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診斷滾動元件軸承故障時須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

 

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

 

帶寬對于軸承缺陷的早期檢測至關(guān)重要。在旋轉(zhuǎn)期間，每次撞擊缺陷時，都會產(chǎn)生包含高頻內(nèi)容的脈沖（參見圖7）。對軸承缺陷頻率（而非旋轉(zhuǎn)速率）的諧波進(jìn)行監(jiān)測可發(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到缺陷，避免系統(tǒng)諧振和系統(tǒng)噪聲（會影響較低頻段）的影響。

 

動態(tài)范圍對于軸承缺陷監(jiān)測也很重要，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。負(fù)載增加會導(dǎo)致作用在軸承和缺陷上的力增加。軸承缺陷也會產(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。隨著機(jī)器在停止/啟動情況下或正常運(yùn)行期間的速度上升和下降，變化的速度會為系統(tǒng)諧振激發(fā)創(chuàng)造潛在的機(jī)會，導(dǎo)致更高幅度的振動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)檢測之類的技術(shù)可以從寬帶寬振動數(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、潤滑不良和齒隙，偶爾也會因?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問題？

 

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

 

如何檢測和診斷齒輪故障？

 

由于難以將振動傳感器安裝在故障附近，以及系統(tǒng)內(nèi)多種機(jī)械激勵引起的相當(dāng)大背景噪聲的存在，齒輪故障的檢測很棘手。在更復(fù)雜的齒輪箱系統(tǒng)中尤其如此，其中可能有多個旋轉(zhuǎn)頻率、齒輪比和嚙合頻率6。因此，檢測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。

 

在振動分析方面，加速度計通常安裝在齒輪箱殼體上，主要振動模式是軸向振動7。健康齒輪產(chǎn)生的振動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，每次旋轉(zhuǎn)中的振動信號將包括系統(tǒng)對相對低能級的短時沖擊的機(jī)械響應(yīng)。這通常是低幅度寬帶信號，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和機(jī)械部件的能量，因此頻譜分析可能無法檢測早期齒輪故障。時域技術(shù)（例如時間同步平均）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。

 

診斷齒輪故障時須考慮哪些系統(tǒng)規(guī)格？

 

一般來說，寬帶寬對齒輪故障檢測非常重要，因?yàn)辇X輪齒數(shù)在頻域中是乘數(shù)。即使對于相對低速的系統(tǒng)，所需的檢測頻率范圍也會快速上升到數(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)可能會使振動信號發(fā)生較高程度的衰減，因此能夠檢測低能量信號至關(guān)重要。此外，由于信號不是靜態(tài)周期信號，因此不能依賴于從高本底噪聲中提取低幅度信號的標(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振動特征的齒輪箱環(huán)境中尤其如此。除了這些考慮因素之外，早期檢測的重要性不僅僅是出于資產(chǎn)保護(hù)的原因，還出于信號調(diào)理的原因。已經(jīng)證明，單齒斷裂故障的情況與兩個或更多齒斷裂的故障情況相比，前者的振動嚴(yán)重程度可能更高，這意味著在早期進(jìn)行檢測可能相對更容易。

 

結(jié) 語

 

雖然常見，但不平衡、未對準(zhǔn)、滾動元件軸承缺陷和齒輪齒節(jié)故障只是高性能振動傳感器可以檢測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)時間，提高效率，并使下一代設(shè)備具備新能力。

 

 

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