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港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承故障趨勢識別

2013-09-18

陳光1　肖漢斌1　胡立杰2　張燕龍2
（1.武漢理工大學(xué)物流工程系，武漢，430063；2.秦皇島港務(wù)局，秦皇島　066002）
　　摘　要：回轉(zhuǎn)支承的振動(dòng)直接反映內(nèi)部運(yùn)行狀況。同異常回轉(zhuǎn)支承相比，正常回轉(zhuǎn)支承振動(dòng)能量要小幾十倍甚至上百倍，且由摩擦引起的振動(dòng)一般是正態(tài)隨機(jī)振動(dòng)。文中以港口門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承為實(shí)例，提出振動(dòng)能量的沖擊可以用來判斷回轉(zhuǎn)支承元件的故障，而概率密度函數(shù)則可作為磨損程度的一個(gè)判別依據(jù)，這對于回轉(zhuǎn)支承的監(jiān)測與故障診斷具有較高的實(shí)用價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)支承；隨機(jī)振動(dòng)；信號分析；概率密度函數(shù)
　　回轉(zhuǎn)支承裝置是港口門座起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）的核心部件，也是主要易損部件，其工作正常與否直接影響整臺設(shè)備以至整條生產(chǎn)作業(yè)線的生產(chǎn)效率，直接關(guān)系到人員和設(shè)備的安全。一般說來，回轉(zhuǎn)支承裝置采用封閉式結(jié)構(gòu)，無法直接觀察到內(nèi)部的運(yùn)行狀況。所以對回轉(zhuǎn)支承的運(yùn)行技術(shù)狀況進(jìn)行定期狀態(tài)監(jiān)測和早期預(yù)報(bào)，避免突發(fā)性故障的發(fā)生，做到有針對性地進(jìn)行維修，可獲取很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　　由于回轉(zhuǎn)支承滾道和滾動(dòng)體安裝錯(cuò)誤，超載運(yùn)轉(zhuǎn)，熱處理不良，密封裝置不可靠等，均會使?jié)L道和滾動(dòng)體過早損壞。典型的損傷特征有以下幾種：（1）滾道剝落。通常是由滾道表面受交變應(yīng)力的作用而引起的，其特征是剝落物呈片狀；（2）滾道磨損。由于混雜在潤滑油中的灰塵、砂子、臟物等微粒，在滾道和滾動(dòng)體上起磨料作用，引起金屬磨損或脫皮；（3）滾動(dòng)體磨損。往往是由于單位接觸應(yīng)力較高，使?jié)L動(dòng)體處于干摩擦及半干摩擦狀態(tài)而產(chǎn)生磨損；（4）鋼球碎裂。由于鋼球熱處理缺陷或異物雜入等原因，會使鋼球出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，此種損傷若不及時(shí)消除，會使機(jī)器喪失回轉(zhuǎn)能力[1]。
　　1　振動(dòng)機(jī)理
　　回轉(zhuǎn)支承近乎特大型的滾動(dòng)軸承，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中由于滾道和滾動(dòng)體間的彈性接觸，使得滾動(dòng)體和回轉(zhuǎn)支承裝置內(nèi)外圈構(gòu)成彈性振動(dòng)系統(tǒng)。回轉(zhuǎn)支承零件存在加工和裝配幾何誤差，當(dāng)其在載荷作用下以一定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)會對過程激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)，形成強(qiáng)迫振動(dòng)；此外零件間運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對滑動(dòng)會使系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近具有不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生自激振動(dòng)。因而回轉(zhuǎn)支承的振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)相結(jié)合的。
　　同普通滾動(dòng)軸承相比，回轉(zhuǎn)支承除了承受軸向力外，還要承受較大的傾覆力矩，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)存在載荷區(qū)和非載荷區(qū)，處于非載荷區(qū)的滾動(dòng)體是靠離心力的作用于外滾道接觸。但回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)速低，離心力的作用不足以承受滾動(dòng)體自重，而徑向游隙是不可避免的，所以滾動(dòng)體會產(chǎn)生激勵(lì)激發(fā)回轉(zhuǎn)支承在軸向方向振動(dòng)[2]。
　　2　試驗(yàn)研究
　　2.1 測點(diǎn)布置和檢測工況
　　采用垂直和水平加速度傳感器各兩個(gè)，分別用于測量回轉(zhuǎn)支承軸向和徑向振動(dòng)。具體測點(diǎn)布置如圖1所示。
　　使起重機(jī)處于Z小幅度，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以Z大速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不少于4圈，記錄轉(zhuǎn)動(dòng)過程中振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化歷程。
　　2.2 振動(dòng)能量分析
　　振動(dòng)加速度是Z常用的二次量之一，其能量值的大小直接反映回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)部狀況。異常回轉(zhuǎn)支承和正常回轉(zhuǎn)支承相比，振動(dòng)能量往往相差幾十倍甚至上百倍，所以可以根據(jù)測點(diǎn)的振動(dòng)能量值來判斷回轉(zhuǎn)支承的局部和整體是否出現(xiàn)故障或缺陷。
　　實(shí)測經(jīng)驗(yàn)和大量檢測數(shù)據(jù)樣本證明，按照振動(dòng)能量門限值的大小，可將軸承的狀態(tài)分為4檔，見表1所列。
　　處于A類狀態(tài)的回轉(zhuǎn)支承部件和潤滑條件處于良好狀態(tài)；處于B類狀態(tài)的回轉(zhuǎn)支承應(yīng)加強(qiáng)潤滑管理；處于C類狀態(tài)的回轉(zhuǎn)支承應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場日常觀察，并落實(shí)潤滑情況；處于D類狀態(tài)的回轉(zhuǎn)支承則不能繼續(xù)運(yùn)行，要停機(jī)檢修或更換設(shè)備。
　　試驗(yàn)中曾對某港口10幾臺門機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，取得了較好的效果，現(xiàn)以其中7號機(jī)為例，圖2～圖5為各測點(diǎn)振動(dòng)加速度信號記錄曲線，其中A測點(diǎn)和C測點(diǎn)測量徑向振動(dòng)，B測點(diǎn)和D測點(diǎn)測量軸向振動(dòng)。



　　統(tǒng)計(jì)各測點(diǎn)振動(dòng)能量峰值，將結(jié)果列入表2。
　　綜合振動(dòng)能量峰值和振動(dòng)波形可以看出，該門機(jī)回轉(zhuǎn)支承處于D類狀態(tài)，振動(dòng)能量峰值很大，且有較明顯的故障脈沖出現(xiàn)，說明該回轉(zhuǎn)支承滾動(dòng)體和滾道損壞較嚴(yán)重，已不能正常運(yùn)行。根據(jù)上述結(jié)論在現(xiàn)場對該回轉(zhuǎn)支承裝置拆卸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)滾道多處出現(xiàn)凹坑，損壞嚴(yán)重，證明檢測結(jié)論是正確的。現(xiàn)7號門機(jī)已更換回轉(zhuǎn)支承裝置，避免了重大事故的發(fā)生。
　　2.3 磨損程度分析
　　在回轉(zhuǎn)支承運(yùn)行過程中，磨損是很普遍的現(xiàn)象，而這對機(jī)器的正常運(yùn)行是一種嚴(yán)重的威脅，其磨損就是滾道與滾動(dòng)體接觸面之間的摩擦產(chǎn)生的。相對于普通軸承而言，回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)速度很慢，而且受到很大的傾覆力矩，這就使得滾動(dòng)體與滾道之間除了滾動(dòng)摩擦外，摻雜著更多的滑動(dòng)摩擦，更加速了回轉(zhuǎn)支承的磨損。
　　由于滾動(dòng)體與滾道之間的接觸摩擦是隨機(jī)的，所以由此產(chǎn)生的振動(dòng)也是隨機(jī)振動(dòng)，不同時(shí)刻的觀察數(shù)據(jù)是不可重復(fù)的。正常的回轉(zhuǎn)支承振動(dòng)信號具有平穩(wěn)和各態(tài)歷經(jīng)的性質(zhì)，其序列的概率密度函數(shù)一般服從正態(tài)分布[3，4]。圖6～圖7為試驗(yàn)中部分典型回轉(zhuǎn)支承的概率譜圖，其中上半部是概率密度函數(shù)，下半部是分布函數(shù)。

　　在對某港口10幾臺門機(jī)回轉(zhuǎn)支承的故障檢測中，曾對回轉(zhuǎn)支承的磨損程度進(jìn)行分析，其摩擦狀態(tài)下信號序列數(shù)字特征值如表3所列。
　　表3中，6號門機(jī)回轉(zhuǎn)支承的標(biāo)準(zhǔn)差δZ大，說明“振蕩”劇烈，其次是15號門機(jī)和4號門機(jī)，12號門機(jī)Z小。從各概率譜圖上看到也是如此。12號門機(jī)概率密度曲線Z窄，而6號門機(jī)已經(jīng)偏離了正態(tài)分布曲線。綜上可以判斷，4臺門機(jī)回轉(zhuǎn)支承中6號摩擦程度Z嚴(yán)重，12號Z輕。從現(xiàn)場實(shí)際情況來看，6號門機(jī)回轉(zhuǎn)支承運(yùn)行時(shí)噪聲較大，且滾道有發(fā)熱現(xiàn)象，12號門機(jī)回轉(zhuǎn)支承潤滑情況良好，運(yùn)行平穩(wěn)，與上述判斷一致。
　　參考文獻(xiàn)
　　【1】徐立民, 陳　卓. 回轉(zhuǎn)支承. 安徽: 安徽科學(xué)技術(shù)出版社, 1988. 225～226
　　【2】師漢民. 機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng): 下冊. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社, 1992. 322～326
　　【3】應(yīng)懷樵. 現(xiàn)代振動(dòng)噪聲技術(shù). 第2 卷. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2000. 100～104
　　【4】周新聰, 趙　濤. 遠(yuǎn)程故障診斷中油液監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 交通科學(xué)與工程版) ,2003, 27( 3) : 297～29
來源：《武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)》第28卷第2期