滾動軸承故障診斷技術研究現狀及發展趨勢研（yán）究
2013-01-11
一（yī）、滾動軸承故障診斷的意（yì）義
隨著科技（jì）的發展，現代工業正逐步向生產設備大型化、複雜化、高速化和自動化方向發展，在提高生產率、降低成本、節約能源、減少廢品率、保證產品質量等方麵具有很大的優勢。
但（dàn）是，由於故障所引起的災難性事故及其所造成的對生命與財產的損失和對（duì）環境的破壞等也是很（hěn）嚴重的，這就使得（dé）人們（men）對諸如航空航天（tiān）器、核電站、熱電廠及其他大型化工設備的可靠性、安全性提出了越來越高的要求（qiú）。除了在設計與製造階段，通過（guò）改（gǎi）進（jìn）可靠性設計、研究和應用（yòng）新材料、新（xīn）工藝以及加強生產過程中的質檢（jiǎn）控製措施提高係統的可靠性與（yǔ）安全性外，提高係（xì）統可靠性與安全性的另一個重要途徑就是對係統的工作狀態進行實時的監測與診斷，從而（ér）實現對設備的（de）有效控製，並對災難性故障的發生（shēng）進行預警，為采取相應的補救（jiù）措（cuò）施提供有效的信息。故障診斷理論就是（shì）為（wéi）了滿足對係統可靠性和安（ān）全性要求的提高（gāo），減少並控製災難性事故的發生而發展起來的。因此，故障診斷理論的發展必將促進故障監測和監控係統的快速發展與（yǔ）廣泛（fàn）應用，從而可以進一步（bù）的提高係統運行的可靠性與安全性，並由此產生巨（jù）大的（de）經濟和社會效益。
與（yǔ）其他機械零部件相比，滾動軸承有一個很獨特的特（tè）點，那就是其壽命的（de）離散性很大。由（yóu）於軸承的這一特點，在實（shí）際使用中就會出現這樣一種（zhǒng）情況：有的軸（zhóu）承已大大超過其設計壽命而依然能正常地工作，而有的軸承遠未（wèi）達到其設計壽命就出現各種故障。因此，如果按照設計壽命對軸承進行定期維修：一方麵，會造成將（jiāng）超過設計壽命而仍正常工作的軸承拆下來作報廢處理，造成浪費；另一方麵，未達到設計壽命而出（chū）現故（gù）障的軸承沒有被及時的發現，直到定（dìng）期（qī）維（wéi）修時（shí）才被拆下來報廢，使得機器在軸承出（chū）現故障後和報廢前這段時間內工作精（jīng）度降低，或（huò）者未到維修時間就（jiù）出現嚴重故障，導致整部機器（qì）陷於癱（tān）瘓狀態。因此，進行滾動軸承工作狀態及故障（zhàng）的早期檢（jiǎn）測與故障診斷，對於設備安（ān）全平穩運行（háng）具有重要的實際意義。
二、滾動軸承故障診斷技術研究現狀及發展（zhǎn）趨勢
2.1 滾動軸承（chéng）的（de）故障特點
滾動（dòng）軸承具有（yǒu）一個突（tū）出的特點，其壽（shòu）命離散程度非常大。若僅呆板地按照設計壽命對軸承進行定期維（wéi）修，是很不科學的。軸承使（shǐ）用中，要隨時進（jìn）行工況的監測和故障的判別。這樣（yàng）不僅可以防止設備工作精度下降，減少（shǎo）事故發生的機率，還可以Z大（dà）限度地發揮軸承的工作潛力，節省開支。
輕（qīng）微損傷的軸承可以從使用情況，特別是軸承工作表麵的磨損（sǔn）狀況、磨損軌跡等征（zhēng）兆來推斷（duàn）出其失效的真正原因。損傷嚴重的軸承是因突發事故而完全報廢的軸（zhóu）承，Z終的破損狀（zhuàng）況往往（wǎng）早已掩蓋了初始損傷的痕跡，暴（bào）露出（chū）來的隻是軸承Z終咬死和燒毀的現象（xiàng），以及已破損的軸承零件的殘骸。這些原因使得人們容易混淆軸（zhóu）承（chéng）損傷的Z主要根源，隻能從軸承的工作條件、潤滑狀況、支承的整（zhěng）體結構以及損傷的形式做出推斷，並借助其（qí）他科學的分析方法來（lái）驗（yàn）證。因此，在滾動軸承的實際（jì）使用過程中，應該（gāi）立足於軸（zhóu）承損傷狀況（kuàng）的監（jiān）測與識別，研究早期故（gù）障診斷技術，以預防因軸（zhóu）承損傷而引發的（de）停機、停產和設備損壞等重大經濟損失和人員（yuán）傷亡事故。
2.2 滾動軸承運轉中的常（cháng）用檢查項目（mù）
軸承運轉（zhuǎn）中需要（yào）監測檢查的項目主要有（yǒu）：軸承的滾動（dòng）聲、振動情況、溫度、潤滑的狀態等，具（jù）體情況如下：
（一） 軸承的滾動聲
對運轉中的軸承的滾動聲的大小及音質進行（háng）檢（jiǎn）查，即使有輕微的剝離等損傷，也會發出異常音和不規則音。通過對這些聲音的分析，可以作為判斷軸承運行狀況良好（hǎo）與否的（de）依據之一。
（二） 軸承的振（zhèn）動
軸承振（zhèn）動對軸承的損傷很敏感，例（lì）如剝（bāo）落、壓痕、鏽蝕、裂紋、磨損等都會在軸承振動測量中反映出來（lái）。所以，通過采用特殊的軸承振動測（cè）量器（如頻率分析器等）可測量出（chū）振（zhèn）動的大小。通過對振動頻率的分析，進一步推斷異常情況。但（dàn）是由於測得的數值因（yīn）軸承的使用條件或傳感器安裝位置等不同而又有所差別，因此需要事先對每台機器的（de）測量值進（jìn）行（háng）分析比較（jiào）後確定判（pàn）斷標準（zhǔn）。
（三） 軸承的溫度
通常，軸承的溫度隨著運轉（zhuǎn）開始慢慢上升，1-2小時後達到穩定狀態（tài）。軸承的（de）正（zhèng）常（cháng）溫度因機器的熱容量，散（sàn）熱量，轉速（sù）及負載而不同。如果潤滑、安（ān）裝部不合適，則會導致軸承溫度急驟上升，出現異（yì）常高溫，這時必須停止運轉，采（cǎi）取必要的防範（fàn）措施。使（shǐ）用熱傳感器（qì）可以隨時監測軸承的工作溫度，並實現溫度超過規定（dìng）值時自動報警或停止，防止燃軸等事故的發（fā）生。
（四） 潤滑（huá）
潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等有重要影響。沒有良好的潤滑（huá），軸承就不能正常工作。分析軸承損壞的原（yuán）因（yīn）表明，約40%左右（yòu）的軸承損（sǔn）壞都與潤（rùn）滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸（zhóu）承摩擦和磨損的（de）有效措施。除此之外，軸（zhóu）承的潤滑還（hái）有散熱，防鏽、密封、緩和衝擊等多種作用。軸承潤滑的作用可以簡要說明如下：
a. 在相互接觸的（de）二滾動表麵或滑動表麵之間形成一層油膜把二（èr）表麵（miàn）隔開，減少接觸表麵的摩擦（cā）和（hé）磨損（sǔn）。
b. 采用油潤滑時，特別是采（cǎi）用（yòng）循環油潤滑、油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承（chéng）內部的大部分摩（mó）擦熱，起（qǐ）到有效的散熱（rè）作用
c. 采用脂潤滑時（shí），可以防止外部的灰塵等異物進入軸承，起到封閉作用。
d. 潤滑（huá）劑都有防止金屬鏽蝕的作用。
e. 延長軸承的疲勞壽命。
2.3 滾動軸承故障診斷的現狀及發展趨勢
自（zì）二（èr）十世紀六十年代以（yǐ）來，國（guó）內（nèi）外學者對軸承的故障診斷做了大量的研究工作，各（gè）種方法與（yǔ）技巧不斷產生、發展和完善（shàn），應用領域不斷（duàn）擴大（dà），診斷精度也不斷提高。時至今日，故障診斷技術己（jǐ）成為一門獨立的（de）跨學科的綜合信息處理技術，它以可靠性理論、信息論、控製論、係統論為理論基礎，以現代測試儀器和計算機（jī）為技術手段，結合各種診斷對象（係統、設備、機器、裝置、工程結構、工藝過程等（děng））的特殊規律而逐步形成一門新興的學科。 總的來說，軸承（chéng）故障診斷的發展經曆了以下幾個階段：
階段：利（lì）用通（tōng）用的頻譜（pǔ）分析儀診斷軸承故障。
第二階段：利（lì）用衝（chōng）擊脈衝技術診斷軸承（chéng）故障。
第三階段：利用共振解調技術診斷軸承故障。
第四階段：以計算機為中心（xīn）的故障診斷。
伴隨著軸承故障診斷這四個階段的發展，故障診斷理論和新的信號測試與處理方法也不斷地出現。但就基於信（xìn）號處理技術的診斷方法而言，可以分為兩大類：一是基於傳統信號處理（lǐ）的故障診斷方法，如頻譜分析法、幅值參數指標（biāo）分析法、衝擊脈衝法、共振解調法等；二是基（jī）於現代信號處理的（de）故（gù）障診斷方法，如現代（dài）譜分（fèn）析法、時（shí）頻分析法、非高斯信（xìn）號處理法、非線性技術處理法、智能診斷法等方法。
隨著現代數學、信息科學、計算機技術、電子技術、人工智能技術、網絡技術等更（gèng）加廣泛和深入地應用（yòng），故障（zhàng）診斷技術與當前前（qián）沿（yán）科學的融合是故障診斷技術的發展方向（xiàng）。當今（jīn）故障診斷技術的（de）發展趨勢（shì）是傳感器的精密化、多維（wéi）化，診斷（duàn）理論和診（zhěn）斷模型的多（duō）元化，診斷技術的智能化。總的來（lái）說，主要表現在下述幾個方麵：
(l) 故障診斷的（de）遠程化。
(2) 故障（zhàng）診斷方法的相（xiàng）互融合。
(3) 與多元傳感器信息的融合。
(4) 診斷技術與虛（xū）擬（nǐ）儀器的結（jié）合。
2.4 現有診斷技（jì）術的局限性及急待解決的問題
在以（yǐ）往的經典信號分析與處理方法中，為了便於分析（xī）與（yǔ）處理，對待分析對象進行一些理性化的處理和簡化，例如假設被（bèi）分析的信號具有線性性、平穩性和Z小相位（wèi）等（děng）特征，並在（zài）此基礎上形成了完整的理論（lùn）體係（xì）和方法。但（dàn）是，在工程實（shí）際應用中，這樣的簡化常常忽略（luè）了信號中（zhōng）的一些重要特征，特別（bié）是一些非平穩（wěn）的信息，這些信息往往預示著設備狀態的發展趨勢（shì）。利用傳統（tǒng）方法對滾動軸承進行狀態監測與分析時，不能充分反映出軸承的真實運轉情況。對於工作在較為理想工況條件下的簡單機械設備，分析（xī）結果尚可；對於精密機械設備或（huò）者是在複雜的工況條件下的設備，則診斷結果常常差強人意（yì），誤診（zhěn）和漏診現象的大量出現，這是影響設備狀態監測與（yǔ）診斷技術的（de）推廣和進一步發展的Z主要原（yuán）因。
隨著各種新興（xìng）的信號與信息處理方法的引（yǐn）入，如Priestley演變譜、短（duǎn）時（shí）Fourier變換、Cohen類時（shí）頻表示（如Wigner-Ville分布、Cohen分布）、小波分析、非線性時間序列分析等，振（zhèn）動信號分析方法在非線性、非穩態和非高斯特征處理（lǐ）方麵有了長足的進步，帶來了一定的社（shè）會和（hé）經濟效益。但是，上述幾種信號處理方法本身也存在一些固有的缺陷，例如並未充分考慮到旋轉（zhuǎn）機械設（shè）備固有的周期時變特性。演（yǎn）變譜方法要求（qiú）時變信號需要（yào）具有多個觀測記錄，而短時Fourier變換和Cohen類時頻表（biǎo）示通常要求非（fēi）平穩信號是慢變化的等等。
此外，現有的信號分析技術在低信噪比振動（dòng）信號的特征提取（qǔ）方麵，並未取得突破性進展。滾（gǔn）動軸承的振動信號由於經曆複雜傳遞途徑所帶來的幹擾，往往造成故障信息淹沒在背景噪聲和幹擾之中，從而使信號（hào）特征提取變得異常困難。
參考文獻
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