网站地图 | XML

德国FAG轴承故障诊断技术发展概况

德国FAG轴承的工况监测与故障诊断在国外大概开始于20世纪60年代。FAG在近几十年的时间罩,随着科学技术的不断发展,各种方法和技巧不断产生、发展和完善,应用的领域不断扩大,监视与诊断的有效性不断提高。现在在工业发达国家,滚动轴承工况监测与故障诊断技术己经实用化和商品化。总的来说,德国FAG轴承工况监测与故障诊断技术的发展可分为四个阶段。
  第一阶段:利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。20世纪60年代中期,由于快速傅立叶变换(FFT)技术的出现(1965年)和发展,振动信号的频谱分析技术得到了很大的发展,各种通用的频谱仪纷纷问世。人们根据对FAG进口轴承元件有损伤时产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果的比较来判断德国FAG进口轴承是否有故障。但是,把传感器拾取的振动信号经过放大器放大后直接进行频谱分析得到的频谱图由于背景噪声的影响而很复杂,轴承故障的特征频率很不明显,在故障较小的时候不容易把它们诊断出来。另外,当时的频谱分析仪都比较昂贵,并且需要比较熟练的技术人员来操作,所以,这时的轴承振动监测与诊断远未走向实用。
  第二阶段:利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。20世纪60年代末,瑞典SPM仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击,而冲击要引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲计(Shock Pulse Meter)的仪器来监测轴承的故障。冲击脉冲计的理论依据是这样的:当一个钢球落到一根会属棒上时,在棒内要产生压缩波,压缩波的最大幅值与钢球的冲击速度直接相关。
  根据这个道理可以自然联想到,在一个FAG进口轴承内,当内圈、外圈或滚动体损伤时,当其受载相接触时要产生冲击,该冲击同钢球落在会属棒上引起的冲击一样要在轴承内外圈滚道上产生压缩波。尽管冲击的时间非常短,但产生的压缩波的最大幅值却很大。因为压缩波的频率很高,所以用一个具有高频响应特性的压电加速度计来检测这一冲击引起的压缩波,然后根据这一压缩波的晟大幅值来判断轴承的工况。后来,人们习惯称压缩波为冲击脉冲(Shock Pulse),而把根据此原理进行FAG进口轴承监测与诊断的方法称为冲击脉冲法(Shock Pulse Method)。由于这种方法能比较有效的检测到轴承的早期损伤类故障,并且不需要进行频谱分析,所以它一经发明便很快被美国、英国等工业发达国家所采用。早期的冲击脉冲计只用来检测轴承的局部损伤类故障,后来,随着这一技术的不断发展和完善,SPM公司及世界上其它一些国家的公司和厂家相继开发了各种更新换代产品,如SPM公司的轴承分析仪(Bearing Analyser BEA一52),轴承自动分析系统(Bearing Autoanalysis System BAS系列产品)等,这些仪器不但用于监测轴承局部损伤类故障,而且用来检测轴承的润滑情况甚至油膜厚度等。尽管SPM技术己经产生了20多年时间,但现在仍然在广泛使用。这是因为SPM计是一种便携式测量仪器,现在一套新型SPM计还配有好几种类型的传感器,有探头式的,有螺纹快速联结式的等等,有  的SPM计还配有便携式微机以便进行数据处理并给出检测结果,用起来非常灵活和方便。
  第三阶段:利用共振解调技术诊断轴承故障。1974年,美国波音公司D.R.Harting发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利,这就是我国现在统称的“共振解调技术”的雏型。它的工作原理是这样的:当轴承元件表面有局部损伤类故障时,要对轴承系统产生周期性的脉冲激励,由于脉冲力是一宽带信号,其中必有一部分能量落在压电加速度计的谐振范围之内,也就是说该脉冲力的频带宽度必然包含了加速度计的谐振频率,这就必然引起加速度计的谐振(共振)。
  把传感器拾取的信号经过放大,然后经过中心频率等于加速度计谐振频率的带通滤波器滤波,再经解调器进行包络检波,就得到了与脉冲冲击发生频率(也就是轴承元件的故障特征频率)相同的低频信号,对此信号进行频谱分析,可以很容易的诊断出轴承中哪个元件发生了故障。这种技术尤其适用于轴承故障的早期诊断。
  因为早期故障非常轻微,它引起的冲击脉冲强度非常小,所以其振动响应信号的故障特征很不明显,用一般方法很难辨别出来。采用共振解调技术由于放大(谐振)和分离(带通滤波)了故障特征信号,极大的提高了信噪比,所以能比较容易的诊断出故障来。
  由于共振解调技术对诊断德国FAG轴承早期损伤类故障效果很好,并且它根据包络频谱分析的结果可以精确的诊断出到底是哪个元件发生了故障,所以该技术问世后得到了非常广泛的应用。由于这一技术包含了高频共振(或谐振)、带通滤波、解调(或包络检波)和频谱分析等基本环节,并且由于不同的人对这一技术的各个环节重视的程度有所不同,所以这一技术除共振解调技术(Demodulated ResonanceTechnique—DRT)这一名称外,又名高频共振技术(High Frequency ResonanceTechnique—HFRT)或包络分析技术(Envelope Analysis Technique—EAT)。关于共振解调技术的高频共振环节可以有多种实现方法。D.R.Harting利用加速度计的谐振,有的人利用轴承外圈的谐振,也有的人利用电谐振器实现高频谐振。
  FAG比较冲击脉冲技术和共振解调技术可以看出,这两者有类似之处,但SPM法只检测FAG进口轴承损伤引起的冲击信号的幅值,通过对幅值的处理判断轴承的故障,而共振解调技术不但要把冲击引起的高频谐振的幅值监测出来,而且要进行幅值包络信号的频谱分析,所以共振解调技术比脉冲技术前进了一步,多了一个包络信号的频谱处理环节,使得此法不但能够诊断出轴承是否有故障,而且可以判断出故障发生在哪个轴承元件上以及故障的大致严重程度,所以该方法适用于滚动轴承损伤类故障的早期精密诊断。
  第四阶段:开发以微机为中心的FAG进口轴承工况监测与故障诊断系统。20世纪80年代以后,随着微机技术突飞猛进的发展,开发以微机为中心的FAG进口轴承工况监测与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。例如:对感应电动机轴承进行工况监测与故障诊断的微机系统。该系统把轴承的故障分为三大类,表面损伤、润滑不良和异物落入。在工作现场的各个轴承座处适当方位布置压电加速度计和电荷放大器,然后通过长达500m的低噪声同轴电缆把轴承振动信号送往远离现场的中心监控室,由微机对每个测点的情况巡回监测,若发现某测点有问题,自动转入诊断阶段,根据数据分析与处理结果判断轴承到底有无故障以及故障的类型和部位,当故障在允许的程度之内时轴承继续运行,微机继续监视,到达一定严重程度时由微机发出信号停机。
  伴随着FAG进口轴承工况监视与故障诊断的四个阶段,由于设备故障诊断理论的发展和新的信号测试与处理方法的出现,人们还使用了多种其它有效的方法和技巧来诊断FAG进口轴承的故障。例如,根据幅域信号对FAG进口轴承进行工况监视,刚丌始人们用均方根值和峰值等受轴承转速、载荷、工作条件等影响的有量纲参数指标,随后又用峰值因子(峰值/均方根值)这一无量纲参数,再后来英国南安普敦大学与英国钢铁公司首次采用无量纲参数一峭度来判断轴承的工况。使用表明,利用峭度指标对FAG进口轴承进行工况监视是一种比较简单而有效的方法。