输弱小的模拟信号，抗干 扰能力弱，测量结果的稳定性和可靠性差。目前使用的地面红外线轴温监 测仪不能监测行车区间内的轴温变化，也不能监测牵引电机轴承的温度。 同时，山于受当前的经济、技术和设备现状的限制，我国在现阶段只能对 滚动轴承用红外线探测轴温的方法进行在线运行状态监测，而对处在运行 状态轴承的故障诊断方面目 前不能在线进行。因此，针对目前机车轴温监 测系统的不足，需要我们研制出新型的检侧装置。 由于各国铁路管理和机车车辆技术水平及检修制度、地理条件等的差 别，对铁路机车轴承故障所采用的检测方法侧重也有所不同。多数发达国 家的铁路机车车辆等设备己广泛采取状态修理的检修制度，我国现在还实 行定期检修制度，从长远的观点看向状态修理制度过渡是大趋势。我国幅 员辽阔，铁路运输任务繁重，因此，发展地面列车状态检测与诊断系统具 有深远的意义。 1 . 2 . 3滚动轴承故障诊断技术发展趋势 滚动轴承的故障诊断可分为两大部分，即简易诊断和精密诊断。其中 简易诊断就是每天由现场人员进行的第一次设备健康诊断技术，它是全体 人员参加的设备管理的重要一环， 是保障设备安全的关键性技术， 在欧美、 日本等先进国家很普及。但是从国内近几年的研究动问来看，许多研究人 员往往忽略了简易诊断技术的研究和简易诊断用的仪器开发。现在工厂i k 从事故障诊断的专业技术人员不多，设备异常的早期发现主要靠现场设备 操作人员，而设备操作人员一般不精通故障诊断知识。因此只能借助于- 些仪器来判断设各的好坏。目 前国内外的简易诊断议存在以下问题: 1在受噪音影响较重或设备早期异常时，异常的检测精度低。这是山 于 简易诊断仪的滤波频率是固定的，不能随不同情况而自 适应的变化 2 . 受设备的特征 转速、负载、大小形状等) 的影响，对不同的设备必 须制定不同的判定基准，使用时很麻烦。 第一章绪论 3 . 对那些变工况( 变负载、变转速) 的设备无能为力。 针对上述情况，目 前设备监测与故障诊断的发展趋势为: 在简易诊断方面，开发出新一代的简易诊断仪，即所谓的傻瓜型诊断 仪，就是只测定一下设备的振动或音响就可以判断设备是否有异常。要求 小巧便携，用法简单， 适用于现场操作人员每日对设备进行简易诊断之用。 即使是不懂设备诊断技术的人也可以在短时间内学会使用这种仪器。另外 也可以作为安装在设备上的在线监测型。 在精密诊断方面，模拟人脑物理结构和直觉联想的人工神经网络智能 诊断系统开始迅速发展，己成为国际上本领域的最新热点。从发展前景看， 当前主要方向为:各种诊断理论与神经网络的结合、信号处理与神经网络 的融合、神经网络结构的改进、基于知识的专家系统与神经网络诊断系统 的综合及设备故障诊断系统的微型化和 “ 傻瓜” 化8j 1 . 3本文的主要内容 本文在滚动轴承故障诊断理论不断发展、 应用领域不断扩大的背景下， 围绕滚动轴承检测技术，通过研究多种检测实例和查阅大量资料，提出了 综合温度信号和振动信号的多参数测量的方法，建立了热传动模型以及分 别在外圈、内圈和滚动体发生故障时的振动模型，在此基础上利用微控制 器 a v r 、控制器局域网 c a n和通用串行总线 u s b技术，建立了一个基于 c a n - u s b 总线的机车滚动轴承简易检测系统， 并对滚动轴承温度信号和振动 信号进行了分析。本文的主要内容安排如下: 第一章是绪论部分，介绍了滚动轴承故障诊断研究的重要性和国内、 外的发展现状，对课题的研究背景、课题的主要工作和现实意义等内容进 行了概述; 第二章介绍了滚动轴承常见故障类型以及发生故障的原因，描述了故 障诊断的基本环节，给出了 两种常用的检测方法，并在此基础上引入了滚 动轴承故障特征频率的定义和计算方法; 第三章对滚动轴承的温度和振动进行了详细的分析，给出了滚动轴承 的热传动模型，并对其温度场进行了简要的分析;综合考虑损伤点运动和 ) c a a 4e 义 5 硕 士 学 位 论 文 载荷分布不均等因素影响的基础上，分别建立了轴承内圈、外圈和滚动体 早期故障时的振动模型，得出了故障发生时包络信号频谱特征; 第四章对建立机车滚动轴承检测系统所需的软硬件进行了初步说明， 主要是说明了系统设计目标和要求，详细分析了系统的实现要点以及可行 性; 第五章阐述了滚动轴承检测模块设计的若干技术问题和方法，深入说 明了如何进行滚动轴承温度信号和振动信号的检测，以及复合检测中检测、 存储、发送机制的设定，进一步阐述了系统的软、硬件抗千扰措施 第六章阐述了基于 c a n 总线和 u s b总线的数据通信模块的硬件设计和 软件实现方法，包括 c a n 节点和 u s b系统的软硬件设计，以及二者之间利 用循环队列进行数据传输机制的建立和实现，和上位p c 机对数据的接收处 理分析的设计; 第七章利用 a d a m s建立了轴承元件存在单一 故障时的仿真模型，直观 的观察故障状态下的运动情况。 参考相关文献，以d k ; 型动车为例， 对设计 的检测系统和诊断模型进行了试验分析，判断模型建立的正确性; 最后是总结和展望。该部分对论文进行了总结，并且指出了 一 些有待 解决的关键问题。 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 2 . 1滚动轴承故障种类及原因浅析 据郑州局车辆处统计，从1 9 9 9 年1 月2 0 日一2 0 0 1 年9 月3 1 日 期间， 全局仅货车运用系统就发现滚动轴承内部故障6 3 5 起。 另有统计， 9 1 . 5 % 的 故障轴承轮对踏面有擦伤或剥离，且多数已超过运用限度，少部分故障轴 承温升不太高，红外线探测尚属正常。 2 . 1 . ，滚动轴承发生故障的原因分析9/ 滚动轴承是机车车辆运行中的关键部件，在旋转过程中，存在着各种 影响因素，分析其发生故障的原因可以归纳如下: 1 . 机车轮对踏面擦伤 故障轴承轮对踏面擦伤多数是陈旧性的，擦伤形成后车轮己运行了较 长时间，机车运行时以较高的频率对轴承进行动载荷冲击，其冲击载荷及 破坏力是相当大的， 造成轴承内最薄弱的保持架配件产生应力疲劳而断裂， 破坏轴承的正常工作状态。 2 . 轴承自身质量与列车提速不适应 机车轴承运用工况环境恶劣，列车提速更进一步加大了对运行轴承的 冲击力。货车轴承保持架由低碳钢冲压而成，强度低，是轴承内部最易发 生故障，寿命最短的配件。 3 ， 轴承制造质量与检修质量不高 目 前各厂、段轴承的制造、大修及一般检修工艺质量参差不齐，而轴 承的制造、 检修及压装质量直接影响轴承的运用状态。 按现行的段修规程， 对踏面擦伤、 局部凹陷深度小于2 m m ， 可以不退卸轴承进行漩修， 这样对于 己形成的初期轴承故障就不易及时发现，造成故障隐患。 而在滚动轴承发生的各种故障中，以发生振动的表现最为明显，出现 的频率也最高。滚动轴承在工作过程中，组成滚动轴承的元件，如内圈、 外圈、滚动体，所受到的载荷都呈周期性变化，滚动体和内、外滚道的接 触处的接触应力属于交变应力，即使在各个滚动体的尺寸完全相同、内外 尹 拔r r j) t a t硕 士 学 位 论 文 滚道是理想的圆而且光滑、保持架完全平衡的理想状态下，滚动轴承工作 时它的元件也会产生一系列的振动，这些振动通过轴可以传到轴上的其他 零件，从而诱发他们的振动，也可以通过轴承座传到机箱，引起机箱的振 动。 轴承出现故障后，将出现轴承故障性振动。轴承故障性振动，除了由 外界激励因素引起之外， 属于轴承本身故障所引起的振动主要有下列原因: 1 . 由于载荷过大引起内、外圈和滚动体的永久变形导致旋转轴中心随 滚动体位置变化而变化，从而引起的振动。另外还有因为安装不准确或滚 动体大小不一致引起的振动。一般情况下，这种振动的频率较低。 2 .轴承工作表面上存在缺陷。滚动轴承可能由于润滑不良，载荷过大， 材质不当，轴承中落入异物，锈蚀等原因引起轴承工作表面上的剥落、裂 纹、压痕、腐蚀凹坑和胶合等离散型缺陷或局部的损伤。当滚动体通过一 个缺陷时，就会产生一个微弱的冲击脉冲信号，好像一个小榔头敲击一样。 轴承内产生的冲击能量可激起轴承和轴承座各零件部件及其固有频率的振 动，振动能量随着机械结构的阻尼而衰减。因此，这种由局部缺陷所产生 的冲击脉冲信号，其频率成分不仅有反应轴承故障特征的间隔频率，而且 还包括有反应轴承元件的自振频率的高频成分。 3 . 润滑不良。润滑剂不足或润滑不良时，滚动体在旋转中由于不能形 成良好的油膜而发生金属与金属之间的滑动摩擦，滚动体不能处于纯滚动 状态，从而加剧了滚动体和滚道的磨损和疲劳，使轴承振幅加大。保持架 的引导而与滚动体之间无油膜隔离，则可能使滚动体在保持架内被卡住， 或者保持架的材料胶合到滚动体上。润滑不良i 先会使保持架产生异常的 振动和噪声，这种振动是由于滚动体和保持架之间的摩擦，引起保持架的 自 激振动所致。 机器的异常振动和噪声是山机器中运动部件的不正常或故障引起，因 此，振动或噪声信号中一定包含有有关故障的信息，通过对机器的振动和 噪声的分析，就可以得到机器的工作状况、是否有故障以及故障的发生部 位和故障的发展趋势。目 前的机械运行状态检测和故障诊断系统，大都是 利用振动和噪声的分析来进行的。 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 2 . 1 . 2滚动轴承故障的类型分析 滚动轴承在运行过程中发生的损伤主要形式有疲劳剥落、磨损、断裂、 锈蚀和电蚀、烧伤、永久变形等。 疲劳剥落是轴承失效的主要原因，它是由于滚动体在滚道上反复承受 不均匀载荷所引起的。滚动轴承在工作过程中，滚动体和内圈( 或外圈) 不 断的旋转，滚动体与滚道的接触表面受脉动循环交变应力作用。一旦应力 超过了材料的疲劳极限，载荷反复作用一段时间以后，首先在表面一定深 处形成裂纹，然后逐渐发展到接触表面，使表层金属呈片状剥落下来，形 成剥落凹坑，使轴承产生冲击性振动，影响轴承的寿命。 引起轴承磨损的直接原因是滚动体和滚道之间的相对运行及外界污物 的侵入，润滑不良、装配不正确均会加剧磨损或擦伤。磨损量也是限定轴 承使用寿命的主要因素。磨损导致轴承的游隙增大，表面粗糙，降低了机 器原精度，增大了振动和噪声。 轴承的断裂和裂纹是最危险的一种损伤形式。热处理、装配引起的残 余应力，以及运行中的热应力过大时会引起轴承内圈或外圈的破裂。长期 处于大的交变弯曲 应力作用下，轴承的内、外圈也会出 现疲劳断裂。 锈蚀是由外界水分或腐蚀性介质与轴承发生化学腐蚀，从而使轴承工 作表面产生早期剥落。而电蚀主要是由转子带电，电流在一定条件下击穿 油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。 烧 伤是因 异常 发 热 而 使 轴 承 熔 粘 而不 能 旋 转， 或是 指 滚 动 面、 滑 动 面 变得极为粗糙的状态。发生这种损伤的轴承，由于热影响而使轴承硬度逐 渐降低，或因表面粗糙而使旋转性能变坏，直至不能继续使用。 滚动轴承在承受很大静载荷或冲击载荷时，会使滚动体和滚道的接触 处的接触应力超过材料的屈服极限，从而产生一定的永久变形。另外，落 入的硬质异物也会在滚道上形成凹痕或划痕。这些永久变形会使轴承在运 转过程中产生剧烈的振动和噪声，以至于造成轴承不能正常工作。 除了上述故障形式之外，还有装配不良、机械冲击和反复转向等原因 引起保持架的摩擦和断裂， 润滑剂不足、高速、重载，导致接触表面的胶 p -a l ; t 3 硕 士 学 位 论 文 合和回火变形等。 归纳起来，滚动轴承在运行中发生的故障，一般可分为两类 l m 。一类 是磨损故障，由于零件的磨损造成间隙逐渐变大，振动增大。这是一种渐 变性的故障，振动波形无一定规律，随机性较强， 但通频振动幅值往往能 明显反映其严重程度。磨损性故障的最大特点是无明显的冲击脉冲信号， 但轴承整体振动能量大幅增加。 另 一 类是轴承元件表面损伤性故障，包括滚珠、滚道等表面点蚀、金 属剥落或擦伤等等。当轴承元件滚过表面损伤点时，即会产生突变的冲击 脉冲信号，这是损伤类故障的基本特点。冲击脉冲信号的宽度一般很小， 大致为微秒级， 频谱范围则可从直流延展到l o o -s o 0 k h z ， 冲击脉冲的大小 与冲击速度( 轴承转速) 及疲劳损伤的大小成正比。由于内圈、外圈、滚动 体及保持架出现故障时产生的冲击脉冲各不相同，因此可根据冲击脉冲的 出现及其频率判断滚动轴承是否有故障及故障元件。 磨损类故障一般有一个较长的发展过程，可以通过定期的轴承振动总 量监测，作趋势分析进行预测预报，而损伤类故障是一种突发性较强又比 较危险，早期症状又较难识别的一类故障，此类故障的诊断，正是工程界 所关注和需加以研究的。 2 . 2滚动轴承故障诊断的基本环节 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一 定的工作环境( 承受一定的 载荷，以一定的转速运转等) 下和一定的工作期间( 一定寿命) 内有效可靠的 运行，以保证整个系统的工作精度，同此目的相适应，轴承的故障诊断就 是要通过对能够反映轴承工作状态信号的观测、分析与处理来识别轴承的 状态。所以，从一定程度上 来说，轴承故障诊断就是轴承状态识别。其体 来说，完整的轴承故障诊断过程应包含以下五个环节【， 1 : 1 . 信号测取:根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承 _ 作情况或状态的信号; 2 ， 特征抽取:从测取的信号中以一定的信号分析与处理方法，把反映 故障的特征信息和与故障无关的特征信息分离开来，抽取能够反映轴承状 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 态的有甲信息; 3 . 监视:根据特征，以一定的状态识别方法识别轴承的状态，即简单 判断轴承工作是否正常，或者说有无故障; 4 . 诊断:根据监视系统提供的特征，进一步分析当前工况状态，及其 发展趋势，做出确切的判断;当轴承有故障时，详细分析故障的类型、性 质、部位、产生原因与趋势等; 5 _ 决策干预:根据轴承状态及其发展趋势，做出决策，如调整、控制、 维修或继续监视等。 2 . 3滚动轴承故障诊断的方法 滚动轴承故障诊断方法1 2 1 ，主要是根据监测与诊断所采用的状态量来 分类的，即按照测取信号的性质来分类。按照这一分类方法，滚动轴承监 测工况监视与故障诊断的方法主要有温度诊断法、抽样分析法、间隙测定 诊断法、振动分析法等，它们各具特点。 2 . 3 . 1温度法 轴承组装不良、润滑油脂过多或过少、滚道内有异物、滚动面磨损等 都会导致轴承温度过高。测温装置简单，测量结果可靠，不仅可据以判断 轴承技术状态，而且如果严格遵守温升检测的规定，可以避免许多轴承破 损事故。 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 处的温度来判断轴承工作是否正常。 对于 装 配良 好 润 滑适当 的 轴承 在转 动初 期， 温度 先是 慢慢升高， 过一 段时间后即逐渐下降，最后达到稳定。转动初期的温度上升率和达到的最 高温度与 转速、负荷性质、润滑状态、轴承尺寸和游隙等都有关系，一般 不作为判断轴承是否有缺陷的根据。但在转动一段时间后，温升不下降并 且 稳定下来，就说明轴承可能有问题。 温度监测对轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其对 润滑不良 而引起的轴承过热现象很敏感。所以，用于这种场合比较有效。 但是，当轴承出现诸如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时， 升 从粼梦 硕 士 学 位 论 文 温度监测基本上没有反应。只有当故障达到一定的严重程度时， 用这种方 法才能监测到。也就是说，温度检测不适合于点蚀、局部剥落等所谓的局 部损伤等故障。 2 . 3 . 2振动法 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当地方的传感器测取轴承振动信 号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。振动检测按测 量原理分为相对式与绝对式两种;按测量方法可分为接触式和非接触式两 类。振动检测主要是指振动的位移、速度、加速度、频率、相位等参数的 测量。由于被测信号振动强度近似与被测体的振动加速度成正比，所以现 行的测量滚动轴承振动所用的参数基本上是加速度。 由于振动法具有适用于各种类型各种工况的轴承，可以有效的诊断出 早期微小故障，而且信号测试与处理简单、直观，诊断结果可靠等优点， 所以在实际中得到了极为广 一 泛的应用。目前，国内外开发生产的各种滚动 轴承检测与诊断仪器和系统中大都是根据振动法的原理制成的，有关轴承 检测与诊断方面的文献 8 0 % 以上讨论的是振动法。 从使用、 适用、 有效的观 点看，振动法是一种很好的滚动轴承检测与诊断方法。与振动法密切相关 的是噪声法，即通过滚动轴承在运行过程中的噪声来判断其故障。用噪声 法进行轴承的故障诊断，优点是不必接触轴承就可以得到检错信号，但由 于所检测到的噪声中混有大量的非轴承原因产生的噪声，因而要把轴承噪 声与其他噪声分开来十分困难，所以这种方法用得较少。 振动( 动态) 信号的分析处理方法有很多，诸如时域处理、频域处理、 幅值域处理、时差域处理以及近年来备受关注的时一 频域处理等 振动检测方法中的时域诊断方法是发展最早的一种检测方法。如果单 从时域波形上直接观察分析，往往很难看出轴承状态是否正常，有无故障 及故障的性质部位等。为此，在时域诊断中，普遍采用振动信号的基本数 字特征及其频率分布特征来进行分析和诊断。应用比较广泛的有:振动信 号的平均值、均方根值、方差、概率密度函数、概率分布函数、自相关函 数、互相关函数以及峰值因子、波形因子、峭度系数等无量纲特征参数。 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 频率分析方法可以对轴承早期故障进行精密诊断。 直接对轴承信号进 行频谱分析，结合频谱图的频率结构和特征频率的和频及差频分析，也可 以判别出轴承的好坏。由于流体动力噪声机器旋转部件振动的干扰，适宜 于简单机械的简单诊断。共振解调法被认为是频域分析法中最有效的一种 方法，该方法以轴承系统的共振频率区为监测带，振动信号经放大、滤波 和解调，获得脉动冲击的低频脉动信号，以此作为分析的依据。 时间一 频率分析由于小波分析理论的推广应用， 在滚动轴承故障诊断中 也得到了一定运用。特别是近年来国内在理论研究、仿真计算和试验分析 方面做了大量的工作。 2 . 4滚动轴承故障特征频率 机械设备的各种状态和运转过程，通常以其 “ 二次效应”反映出来， 典型的二次效应有振动、噪声、温度、压力和应变等。通过电测手段，可 将这些物理量测取并记录下来，进行故障诊断和预报。 当滚动轴承内外滚道或滚动体工作面上有裂纹或剥落等缺陷时，滚动 体周期性的滚过就会发生冲击，这种冲击引起的纵波在材料尚未发生形变 之前就以声速向外发射，随着滚动工作面材料形变的发生，这种纵波急剧 衰减形成了持续时间不足一微秒的窄脉冲。然而相邻滚动体依次滚过工作 面缺陷， 所产生的脉冲间隔时间则相对脉冲持续时间较长， 其频率称为“ 通 过频率” 或 “ 缺陷脉冲重复频率” 。轴承各元件产生故障时， 会产生不同的 通过频率，可以根据振动信号的通过频率来判断产生故障的元件，所以通 过频率又称为 “ 故障特征频率”【， ” ，可以从轴承的转速和轴承零件的尺寸 计算得到。 对振动信号采集时，通常采用的是频谱分析法对数据进行分析。频谱 分析法检测滚动轴承故障，就是依据上述原理，通过电测手段，将运转中 的轴承振动信号， 转换成相应的电信号，然后进行时域一 频域变换，形成振 动信号频谱图，即频率分布图，通过对轴承运转时各配件特征频率强弱的 分析，进行故障识别。 故障诊断的关键是获取有效的特征值，根据特征值对轴承进行分析， 尹 l ux 孚 硕 士 学 位 论 文 判断故障所在。因此有必要研究轴承的故障特征， 在诊断中识别和提取轴 承故障引起的振动的特征频率. 图2 - 1滚动轴承各元件运动关系示意图 如图2 - 1 为滚动轴承各元件之间 运动关系示意图。 设外圈的旋转频率 为.几，内 圈 ( 即 轴) 的 旋转频率为f， 保持架的 旋 转频 率为人， 轴承节 径为 d,滚动体直径为d，接触角为“， 滚动体个数为m。 当滚动体绕e 点作 定点转动时，它与内圈在a 点接触， 与外圈在 b点接触，并假设滚动体与内外圈之间纯滚动接触。 承运动学的分析，可以求得滚动体通过内、外圈滚道的频率， 相对保持架的回转频率等。 a 点速度为 1 41 v , = 2 - ,f , 二 顽( d一 d c o s a ) b 点速度为: v o 二 2 - o f o 二 n f o ( d + d c o s a ) c 点速度为: 通过滚动轴 以及滚动体 式( 2 - 1 ) 式( 2 - 2 ) v 可推出 ( v , 十 v o ) = # d 式( 2 - 3 ) “ 一 v + vo_2 7rd 一 2 (1一 d cosa ).f,d (1 单个滚动体在外圈滚道上的通过频率 可由上式求得，即 15 : d 十 万 c o s a ) f , 式( 2 - 4 ) 即为保持架相对外圈的回转频 1_ _ d f o , 一 f a 一 f 一 2 ( j o 一 a ) ( 1 一 - c o s a )d 式( 2 - 5 ) 同理，单个滚动体在内圈滚道上的通过频率为: 第二章滚动轴承故障特点及诊断方法分析 ， : 一 一 、 一 告 (， 一 、 )( d 十 c os a u 式 ( 2 - 6 ) 滚 动体 相 对保 持 架的 回 转 频 率， 即自 转频 率f bc 也可 求得， 即: 、 亡 = a (f 一 、 );卜 丢 )2一 考虑到滚动轴承有 n个滚动体， ， “ 式( 2 - 7 ) 则滚动体在外圈及内圈滚道上的通过 频 率f o , 、f ， 及 滚 动 体的 回 转 频 率f ti 。 可 表 示 为: n， ， ， d、 一 z .t . l ， 一 万 c o s a ) 式 ( 2 - 8 ) 号 f ,(1 + 丢 co sa ) 合 子 f 一 dd co sa )z 式 ( 2 - 9 ) pp 儿厂 人 , = 式( 2 - 1 0 ) 式中， f二 f - f o 为内 外圈的 相对转动频率， 当 外圈固定时， 关即为轴 的 转 动 频 率 ， 即 、 一 f 、 一 _n6 0 为 轴 的 转 速 如 果 在 外圈 滚 道 上 有 故 障 时 ， 则 会 产 生 频 率 为f a ， 的 脉 冲 激 励， 所以 称 f o ， 为 外 圈 的 故 障 频 率 。 同 理 ， f ， 为 内 圈 的 故 障 频 率 ， f a 。 为 滚 动 体 的 故 障 频率。 但是，同时我们也注意到，上述分析都是基于基本的理论建立起来的， 实际的情况远远比这些复杂。所以，我们在具体的诊断分析中，应注意以 下问题 1 6 ) 1相同元件的同类故障，由于伤害面积的大小不同，将使某些频率分 量发生变化; 2 . 滚动体通过故障激起的是周期冲击，它不是单一的谐波，而是展开 的渐减无穷傅立叶级数，它在振动频谱图上呈现为具有一定结构形式谐波 族的离散谱线; 3 滚动体除了正常的公转与自 转外， 还会发生随机的摇摆和横向滚动， 以致产生故障信号的随机性。例如当球面上有较大缺陷时，可能在横向滚 i 5 a k x g x硕 士 学 位 论 文 动时，由只冲击一个滚道，过渡到冲击内外两个滚道，而后又冲击另一个 滚道，或不冲击任何滚道，周而复始，使故障频率也会出现相应的变化。 2 . 5 / j 、 结 在轴承部件上有损伤点的情况下，分析轴承的振动频谱特性对于判断 故障所在是很有帮助的。本章介绍了滚动轴承几种典型的故障形式和故障 发生的原因，引入了滚动轴承故障频率的计算方法，从理论上分析了分别 在轴承内圈、外圈和滚动体上有一个损伤点的情况下的故障特征频率公式。 后绪的研究 _ 作将在此基础 l 展开。 第三章机车滚动轴承模型分析与参数诊断 第三章机车滚动轴承模型分析与参数诊断 3 . 1内燃机车走行部分简介 3 . 1 . 1机车转向架的组成及作用简介， ” 现代的内燃机车的走行部分均采用转向架的形式，它由几个主要的部 分组成，其中包括:转向架的构架，它为转向架的骨架，承受和传递铅垂 力和水平力;弹簧装置，用以保证一定的轴荷重分配，缓和线路对机车的 冲击并保证机车在铅垂方向运行的平稳性;车架和转向架的联接装置，用 以向转向架传递机车上部结构的重力和机车通过曲线时产生的车体未平衡 离心力;向车体传递来自 转向架的牵引力和制动力;在机车通过曲线时， 使转向架能相对于车体回转;在高速机车上，车体与转向架间还设有横动 装置，使车体在水平方向也成为转向架的簧上质量，以提高机车在水平方 向的运行平稳性;轮对和轴箱，轮对直接向钢轨传递机车重力，并通过轮 轨的粘着及其回转产生牵引力或制动力，是实现机车在钢轨上运行的主要 部件，轴箱是联系转向架和轮对的活动关节，它除了保证轮对进行回转运 动外，还能适应线路等条件，保证轮对相对于构架能上下、左右、前后运 动;驱动装置，将机车动力装置的功率最后传递给轮对;基础制动装置， 将制动缸传来的力通过一套杠杆系统增大若干倍后，传给闸瓦，使其压紧 车轮，进行机车制动。 转向架在机车运行中发挥着很重要的作用，主要有以下几个方面: 1 . 承受机车 卜 部结构的重力，包括车体、车架、架油机、部分传动装 置及各种辅助装置的重力; 2 . 把电传动的牵引电动机或液力传动的万向轴的回转功，通过轮对压 在钢轨上 转动而产生牵引力，并传递牵引力到车钩上以牵引列车; 3 ， 缓和线路对机车的冲击并保证机车具有较好的运行平稳性; 4使机车能顺利的通过曲线; 5 . 产生必要的制动力，以 使机车在规定的制动距离停车。 3 . 1 . 2机车轴箱的结构特点及作用简介 1 7 a a z i ,;f 硕 士 学 位 论 文 轴箱是连接轮对和构架的活动关节。它装在车轴两端轴颈上，用来将 全部簧上载荷( 包括铅垂方向的动载荷) 传给车轴，并将来自轮对的牵引力 或制动力传到构架上去。此外，它还传递轮对与构架间的横行和纵向动作 用力。 轴箱与构架的连接方式对机车的运行品质有很大影响，这一连接通常 称为轴箱定位，轴箱定位应保证轴箱能够相对于转向架构架在弹簧振动时 作垂向运动;在机车通过曲线时还能少量横移。 轴箱为拉杆定位的无导框式。箱体通过上下轴箱拉杆与构架相连接， 拉杆销接处有橡胶套，销子两端有橡胶垫，由于 采用这种带有橡胶关节的 轴箱拉杆定位方式， 轴箱可以依靠橡胶关节的径向、轴向及扭转弹性变形， 实现各个方向的相对位移，使轮对与构架的联系成为弹性，适当选择它的 横向刚度和纵向刚度，可以显著改善机车的运行稳定性。 这种无导框轴箱的优点是:轴箱与构架间不需要润滑，也不存在磨损; 轮对不能自由横动，有利于改善蛇行运动;轮对与构架的弹性连接具有缓 和冲击和隔音的作用;轮缘磨耗比导框定位小。因此，无导框轴箱已在我 国新型机车上获得广泛采用。 3 . 1 . 3轴箱轴承的结构特点及作用简介 机车车轮通过轴箱、弹簧与转向架构架、从而与机车车体相连。轴箱 的滚动轴