齒輪及軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)試及故障診斷
2020-10-27 來(lái)源：同煤集團(tuán)晉華宮礦機(jī)電科 作者：王建都
摘 要: 結(jié)合煤礦井下機(jī)電設(shè)備齒輪和軸承部件具體運(yùn)行條件與環(huán)境，分析井下機(jī)電設(shè)備齒輪與軸承常見故障及原因，論述齒輪和軸承信號(hào)的振動(dòng)測(cè)試過程及振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理與分析，通過應(yīng)用齒輪及軸承故障診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障問題，為采取有效處理措施提供可靠的保證。
關(guān)鍵詞: 機(jī)電設(shè)備; 齒輪; 軸承; 故障診斷
0、引 言
煤礦井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)行效率及穩(wěn)定性對(duì)煤礦開采作業(yè)質(zhì)量有很大的影響。井下機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)逐漸向大型化與復(fù)雜化方向發(fā)展，尤其在井下惡劣環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，其齒輪部件及軸承部件故障頻發(fā)，導(dǎo)致井下采煤作業(yè)受到極為不利的影響。所以，以齒輪及軸承部件故障作為研究對(duì)象，探討故障檢測(cè)診斷的具體方法，為井下機(jī)電設(shè)備故障診斷提供參考與借鑒。
1、齒輪與軸承故障及成因
1.1、齒輪與軸承常見故障及測(cè)試振動(dòng)信號(hào)目的
井下作業(yè)中，作業(yè)主要對(duì)象是巖體以及煤體結(jié)構(gòu)，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程會(huì)受到較大的外界載荷作用，極易導(dǎo)致齒輪與軸承部件發(fā)生磨損。齒輪與軸承部件設(shè)計(jì)制造如果不合理，加之部件運(yùn)行時(shí)未很好的維護(hù)與保養(yǎng)，均易造成齒輪與軸承部件出現(xiàn)故障。
齒輪與軸承部件故障，主要包含兩類:
① 齒輪與軸承部件制造加工或者安裝時(shí)引發(fā)的故障問題，例如齒輪與軸承部件存在的制造誤差、軸線不能對(duì)中或者出現(xiàn)不平衡等;
② 齒輪與軸承實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的故障，因?yàn)辇X輪使用時(shí)會(huì)受到一定外力作用，齒輪與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在間接觸部位產(chǎn)生較大熱量，會(huì)引發(fā)脈動(dòng)問題發(fā)生，齒輪與軸承連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間工作狀況下，極易發(fā)生點(diǎn)蝕、磨損和裂紋等現(xiàn)象，甚至還會(huì)出現(xiàn)斷裂問題。
1.2、 故障測(cè)試振動(dòng)信號(hào)目的
（1) 通過對(duì)齒輪和軸承部件振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試，能實(shí)時(shí)掌握井下極端設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，確保井下機(jī)電設(shè)備齒輪和軸承部件在運(yùn)行過程中能一直保持在相應(yīng)的約束與限值之中，確保能實(shí)時(shí)了解到井下機(jī)電設(shè)備具體情況，若機(jī)電設(shè)備有異常問題，則發(fā)出相應(yīng)警報(bào)信號(hào)，確保維修人員能夠盡早開展維護(hù)工作。
（2) 為井下機(jī)電設(shè)備維護(hù)與檢修人員提供準(zhǔn)確的狀態(tài)描述，能有效減少設(shè)備的拆卸工作量，確保井下機(jī)電設(shè)備的完整性。
（3) 可在線實(shí)時(shí)對(duì)井下機(jī)電設(shè)備的維護(hù)與檢修進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)所獲得數(shù)據(jù)信息，能了解井下機(jī)電設(shè)備齒輪和軸承變化趨勢(shì)，確保井下機(jī)電設(shè)備預(yù)測(cè)維修工作獲得更可靠的數(shù)據(jù)支持。
2、齒輪和軸承故障信號(hào)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1、 測(cè)試系統(tǒng)功能
所設(shè)計(jì)的齒輪與軸承故障診斷系統(tǒng)是將傳感裝置設(shè)置于齒輪部件或者軸承部件之上，或者設(shè)置于與之相連的結(jié)構(gòu)之上，要求能采集齒輪以及軸承運(yùn)行所產(chǎn)生的各種參數(shù)信息，再把所采集的數(shù)據(jù)信息輸送至上位機(jī)之中進(jìn)行信息分析及處理。利用檢測(cè)項(xiàng)目我們可以對(duì)齒輪以及軸承部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所出現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)等各種信號(hào)加以實(shí)時(shí)檢測(cè)然后利用信號(hào)調(diào)理裝置對(duì)信號(hào)加以調(diào)理，為后續(xù)的信號(hào)分析與診斷工作提供更為可靠的數(shù)據(jù)信息，再結(jié)合檢測(cè)到的信號(hào)信息，對(duì)齒輪以及軸承所出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行分析。然后可以將分析結(jié)果采用報(bào)表方式輸出，并且能結(jié)合故障診斷所得結(jié)果，及時(shí)發(fā)出設(shè)備啟動(dòng)與停運(yùn)指令，完成設(shè)備的啟動(dòng)和停運(yùn)操作。
此測(cè)試系統(tǒng)具有以下功能：
( 1) 運(yùn)行參數(shù)收集功能。所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)擁有對(duì)齒輪和軸承部件運(yùn)行過程中相關(guān)參數(shù)信息實(shí)時(shí)進(jìn)行收集的功能。
( 2) 數(shù)據(jù)分析功能。所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于所收集的相關(guān)參數(shù)信息能夠?qū)崟r(shí)加以分析，并且得出相應(yīng)的分析結(jié)果。
( 3) 故障診斷的功能。所涉及的測(cè)試系統(tǒng)可以結(jié)合分析所得結(jié)果，利用時(shí)域分析方法，對(duì)齒輪和軸承的故障問題進(jìn)行有效與準(zhǔn)確的診斷。
( 4) 故障報(bào)警功能。所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可結(jié)合故障診斷結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)出故障警報(bào)，若是故障問題較為嚴(yán)重情況下，還可以發(fā)出停機(jī)指令，確保井下計(jì)算設(shè)備及時(shí)停止運(yùn)行，確保井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的安全性。
2.2、 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試流程
對(duì)井下機(jī)電設(shè)備齒輪和軸承部件進(jìn)行檢測(cè)，最為重要的是確保應(yīng)用傳感裝置，并且確保傳感裝置必須設(shè)置于適宜的位置。傳感裝置對(duì)齒輪和軸承振動(dòng)所收集的相關(guān)信號(hào)通常相對(duì)弱，因此，必須時(shí)信號(hào)放大處理后才能夠進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，因此要用到信號(hào)放大器裝置。將所收集的齒輪和軸承振動(dòng)放大處理后的信號(hào)輸送至信號(hào)調(diào)理裝置中完成濾波以及降噪等處理。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理裝置后所獲得信號(hào)為模擬信號(hào)，對(duì)于此類計(jì)算機(jī)設(shè)備無(wú)法有效識(shí)別，所以，振動(dòng)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)之前，必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。然后借助計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)一步開展時(shí)域分析，最終完成對(duì)齒輪和軸承部件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷。齒輪和軸承部件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)流程如圖 1 所示。
圖 1 齒輪和軸承部件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)流程
2.3、 振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能
( 1) 壓電式振動(dòng)加速度傳感裝置。此裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，在傳感器中質(zhì)量塊和被測(cè)量對(duì)象會(huì)同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)，在質(zhì)量塊震動(dòng)過程中，其會(huì)因?yàn)槭艿秸饎?dòng)的作用而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)對(duì)壓電晶體產(chǎn)生一定慣性力，不同振動(dòng)加速度情況下，所形成慣性力存在差異，由于慣性力不同作用與壓電晶體上的載荷不同，所產(chǎn)生的電荷也有所差異，并且兩者之間呈線性變化趨勢(shì)。所以，便可通過檢測(cè)電荷變化情況得到相應(yīng)的振動(dòng)加速度信號(hào)。
圖 2 壓電式振動(dòng)加速度傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖
( 2) 光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感裝置。在收集齒輪和軸承振動(dòng)信號(hào)過程中，如果要確保對(duì)齒輪和軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步、整周期采集，必須對(duì)齒輪以及軸承部件所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3，安裝此裝置時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)將帶有反光紙的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)固定于需要檢測(cè)的齒輪和軸承上，當(dāng)其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榉垂饧埡蛨A盤結(jié)構(gòu)的表面位置所對(duì)應(yīng)的反射率存在差異，因此，便會(huì)出現(xiàn)反光及不反光的交替現(xiàn)象，安裝于光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感裝置內(nèi)部的光敏部件便能夠檢測(cè)到相應(yīng)的信號(hào)。
圖 3 光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖
( 3) 信號(hào)調(diào)理裝置。通過利用信號(hào)調(diào)理裝置，能就所采集獲得的相關(guān)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)一步放大、過濾處理，同時(shí)還能起到供電作用，這樣便可確保所采集的信號(hào)能夠更好的與 A/D 相互匹配。此次所設(shè)計(jì)的齒輪和軸承故障振動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的信號(hào)調(diào)理裝置為CAMD－6200 型信號(hào)調(diào)理裝置，此種裝置能夠確保四個(gè)不同通道的振動(dòng)信號(hào)可同時(shí)輸入，能滿足系統(tǒng)需求。
3、振動(dòng)信號(hào)調(diào)理與故障分析
3.1、 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理
經(jīng)過相應(yīng)傳感裝置收集的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)由特定的調(diào)整后，才能夠繼續(xù)加以處理。信號(hào)的調(diào)整是將信號(hào)進(jìn)一步過濾及放大處理。過濾處理是把需要的最高頻率以上對(duì)應(yīng)的頻率信息過濾去除，再進(jìn)一步對(duì)信號(hào)加以放大，進(jìn)行調(diào)理后信號(hào)再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換被輸送至計(jì)算機(jī)設(shè)備中進(jìn)行故障的分析診斷。應(yīng)當(dāng)注意，信號(hào)收集過程中應(yīng)進(jìn)行等周期信號(hào)收集。所謂等周期信號(hào)采集是指所采集信號(hào)的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度值和轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的周期呈倍數(shù)關(guān)系。比如，軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期會(huì)收集 200 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，而在實(shí)際采集過程中收集到了2000 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，這說明在此次信號(hào)采集信息的周期為十個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。信號(hào)等周期采集流程示意圖如圖 4 所示。
圖 4 信號(hào)等周期采集流程
3.2、 故障分析
齒輪和軸承故障分析過程是將所采集的振動(dòng)信息加以梳理與分析，分析采用時(shí)域分析法。齒輪和軸承出現(xiàn)各種故障問題所對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)示意圖如圖5 所示。
圖 5 齒輪和軸承出現(xiàn)各種故障問題時(shí)對(duì)應(yīng)域平均信號(hào)
圖 5 所示是齒輪和軸承處在不同運(yùn)行狀態(tài)下，經(jīng)過時(shí)域分析所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析后得出相應(yīng)的波形圖，結(jié)合振動(dòng)波形圖特征便能夠非常容易的對(duì)齒輪和軸承出現(xiàn)的故障加以診斷。圖 5( a) 齒輪和軸承運(yùn)行時(shí)未出現(xiàn)故障情況下得到的振動(dòng)波形圖。圖5( b) 則是齒輪和軸承出現(xiàn)了一定的不對(duì)中故障情況下得到的振動(dòng)波形圖，在這一波形圖里所對(duì)應(yīng)的調(diào)制頻率相對(duì)較低。圖 5( c) 則是齒輪和軸承出現(xiàn)了一定的磨損情況下得到的振動(dòng)波形圖，這一波形圖里所對(duì)應(yīng)的平穩(wěn)性有所降低，所對(duì)應(yīng)的特征幅值同樣出現(xiàn)了一定增大。圖 5( d) 是齒輪和軸承出現(xiàn)了一定的剝落或裂縫故障情況下得到的振動(dòng)波形圖，其對(duì)應(yīng)的特征幅值同樣出現(xiàn)了一定的增大，并且現(xiàn)場(chǎng)工作人員也能夠聽到設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲。圖 5( d) 對(duì)應(yīng)的波形證明了齒輪或者軸承出現(xiàn)了較大的故障，要求檢修人員必須及時(shí)開展檢修工作，或?qū)X輪或者軸承部件加以更換處理。
4、應(yīng)用效果
此次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)于 2017 年 6 月在晉華宮礦應(yīng)用以來(lái)，極大的減輕了機(jī)電設(shè)備維護(hù)與檢修人員的人工作業(yè)強(qiáng)度，使得維護(hù)與檢修人員在井上便能夠針對(duì)井下機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)時(shí)了解與掌握，確保作業(yè)人員能夠在更為優(yōu)良的環(huán)境中進(jìn)行工作。另外，在此系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，一共準(zhǔn)確檢測(cè)出故障問題 34 次，確保了檢修人員及時(shí)的發(fā)現(xiàn)井下機(jī)電設(shè)備齒輪與軸承故障問題。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，在未應(yīng)用此系統(tǒng)之前，齒輪和軸承故障導(dǎo)致井下機(jī)電設(shè)備停機(jī)時(shí)間每月高達(dá)112 h，應(yīng)用了此系統(tǒng)之前，齒輪和軸承故障為導(dǎo)致井下機(jī)電設(shè)備停機(jī)時(shí)間平均每月為 41 h，從該情況得出，齒輪及軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)試及故障診斷能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出齒輪和軸承故障問題，具有較強(qiáng)的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。
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