（机械制造及其自动化专业论文）卸船机台车车轮轴承故障检测与诊断系统的研制.pdf

浙江大学硕十学位论文 全文摘要 随着世界海运业的不断发展 大型卸船机在港口的货物装卸中得到越来越广 泛的应用 许多针对卸船机的状态监测和故障诊断研究也随之开展起来 本论文 以上海宝钢原料码头卸船机为研究对象 针对卸船机运行时很常见的台车车轮轴 承故障丌展了一系列研究工作 通过大量理论调研和现场分析 提出一套具有实 时状态监测和故障诊断功能的应用方案 并在该应用方案的基础上实现系统的具 体设计 本设计中的系统由两大部分组成 基于u a 3 0 1 的下位机数据采集系统和基 于p c 的上位机信号分析系统 上 下位机之间通过u s b 总线实现数据传输和 采样控制 系统设计以轴承振动信号采集及其分析为中心 通过采集轴承振动信 号 提取信号中轴承失效特征 并建立台车车轮轴承的振动档案和失效判别标准 以完成轴承故障的检测和诊断 论文详细介绍了上位机信号分析软件 结合原料码头现场环境和实际需求 针对卸船机轴承低速重载特点 提出了具有创新性和可行性的信号采集和分析方 案 其中包括多通道数据采集 显示和比对 异常信号自动捕捉和提示 时间段 内高频连续采样等 并在软件设计中采用动态链接库的调用 多线程控制以及数 据文件和数据库结合的数据管理等手段 该软件具有良好的人机交互界面 操作 简便 功能可扩展性强和升级方便 为提高系统的实际工作能力 改进和完善系统的设计方案和功能 操作人员 多次在原料码头进行现场试验和测试 将现场采集信号分析的结论与轴承检修结 果进行验证 并将结果反馈给系统判断标准库 对系统进行升级 进一步提高了 系统的有效性和可靠性 多次现场实验证明 本系统在卸船机轴承的故障检测和 诊断中结果准确 运行稳定 具有良好的应用前景和经济效益 关键词 卸船机 轴承 振动检测 信号分析 故障诊断 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ew o r l d ss e as h i p p i n gc o n t i n u a l l yd e v e l o p i n gd a yb yd a y t h el a r g e s c a l es h i p u n l o a d e r sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ec a r g o s l o a d i n ga n du n l o a d i n gi np o r t a n dt h er e s e a r c hi na c c o r d a n c eo ft h es t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fs h i p u n l o a d e ri sa l s ou n f o l d i n g t h i st h e s i ss t u d i e so nt h es h i pu n l o a d e ro fs h a n g h a i b a o s t e e lr a wm a t e r i a ld o c k i td e v e l o p sas e r i e so fs t u d yw o r ki nv i e wo ft h ef a u l t s o ft r o l l e yw h e e lb e a r i n gw h i c hu s u a l l ya p p e a rw h e nt h es h i pu n l o a d e r si si nm o t i o n a n di tb r i n g so u tas e to f p r a c t i c a lp l a n sw h i c hc o n t a i n st h ef u n c t i o no f r e a lt i m es t a t u s m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s a n dr e a l i z et h es y s t e m a t i ca n ds p e c i f i cd e s i g nb a s i n g o nt h i sa p p l i e dp l a n t h es y s t e mo f t h i sd e s i g ni sc o m p o s e do f t w op a r t s t h ed a t as a m p l es y s t e mo f u p p e r p a r tb a s e do nu a 3 0 1a n dt h es i g n a la n a l y z i n gs y s t e mo fl o w e rp a r tb a s e do np c t h e u p p e ra n dl o w e rp a r t st r a n s m i td a t aa n dc o n t r o ls a m p l et h r o u g hu s b c e n t r a ll i n e t h e d e s i g no f t h es y s t e mc e n t r e so nc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gt h eb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s a n de x t r a c t st h ef e a t u r e so f b e a r i n gi n v a l i d a t i o nt h r o u g hc o l l e c t i n gt h es i g n a l s i ta l s o s e t su pt h ea r c h i v e so ft r o l l e yw h e e lb e a r i n gv i b r a t i o na n dt h ej u d g es t a n d a r do f i n v a l i d a t i o n i no r d e rt of i n i s ht h ef a u l tt e s t i n ga n dd i a g n o s i so f b e a r i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e st h es i g n a la n a l y z i n gs o f t w a r eo ft h eu p p e rp a r ti nd e t a i l c o m b i n e dw i t ht h ee n v i r o n m e n t so fr a wm a t e r i a ld o c ka n dt h ea c t u a ln e e d s a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r so fl o w s p e e da n dh e a v y l o a d e ds h i pu n l o a d e rb e a r i n g i tp u t sf o r w a r ds o m ec r e a t i v ea n df e a s i b l ep l a n so fs i g n a lc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n g i n c l u d i n gd a t a sc o l l e c t i n g s h o w i n ga n dc o n t r a s t i n gt h r o u g h v a r i o u sc h a n n e l s u n u s u a ls i g n a l s a u t o m a t i cc a t c h i n ga n dp r o m p t i n g h i g h f r e q u e n c ys a m p l ew i t l ls o m e t i m e a n ds oo n t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea d o p t st h et r a n s f e ro fd y n a m i c l i n k l i b r a r y m u l t i t h r e a dc o n t r o la n dt h ec h a r g ec o m b i n ed a t ad o c u m e n t sw i t hd a t a b a s e e t o t h i ss o f t w a r eh a sm a n m a c h i n em u t u a lb o u n d a r yp l a n e s oi tc a nb ee a s i l y o p e r a t e da n dc o n v e n i e n t l yu p g r a d e d t oi m p r o v et h ep r a c t i c a lw o r ka b i l i t i e s t h ed e s i g np l a na n dt h ef u n c t i o no f t h es y s t e m t h eo p e r a t o r sw e n tt ot h er a wm a t e r i a ld o c kf o rm a n yt i m e st od ot h ee x a m i n a t i o no f t h es c e n e v e r i f i e dt h ec o n c l u s i o no fs i g n a lc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n ga n dt h er e s u l to f b e a r i n ge x a m i n a t i o n a n ds e n tt h ef e e d b a c kt ot h ej u d g es t a n d a r db a s eo ft h es y s t e m t h e nt h es y s t e mi su p g r a d e ds ot h a tt h es y s t e mb e c a m em o r eu s e f u la n dr e l i a b l e 浙江大学硕士学位论文 m a n ye x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a t t h i ss y s t e m sm o n i t o rr e s u l to ft h e s t a t u s m o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so ft h es h i pu n l o a d e r sb e a r i n gi sv e r ye x a c t t h e s y s t e mc a r lm o v es t e a d i l y a n di th a sg o o da p p l i e dv i s t a sa n de c o n o m i cr e t u r n s k e yw o r d s s h i pu n l o a d e r b e a r i n g v i b r a t i o nt e s t i n g s i g n a l sa n a l y z i n g f a u l t d i a g n o s i s 1 1 1 学号2 0 4 0 8 0 5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人己经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 王江哞 签字日期 j 咖6 年石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和 借阅 本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 五旺t 罐 签字日期 上呻 年6 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 订f 旺 罐懒看缘珂电话 研fi 甥朽5 7 通讯地址 板 州渤建复熙 s 7 邮编 弓f 呻f 多 矩 同 浙江丈学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在经济全球化的今天 港口作为交通运输业重要的组成部分 在国际经贸交 流中扮演着门户的角色 成为沿海国家和地区经济发展的重要依托 港口建设的 飞速发展 也对港口装卸设备管理提出了新的要求 当今我国正在各行业大力推 行设备状态监测与故障诊断技术 特别是化工 冶金 交通等行业已取得初步成 效 卸船机作为港口装卸的重大设备 对其零部件进行状态监测和故障诊断的工 作也已经方兴未艾地展开 1 2 论文研究背景 宝钢原料码头位于长江入海口 货物年吞吐量3 0 0 0 万吨 宝钢生产所需原 料的9 5 以上是通过原料码头进入各个分厂进行加工生产的 一旦出现卸船机在 作业过程中发生故障的情况 不仅会造成轮船货物无法按时装卸 在规定的时间 不能离港 使港口的声誉受到影响 更会因为原料供应不及时 产生连锁反映 从而影响宝钢的整体作业 如图1 1 所示就是上海宝钢原料码头卸船机全景图 图1 1 上海宝钢原料码头卸船机全景图 台车车轮轴承是卸船机的关键零部件 同时也是易损部件 以前人们只是在 设计领域关注台车车轮轴承装置 投入使用后便很少对它进行监测 但随着近年 来台车车轮轴承故障逐年增多 由轴承故障引起的事故时有发生 不仅造成严重 浙江大学硕十学位论文 的经济损失 同时也成为码头安全生产的隐患 因此 港口设备管理部门迫切需 要一套针对卸船机台车车轮轴承的故障检测和诊断系统 以便能够及早的发现问 题 在影响装卸作业以前 排除故障 保证作业的正常进行 基于上述情况 上 海宝钢运输部委托浙江大学展开卸船机台车车轮轴承故障检测和诊断系统的研 究 本论文的工作就是在该研究的基础上进行的 宝钢原料码头有多架港口卸船机 持续频繁的运行常常导致设备故障 由于 卸船机与货物整个重量都施加于行走车轮 车轮轴承要承受巨大的负荷 同时为 保证大型货轮货物的顺利装卸 卸船机必须沿着轨道来回行走 因此卸船机台车 车轮轴承运行时会出现突然故障 导致停工停产 造成巨大的经济损失 对港口卸船机台车车轮轴承的检测和维护 目前采取的是定期预防性维修制 度 即根据以往经验 结合卸船机的工作负荷和累计运行时间 定期地进行大修 轴承大修周期为4 年 每次大修需要6 天时间 而这个定期维修实际上就是对大 车轴承进行分解检查 操作人员直接观察轴承是否完好 如果在分解检查中没有 发现轴承损坏现象 为了避免在以后的工作运行中出现因故障而导致的停车 就 采用测量轴承间隙的方法来预测轴承的工作寿命 当发现某一轴承的轴承间隙较 大 一般是大于轴承安装初间隙的2 倍 时 就更换该轴承 这种维修制度缺乏 可靠依据 往往无法达到有效的故障检测效果 按照规定 轴承工作期限满8 年 不管其检查结果是否正常 都需要更换轴承 实际情况下 许多轴承的工作 寿命都要超过8 年 然而由于缺乏可靠的检测手段 为了不影响生产 只能采用 适当的过剩维修的方式来保证较低的故障率 卸船机采用的全部是n s k 或s k f 的进口轴承 平均每个轴承价格为3 0 0 0 元 每台卸船机有 个轴承 轴承费用再加上人工检修费 则整机更换一次轴 承需要各种费用3 0 余万元 每台卸船机的日工作能力为1 5 万吨 按每吨运费 1 2 元计 一天可创造经济效益1 8 万元 而一次停机检修至少需要3 天时间 因 此这种定期维修方法每次所造成的直接经济损失就达8 0 多万 如果轴承发生突 然故障 一个轴承的抢修的时间至少1 2 小时 带来3 5 万吨的生产损失和8 4 万元 抢修费用翻倍 的抢修人工费以及3 0 0 0 元的备件费 总共损失5 万元 而原料供应不及时给生产带来的间接损失将会更大 这种定期维修机制不仅造成极大的资源浪费 而且在两个维修期之间 设备 出现故障却不能被提前发现 不可避免的出现一些大型事故 一方面 设备维修 工作量大 消耗大量人力物力 影响生产 另一方面 频繁的拆装设备会使设备 性能加速劣化 缩短其使用寿命 因此 这种维护方法已经越来越难以适应现代 化港口作业要求 如果能研制出一套针对卸船机台车车轮轴承的检测系统 不仅能有效的避免 过剩维修以及突发故障所带来的经济损失 提高轴承的工作寿命 节省大量的人 2 浙江大学硕士学位论文 工费用 更可以合理安排每台卸船机的工作计划 从而保证码头和整个宝钢生产 系统流水作业的顺利进行 1 3 论文研究工作 本文在多次现场分析和详尽理论调研的基础上 提出了一套针对卸船机台车 车轮轴承故障检测与诊断的方案 并在该应用方案的基础上实现系统的具体设 计 论文的主要工作如下 1 通过多次现场调研 详细分析了码头卸船机台车车轮轴承工作环境及运 行特性 并明确系统设计的需求 2 查阅大量资料文献 研究了当前国内外针对轴承的故障诊断设备的优缺 点 分析常规轴承振动信号分析方法在低速重载轴承故障诊断应用中的局限性 3 针对现场环境和轴承低速重载的特点 结合常规轴承故障诊断设备的优 点 提出一套适合卸船机台车车轮轴承故障检测和诊断的系统设计方案 4 在系统设计方案的基础上 实现了系统的具体设计 并多次在现场对系 统进行调试 应用 根据应用情况对系统提出改进和完善 以提高系统工作能力 1 3 1 宝钢原料码头卸船机台车车轮轴承特性分析 滚动轴承是机械设备中应用最为广泛的旋转部件之一 也是机械设备中最容 易损坏的部件之一 其运转性能的好坏直接影响整台机器的性能 据统计 旋转 机械现场实际故障中3 0 是由于滚动轴承故障造成的 因此 对滚动轴承的故 障诊断和预测技术是近年来国内外发展的重点 在装卸大型船舶的货物时 卸船机需要沿着码头上的轨道来回行走 而船舶 靠港后就不需要移动 这个过程是通过卸船机的四个行走装置来实现的 根据其 位置分别命名这四个行走装置为陆侧上游 陆侧下游 海侧上游和海侧下游 行 走装置的结构如下图1 2 所示 其实物局部如图l 一3 所示 图1 2 卸船机行走装置结构示意图 3 浙江大学硕士学位论空 图1 3 卸船机行走装置局部实物图 如图1 2 所示 每个行走装置有八个车轮 每个车轮有两个轴承 计有十六 个轴承 卸船机工作时 其质量和货物的重量都施加于车轮 故轴承需要承受很 大的径向载荷 而卸船机抓斗在悬臂梁上移动时 车体在轴承的轴向上有一个轻 微的摆动 因此轴承承受一定的轴向载荷 与一般工业中的轴承相比较 卸船机台车轴承具有轴承节圆直径大 转速慢 工作频率低 载荷大且变化范围广 故障特征难以捕捉以及外界冲击信号强等特 点 是典型的低速重载轴承 其特征如下 1 设备参数 卸船机台车采用n s k 或s k f 轴承 型号是2 2 2 2 8 c 系调心滚予轴承 有 1 8 颗滚动体 内径1 4 0 m m 外径2 5 0 m m 宽6 8 m m 动态额定负荷7 3 0 k n 静 态额定负荷1 0 8 0 k n 轴承重量1 4 4 k g 2 t 作参数 大车车轮直径为5 0 0 m m 车轮轮压为3 0 1 大车的行走速度2 0 n d m i n 经计 算可知 大车车轮的转速为o 盈r s 即5 秒左右转一圈 可知 台车轴承的转速 很慢 工作时的振动频率也是非常低的 属于低频振动 3 载荷 卸船机工作时 卸船机本身的质量和货物的重量一起施加于车轮 车轮轴承 工作在重载状态下 此外 卸船机所受载荷的变化范围比较大 这主要受两方面 因素的影响 第一是设备提取的货物形式不一 散货比重大小不同 货件长短不 一 吊起时振摆都将会在受力测点中反映出来 第二是人为因素 同样的货物在 装卸过程中不同的人操作设备会得到不同的参数 4 外界冲击 港口码头的工作条件比较恶劣 工作环境复杂 在现场通过传感器采集振动 4 浙江大学硕士学位论文 信号时 往往会将许多干扰信号采集并显示 如何识别有效信号和冲击信号 如 何从轴承的振动信号中提取有用信息 也是故障检测和诊断的一个重点和难点 5 故障特征捕捉 通过振动信号来对设备的故障进行检测和诊断 需要对振动信号所包含故障 特征进行识别和提取 而轴承的振动信号并不是都包含故障信息的 例如当滚动 体出现点蚀失效时 只有在滚动体的点蚀部位与轴承内外圈产生啮合的时候 传 感器彳能采集到滚动体发生点蚀的振动信息 在低频振动的情况下 采集到包含 故障特征的振动信号时间间隔会很大 只有保证在故障特征出现的时候将该特征 捕捉 才能更有效地实现故障检测和诊断 在设计针对卸船机台车车轮轴承的信号检测和故障诊断系统时 必须充分考 虑该轴承的特点 并结合现场的实际情况和需求 从而保证故障检测和分析的准 确性 1 3 2 轴承故障检测的常规方法及其局限性 滚动轴承故障诊断的目的是在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 内有效可靠地运行 以保证整个设备的工作精度 目前针对轴承的故障诊断方法有温度法 油样分析 法和振动信号分析法等 其中最常用的是振动信号分析法 常规轴承的振动信号 分析都是利用传感器采集轴承的振动信号 并对信号进行分析处理 从而达到状 态监测和故障诊断的目的1 2 1 如图1 4 所示是常见轴承故障诊断设备工作的全过 程 图1 4 轴承故障诊断的步骤 目前在轴承故障诊断领域内的诊断仪器大都是采用离线检测的方式 操作人 员利用检测设备对轴承进行定期检修 通过观察仪器对振动信号的处理后得到的 图表或参数值是否异常 从而得到轴承的工作状态信息 目前对于滚动轴承的故 5 浙江大学硕士学位论文 障分析方法主要分为两大类 一种是通过共振解调方法寻找故障初期冲击脉冲 这一方法主要用于轴承故 障的早期诊断 当故障较严重时 此方法效果不好 另一种是通过计算轴承各部件的故障频率 如内圈故障频率 外围故障频率 滚子故障频率等 直接对所测信号进行频谱分析 检查在轴承故障频率处有无频 率成份 故障振动能量 由此来诊断轴承故障 这种方法主要用于轴承故障已 较严重的情况 许多轴承故障诊断仪器将以上两种方法结合使用 以期能获得较好的诊断效 果 有效识别各种失效形式 但是 卸船机台车车轮轴承是典型的低速重载轴承 其振动信号具有冲击能量小 冲击间隔大以及冲击响应频率低等特点 利用常规 的轴承故障诊断设备往往不能达到理想的诊断效果 其原因主要是 1 低速重载轴承转速很低 计算出来的轴承故障频率只有几h z 甚至i h z 以下 无法通过频谱直接分析进行诊断 而且很多环境噪声都属于低频噪音信号 它们的影响使得频谱直接分析效果很差或无法分析 原料码头台车车轮轴承转速 只有1 2 r a d m i n 这么低的转速不宜采用直接频谱分析法 2 冲击脉冲法是通过观察瞬态出现的冲击脉冲信号来判断轴承的工作状态 信息 由于轴承转速低 每次出现故障冲击的间隔时间较长 因此利用冲击脉冲 法很难准确检测到故障信号 此外 一般的轴承故障诊断设备智能化程度不高 捕捉出现的冲击脉冲依靠操作人员的观察 很容易出现漏诊 3 由于低速重载轴承振动信号冲击能量小 出现故障信息需要操作人员进 行详细复杂分析才能发现 而常规的轴承故障诊断设备不支持信号存储功能 或 只能存储少量的数据 无法实现历史数据回放 故障的诊断准确率无法得到保证 4 每台卸船机有6 4 个车轮轴承 而一般的轴承故障检测设备只能提供一个 或两个通道的数据采集 检测一台卸船机的轴承故障需要多次操作 诊断效率低 而且不能实现同一时刻各个轴承状态对比分析 基于上述原因 可知常规的轴承故障诊断设备和检测手段不适用于卸船机台 车车轮轴承的故障诊断 无法有效达到故障诊断和特征提取的目的 卸船机台车 车轮轴承故障检测与诊断系统设计时需要一套针对低速重载轴承故障检测的方 法 以完成对卸船机台车车轮轴承的故障检测与诊断 1 3 3 低速重载轴承故障检测方法 由于传统的轴承故障诊断设备和常规的轴承故障诊断方法无法有效达到检 测低速重载轴承故障的目的 因此需要提出一些针对低速重载轴承的故障诊断方 法 以实现对卸船机台车车轮轴承的故障诊断 系统设计人员在充分考虑卸船机台车车轮轴承特点的前提下 结合传统的轴 6 浙江大学硕士学位论文 承故障诊断设备的优点和现场实际需求 提出针对低速重载轴承的设计方案 方 案要点如下 1 一次可检测多个通道的轴承振动信号 从而提高轴承检测的效率 同时 实现同一时刻各轴承状态对比 2 系统有很大的数据存储容量 能存储大量的历史数据 以供详细分析和 历史数据回放 3 针对卸船机轴承振动信号冲击能量小 冲击间隔大的特点 系统需要提 供轴承的几个振动周期内信号连续采样并保存的功能 以提高故障特征提取能 力 另外 系统还必须具有该组信号的连续回放功能 4 系统具有较高的智能化程度 当多通道同时采集振动信号时 可以自动 抓取一些操作人员没有发现的故障信号 保存并提示操作人员 此外 对于复杂 的噪声和外界冲击 具有一定的过滤功能 5 低速重载轴承的故障信息主要包含在低频故障特征频率段 几h z 或者 i h z 以下 和高频冲击响应频率段 1 k h z 到4 l z 内 前者需要系统具有足 够的频率分辨率 而后者需要系统具有较高的采样频率 以保证能采集到高频信 号 根据上述设计思路 在系统设计时 采用十六通道数据采集显示 外界冲击 滤波 低频信号分析 4 1 可疑信号抓取以及高频连续采样 5 1 等一系列手段来完成 对低速重载轴承故障的检测和诊断 1 3 4 卸船机台车车轮轴承故障检测与诊断系统实现 卸船机台车车轮轴承故障检测与诊断系统的设计分为下位机设计和上位机 设计 两者相互依存 下位机负责数据的采集 发送 是系统的载体 设计时充 分考虑了其采样能力 最高采样频率 采样通道等 数据传输能力 传输稳定 性 传输速度等 而上位机负责数据的存储 处理以及显示 设计时注重其处 理数据的能力 信息提取能力以及故障诊断准确性等 下位机是基于u a 3 0 1 数 据采集卡而设计的数据采集系统 而上位机是利用c b u i l d e r 编写的信号分析 软件 系统能完成如下功能 1 下位机支持十六通道信号采集并传输 上位机能接收十六通道数据 并 能实现这些数据的波形显示和数据表格比对 2 系统经过判断 能过滤外界冲击信号 提高信号的信噪比 同时 系统 还能自动捕捉操作人员没有发现的异常信号 3 针对低速重载轴承运行异常时会产生高频冲击响应的特征 引入高频连 续采样和历史数据连续回放的功能 通过观察轴承的高频响应冲击情况 来判断 轴承的工作状态 7 浙江大学硕士学位论文 4 系统能完成振动信号的时域参数指标分析 相关特性分析 幅频特性分 析 功率谱分析以及倒频谱分析等 并通过波形图 表格等方式表达上述分析结 果以更有效地提取振动信号中的故障信息 5 系统将各个轴承的数据存储在数据库中 建立每个轴承的运行状态档案 并可以实现轴承的工作状态趋势分析 6 系统支持振动信号各种波形图打印 报表打印以及诊断报告打印 1 4 论文研究意义和结构安排 本论文以上海宝钢原料码头卸船机台车车轮轴承故障检测和诊断为中心 结 合工业现场实际情况和需求 针对台车车轮轴承旋转速度慢 振动频率低 载荷 变化范围大 冲击信号强和信号故障特征不明显等特点 研制出一套满足现场需 求 适应轴承特性的台车车轮轴承故障检测和诊断系统 经过多次现场测试和应 用 证明本系统在原料码头卸船机台车车轮轴承的故障诊断上有一定效果 本系统的成功研制 为原料码头卸船机台车车轮轴承的故障检测和诊断提供 了可靠的工具 现场操作人员不再仅仅依靠经验和定期检修来完成卸船机的检测 和维护 提高了资源的利用率和故障诊断的准确性 通过适当的改进和完善 还 可将本系统的应用扩展到其它类似的低速重载轴承的故障检测和诊断 本论文介绍了卸船机台车车轮轴承故障检测和诊断系统的总体构架 然后重 点介绍了上位机信号分析系统的各个模块 阐述了数据信号在各个模块间的流动 过程 依照数据采集 数据存储和数据分析的顺序进行数据处理 并结合故障诊 断理论和现场数据分析实例来说明如何实现信号特征提取和故障诊断 因此 可以将本文的主要研究工作组织如下 1 第一章首先分析上海宝钢原料码头装卸设备的现状 并针对码头的卸船 机台车车轮轴承现有的故障诊断手段局限性提出了一套符合低速重载轴承特征 的故障检测和诊断系统研制方案 同时还介绍了本论文的结构 2 第二章列举了几种比较常见的滚动轴承失效形式 并详细阐述了几种轴 承振动信号处理分析手段 以及滚动轴承的振动检测方法 3 第三章对卸船机台车车轮轴承故障检测与诊断系统进行总体论述 并详 细描述了负责数据采集的下位机和负责信号分析的上位机 以及负责数据传输的 u s b 技术 4 第四章重点描述了信号分析软件 详细阐述了软件设计方案 并将软件 的各个模块功能及其之间的通信加以详细分解 5 第五章介绍了在宝钢原料码头的现场试验 结合在现场测试时出现的一 些问题 提出了改进方案 并举例说明利用系统进行信号分析的过程 6 第六章对所研究的内容进行总结 并对相关技术进行展望 8 浙江大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特性及其振动信号分析方法研究 2 1 引言 判断滚动轴承的损伤状况及其原因是项十分复杂的工作 对于低速重载轴 承 缺乏成熟判定标准库 因此只能在现有理论的基础上 建立一套自己的故障 特征库和判定标准库 一方面 系统采集轴承振动信号 提取该振动信号的特征 表现形式 分类总结 并将这些信号特征存储在特征库中 另一方面 设计人员 将已确认的失效轴承分解验证 以提高故障标准库的可靠性 如图2 1 所示是判 断轴承损伤状况及其原因的过程 验证 图2 1 判断轴承损伤状况及其原因步骤 一般来说一个已损伤的轴承会有一种或多种损伤征兆出现 而造成这些损伤 现象的原因可能是单一故障也可能是多个故障的综合效应 其间的相互界限不可 能划分的非常清楚 轻微损伤的轴承可以从其工作表面的磨损状况 磨损的轨迹 等征兆来推断出失效的真正原因 损伤严重的轴承或是因突发事故而完全报废的 轴承拆装后观察到的最终现象可能仅仅是咬死和烧毁 初始损伤的痕迹早已被覆 盖 很难识别出使轴承报废的真正原因1 6 1 本章针对滚动轴承的故障特性 首先介绍了几种常见的轴承失效形式 以及 造成失效的原因 然后将轴承振动分解为轴承的传播振动即正常工作振动和轴承 故障振动即异常振动 并针对两种信号 提出了滚动轴承各部分的故障特征频率 接着 研究了如何在现场应用中有效地选择测量对象 测试方法以及标准制定等 本章还研究了现今比较常用的几种轴承振动信号的处理方法 并结合现场采 集实际信号进行讲解分析 同时 还提出将几种信号处理分析方法结合使用 以 达到快速准确的识别滚动轴承工作状况的目的 9 浙江大学硕十学位论文 2 2 滚动轴承的故障特性分析 2 2 1 滚动轴承失效的基本形式 1 滚动轴承的磨损失效 7 州 磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式 是指轴承滚道 滚动体 保持架 座孔或安装轴承的轴颈 由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损 在恶劣的工 作条件下 许多杂质会混杂在润滑油中 进入轴承 从而就会在滚动体和滚道上 产生磨料磨损 在滚动体和滚道上出现不均匀的划痕 磨料的存在是轴承磨损的 基本原因 2 滚动轴承的疲劳失效 疲劳是滚动轴承的另一种失效形式 常表现为滚动体或滚道表面剥落或脱 皮 初期是在表面上形成不规则的凹坑 以后逐渐形成片 滚动轴承在工作时 由于滚动体与内 外圈接触面积很小 因此接触应力很大 在高速旋转时 由于 巨大交变接触应力多次反复作用 轴承元件金属表面就会发生疲劳 产生剥落 形成小凹坑 造成剥落的主要原因是载荷引起的交变应力 有时是因为润滑不良 或强迫安装 3 滚动轴承的腐蚀失效 由于湿气或水分侵入轴承或由于使用了品质不好的润滑油 就会在轴承表面 形成腐蚀 轴承零件表面的腐蚀是由下面三种原因造成的 第一种是润滑油水分 或湿气的腐蚀 第二种是电腐蚀 第三种是微振腐蚀 4 滚动轴承的断裂失效 轴承零件的断裂失效主要是由于磨削或热处理引起的 也有的是由于运行时 载荷过大 转速过高 润滑不良或装配不善 使轴承某个部位发生应力集中 产 生裂纹 最后导致轴承元件断裂 5 滚动轴承的压痕失效 压痕是由于轴承过载 撞击或异物进入滚道内使得滚动体或滚道表面上产生 局部变形而出现的凹坑 其原因主要是由于装配不当 有时也可能是过载或撞击 造成 6 滚动轴承的胶合失效 胶合发生在滚动接触的两个表面间 是一个表面上的金属粘附到另一个表面 的现象 当滚子在保持架内被卡住 由于润滑不良 速度过高和惯性力的影响 保持架的材料粘附到滚子端面上形成螺旋型污斑状的胶合 原料码头卸船机轴承的失效的主要形式是前两种 即磨损失效和疲劳失效 由于码头环境比较恶劣 特别是装卸煤时 挥洒出来的煤渣常常会进入轴承的滚 1 0 浙江大学硕士学位论文 道 从而引起轴承表面磨损 而卸船机长期重载工作 且连续运行时间长 极易 发生疲劳失效 2 2 2 滚动轴承振动分解 滚动轴承引起的振动 原则上可分为两大类p 1 0 2 2 1 一种是与轴承的弹性有 关的振动即轴承的工作振动 另一种是与轴承滚动表面的状况 波纹 伤痕等 有关的振动 前者代表滚动体的传播振动 这种振动不管轴承正常还是异常 都 要发生 所以与轴承的异常诊断无关 后者与轴承状态的关系则需具体分析 首先 由于轴的转动 形成滚动体在内外圈之问的滚动 即产生了滚动体相 对与内外圈的滚动 从表面上看 轴承滚动非常平滑 但从微观看 仍有许多细 小的凹凸 滚动体在这些凹凸上转动时 就将产生交变的激励力 由于滚动表面 的凹凸形状的无规则性 因此激励力具有多种频率成分 具有随机性质 因此 轴承 主要是外圈 和外壳形成的振动系统是一套随机振动系统 其次 滚动表面损伤的形态及其程度和轴的旋转速度决定了激励力的频谱 而轴承和外壳 轴承盖等 决定了振动系统的传递特性 它们二者共同决定了最 终的振动频谱 综上所述 轴承异常所引起的振动特性 与轴的旋转速度 损伤 部分的形状以及轴承与外壳振动系统的传递特性三者相关 对于某一特定的轴承 振动系统而言 其外壳所决定的振动系统的传递特定不大可能随着振动条件的改 变而发生变换 而一般来说 轴的旋转速度越高 且损伤的形态就表现的越显著 时 振动的频率就变高 同时 轴承振动系统中轴承的尺寸越小 其固有振动频 率越高 所以相同一种故障形式所产生的振动 不可能对所有轴承产生共同具有 的特征频率 另外 即使对同一轴承的轴承 当其产生异常时 几乎也不会只发 生单一特征频率的振动 滚动轴承运转时可能产生的振动主要有以下几种 1 滚动轴承的固有振动 滚动轴承在工作时 滚动体与内圈或外圈之间的相互滚动可能产生冲击而诱 发轴承各元件的固有振动 由于各轴承元件的固有频率仅取决于本身的材料 外 形和质量 所以与轴的转速无关 特别需要注意的是 轴承元件的固有频率值 会受其安装状态的影响 一般来说 滚动轴承元件的固有振动频率在数千h z 到 数十于h z 之问 属于高频振动 2 滚动轴承的载荷所引起的振动 以原料码头卸船机台车车轮轴承为例 当这些卸船机工作时 滚动轴承上受 到一个较大的载荷 包括卸船机本身的重量以及所装卸货物的质量 这样旋转轴 的中心将随振动体的位置而变动 因此载荷使轴承内外圈和滚动体产生了弹性变 形 因而引起振动 这类振动细分为下列几种状况 浙江大学硕士学位论文 滚动体的承载状态与滚动体位置变动而引起的振动 它由滚动体公转而 产生 这种振动有时称为滚动体的传输振动 旋转轴弯曲或轴装配不当引起的振动 滚动体直径不一致引起的振动 一个滚动体的直径比其它滚动体大时 轴心随滚动体公转频率 而变动 同时 由于轴向刚性不同而形成差别 因而发生包括 及 哌 z 其中z 为轴的旋转频率 n l 2 两种频率 分量的振动 这些振动的频率成分一般在1k h z 以下 装配时紧固过紧或过松引起的振动 此时滚动体在通过特定位置时 会 产生频率相等于滚动体通过周期的周期振动 3 轴承刚度非线性引起的振动 滚动轴承是依靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的 因此具有非线性弹 簧的性质 通常 滚动轴承的轴向刚度常呈非线性 当轴承的润滑状态不良时 容易出现异常的轴向振动 因而产生非线性振动 当刚度曲线呈对称非线性时 振动频率为轴心旋转频率及其倍频 当刚度曲线呈非对称非线性时 振动频率为 轴心旋转频率及其等分数谐频 刚度非线性引起的振动是一种自激振动 4 制造及装配等原因引起的振动 轴承在制造及装配过程中可能引起振动的原因主要有 轴弯曲导致轴承偏 斜 装配过紧或过松 滚动体大小不均匀 在滚道或滚动体的精加工表面上留有 波纹 轴承偏心 如游隙过大或滚道偏心等 5 轴承故障所产生的振动 在轴承工作时 如表面皱裂和磨损这类故障出现时间较长时 将使轴承滚动 接触面逐渐劣化 而此类故障产生的故障振动特征与正常轴承的振动具有相同的 性质 其振幅的概率密度分布大致为正态分布 由于这两者振动的频谱没有显著 的特征差别 因而一般的频谱分析方法较难检出表面褶皱此类故障 与正常的轴 承振动唯一区别是表面皱裂会伴随振幅变大 因此 振动的有效值和峰值比正常 时大 表面皱裂不会直接引起轴承的短期内破坏 其危害程度要比表面剥落和烧损 小的多 但是 表面皱裂是引起这些严重故障的导火线 现场轴承拆装检查发现 轴承的故障经常是多种故障并存 即不仅有表面皱裂 还伴随着点蚀 剥落等 当滚动轴承内外滚道或滚动体 滚珠 滚柱 滚锥 工作面上有疵点 裂纹或剥落 等缺陷时 由于滚动体与内外圈轨道周期性的相对接触 就会产生周期性的冲击 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 它有着陡峭的 前沿 且包含着很丰富的高频成分 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 浙江大学硕士学位论文 或 缺陷冲击重复频率 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 2 2 3 滚动轴承的故障特征频率 下面以单列角接触球轴承为例给出滚动轴承常用的故障特征频率的计算公 式 1 1 0 1 5 矧 设定滚动轴承的外圈固定 内圈随工作轴转动 工作轴转速为n r m i n 轴 承节径为d 姗 滚动体直径为d m m 接触角为b t a d 滚动体个数为z 假设滚动轴承各滚动体和内外圈表面闻的接触方式为纯滚动接触 内圈旋转频率 即工作轴转频 z 云 2 1 滚动体上某一固定点与内圈滚道或外圈滚道的通过频率 昙 1 掣m z 2 滚动体与内圈滚道上某一固定点的通过频率 厶 詈 1 妥c o s z 2 3 滚动体与外圈滚道上某一固定点的通过频率 厶 号 1 一岳c o s z 2 4 在外圈滚道上有故障时 则会产生频率为岛的脉冲激励 所以称 为外圈 的故障频率 同理 p 为内圈的故障频率 岛为滚动体的故障频率 上面的几个公式是滚动轴承故障特征频率的理论推导公式 在实际应用中 待分析滚动轴承的各几何尺寸参数存在误差 加之轴承安装后也会出现形变现 象 因而实际真实的故障特征频率值与理论推导值往往有所出入 因此在滚动轴 承故障特征频率抽取过程中需要在频谱图中的理论计算值附近寻找近似的数值 再做出判定 上述公式也适用于其它类型滚动轴承 系统的固有频率成分比较复杂 分布范围也很大 在实际应用中主要是考虑 三个频率区间段 i s k h z 来自轴承内 外圈的一阶径向固有振动 2 0 6 0 k h z 来自轴承其它零部件的固有振动 1 0 2 5 k h z 来自加速度传感器的一阶固有振 动的中心频率 已知 宝钢原料码头卸船机台车车轮轴承设备及工作参数如下 转速n 1 2 7r m i n 轴承节径d 2 0 0 m m 滚动体直径d 2 5 m m 接触角 1 3 1 5 一o 2 6 r a d 滚动体个数z 1 8 可计算出轴承滚动体及内 外圈的 故障特征频率为分别为 1 3 浙江大学硕士学位论文 外圈故障特征频率允一1 6 7 8 h z 内圈故障特征频率厶z 2 1 3 8h z 滚动体故障特征频率厶t o 8 3 6h z 其中 外圈故障特征频率约为滚动体故障特征频率的2 倍 内圈故障特征频 率约为滚动体故障特征频率的2 5 倍 可知轴承的故障特征频率很低 属于低频 振动 如何有效提取如此低的故障特征频率 并加以分离 是论文需要面对的一 项重点 也是一项难点 2 2 4 滚动轴承的振动检测 2 2 4 1 滚动轴承振动信号检测及分析方法特点 如上所述 滚动轴承在旋转机构中工作一段时间后 会产生各种各样的异常 和损伤 而这些异常和损伤都会在轴承的振动信号中表现出来 因此 设计人员 可以通过采集轴承振动信号来收集轴承故障信息 这就是振动诊断方法 该种方 法有如下优点 可以检测出各种类型轴承的异常现象 在故障初期就可以发现异常 由于振动信号发自轴承本身 所以不需要特别的信号源 信号检测和处理比较简单 2 2 4 2 滚动轴承振动检测方法要点 对滚动轴承采用振动信号采集来完成故障检测和诊断时 需要确定以下几个 要点1 3 1 测量位置和方向的选择1 6 1 6 1 若轴承座露在外面 测量位置应选在轴承座上 若轴承座装在内部 测量位 置应选在与轴承座相连刚性高的部分或基座上 测量时应在测量位置作出标记 每次测鐾不要改变位置 并注意保持测量部分表面的光滑性 传感器与冲击点距离要尽量小 同时 传导所经过的界面要少 以防止能量 过多损失 在有载荷的情况下 传感器应尽可能布置在载荷密度最大的地方 以 保证获取最大的振动信号 测量位置通常在水平 垂直6 轴向 z 三个方向上 测量时 由于设备 构造和安全等方面的限制 有时三个方向不可能同时都进行 这时可在x 与z 或 1 4 浙江大学硕七学位论文 y 与z 两个平面方向上测量 对于高频振动 一般因无方向性 也可在一个方向 上