滑动轴承在线故障分析

张慧君　原丰霞　周家喻
（上海大学　机电工程与自动化学院，上海　200072）

　　摘　要；采用自相关函数的数据处理方法，对某机械设备中的滑动轴承进行了在线故障分析，通过整机测试分析，找到了滑动轴承运转过程中产生故障原因，尤其在故障初期采用该方法可以及早发现振动源。
　　关键词：自功率谱密度函数；自相关函数；时域；频谱
　　在精密机械设备中，滑动轴承应用得相当普遍，但滑动轴承在设计、制造、装配、调试过程中处理不当或者在长期运转过程中操作不当，都会导致轴承磨损、轴类零件旋转不平稳、振动等问题，直接影响设备的加工质量和使用寿命。因此，在大型精密机械设备中，有必要对它的运行状态作在线检测，以保证设备正常运行和及时维修。
　　1　采用自相关函数的数据处理方法
　　在对机械振动信号进行数据处理时，人们通常采用功率谱密度函数方法。因为轴的回转频率是由轴的实际转速所决定的，齿轮的啮合频率是由轴的转速与齿轮齿数的乘积所决定的。滚动轴承的滚珠自转频率、滚珠通过内圈的频率等都可以通过理论公式加上轴的实际转速进行计算，所得到结果可以在自功率谱密度函数的频谱图中找到对应值，因而功率谱密度函数在振动分析中很有用处。可是对滑动轴承来说仅采用功率谱密度函数方法还是不能解决问题，其轴颈和轴承之间的磨损以及轴承其它因素所造成损伤，很难从理论上推算出其产生故障的频率，有时很难诊断故障原因。实际上轴在滑动轴承中运转所产生的振动信号也是比较复杂的，但不管怎么样，其周期性振动信号是占主要成分的。当然，在机械设备负载运行过程中，用传感器测得周期性振动信号有时很难在时域图上辨别出来，因为它被较强的随机信号所淹没掉。在这种情况下，若对传感器测得的x（t）信号进行自相关函数分析，就可以发现在自相关函数图形中不仅具有该轴的回转频率的周期信号成分，还具有其它频率的周期信号成分。
　　自相关函数是x（t）信号在两个不同时刻互相之间的依从关系，其数学表达式：

 

　　根据自相关函数的基本性质，只要x（t）信号中含有某一个周期信号，不管τ→∞，Rx（τ→∞）中始终出现该周期信号的频率成分。为此，在机械设备运行过程中，尽管周期信号被强大的随机信号所淹没，但是可以通过自相关函数找出该频率的周期成分。尤其在故障发生的初期，周期信号不明显，直观难以发现时，采用自相关分析方法很有效。所以自相关函数是在机械设备的振动和噪声中寻找出周期信号的重要手段。
　　2　J2108型对开单色胶印机中滑动轴承的测试
　　以某印刷厂J2108型对开单色胶印机为例。该机的主传动由电磁调速异步电动机（JZT2-51-4，7.5kw）带动。主电机上装有小皮带轮由三角皮带拖动大皮带轮传动，在大皮带轮的轴上固定一个齿轮。通过齿轮将力矩依次传递给收纸滚筒轴Ⅱ、压印滚筒轴Ⅲ、胶皮滚筒轴Ⅳ、印板滚筒轴Ⅴ。而印刷部分主要由压印滚筒、胶皮滚筒、印板滚筒组成。印板滚筒的筒身上装有印版，在每转一周的工作循环时间内，先和水辊接触后使空白部分先获得水分，后同墨辊接触，使印版的图纹部分接受油墨，当印版滚筒与胶皮滚筒接触后，印版上的墨迹就转印到胶皮滚筒表面上，同时压印滚筒叼着纸张与胶皮滚筒对滚（压印滚筒上的叼纸是由递纸牙轴传递），使胶皮滚筒上的墨迹转印到印刷纸上。为了保证这些滚筒轴运转时的平稳性以及较高的回转精度，在轴的两端都安装了滑动轴承&。为了分析该胶印机的振动情况，在滑动轴承的径向方向上安置了一个加速度传感器，然后把信号输送给电荷放大器，经PH3562分析仪进行分析。见图1。

 

　　根据实测，该机印刷速度6512张/h，得到收纸滚筒轴Ⅱ的回转频率为1.81Hz，从而得到各轴的回转频率和各轴上齿轮的啮合频率见下表。

 

　　从印版滚筒左侧轴承座径向方向上测得的振动信号，经自功率谱密度函数分析，在频谱图图2上的1.437Hz的频率较为突出，此频率在表中未见此值，然后又经过自相关函数分析（图3），可以看到在t=549.22ms之内，也就是说，在印版滚筒转动一圈的过程中有明显8个小周期信号，其频率这是由于滑动轴承磨损之后，轴颈与滑动轴承之间间隙过大，且轴颈具有一定的波纹数，导致印版滚筒在滑动轴承中回转时出现有规律的周期性振动。该频率与自功率谱中峰值Z大f=14.37Hz相对照，其误差f=0.19Hz，说明其误差值还是比较小的。另外表明该印版滚筒左侧滑动轴承和轴应进行调整或调换。若不作自相关函数分析，就难以找到产生该频率成分的原因。

 

　　3　结论
　　（1）仅从自功率谱上出现的峰值频率14.37Hz难以找到滑动轴承故障源。通过自相关函数计算得到14.56Hz频率，有助于分析故障来源，并且和自功率谱上出现的峰值频率14.37Hz相对照，其误差值一般很小。
　　（2）从印版滚筒的左侧滑动轴承径向方向上获得振动信号经过自相关函数分析，可看到轴的回转频率以及轴在回转过程中波动情况，从而可以有效地找到振动源和故障源。
　　（3）为了获得较大的振动信号!应将压电式加速计直接安置在滑动轴承座的径向方向上。
　　参考文献：
　　[1]郑惠萍.滑动轴承不平衡转子系统非线性动力学稳定性及稳定裕度的研究[D].天津:天津大学,2000.
　　[2]张来斌,王朝晖,陈如恒.机械设备故障诊断技术及方法[M].北京:石油工业出版社,2000.
　　[3]王朝晖,张来斌,刘玉辉.柴油机滑动轴承磨损状况的轴心轨迹诊断法[J].石油矿场机械,2002,31(3):6-8.

 

来源：《机械工程师》2004.7