CN113218659B - 轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，包括电机、主轴、联轴器、液压加载***、支撑***、轧机轴承、轧机轴承座组件、加速度传感器和底板，轧机轴承和轧机轴承座组件安装于主轴中间，轧机轴承座组件底部有支撑弹簧和弧形支撑板能够对轧机轴承进行隔振，主轴两端由支撑***支撑，液压加载***给轧机轴承施加径向载荷，电机通过联轴器与主轴连接。本发明的一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台能够模拟轧机工作时施加在轧机轴承上的载荷情况，能够同时对两个轧机轴承进行不同组合的故障试验或者进行相同工况的寿命试验。保证了试验的可靠性，并且减少了除轧机轴承以外的其它构件对试验造成的影响，提高了试验的稳定性。

Description

轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台

技术领域

本发明属于轴承故障诊断和寿命试验技术领域，特别是涉及到轧机轴承故障诊断和寿命评估试验台。

背景技术

轴承作为旋转设备中提供支撑的关键零部件，对设备的工作性能和使用寿命有着重要影响。然而，轴承在内部因素和外部因素的综合作用下，在运行过程中一些细微的缺陷逐渐演化成故障，性能会逐渐衰退直至最终失效。轴承故障诊断和寿命评估试验台不仅能够进行故障试验，还能进行寿命评估。采集轴承在正常状态下或者故障状态下，又或者是整个寿命周期的相关信息，有助于试验人员掌握轴承在运行过程中的故障演化规律和寿命试验信息，从而为轴承的维护和管理提供帮助。

现代轧机向着高速、高精度、高质量方向发展。轧机轴承是轧机的重要支撑零部件，对轧机轧制的精度和质量有重要影响。因此，对轧机轴承进行故障诊断和寿命试验，了解轧制过程中轴承的运行状态和寿命信息是有必要的。现有轴承寿命试验台不能模拟轧机在轧制过程中的载荷情况，并且只能对单一轴承进行故障试验和寿命试验，无法满足对轧机轴承故障诊断和寿命评估的试验要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，使其能够模拟轧机轧辊工作时轧机轴承所受载荷情况，并且同时能够对两个轧机轴承进行故障试验和寿命试验，提高试验效率，更符合实际生产中轧机轴承的损坏情况。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，其包括电机、主轴、联轴器、液压加载***、支撑***、轧机轴承座组件、加速度传感器和底板，所述液压加载***包括液压泵站、液压管道、液压缸和加载机架，所述液压泵站通过液压管道与液压缸相连，所述液压缸安装于加载机架顶部，所述主轴穿过加载机架凹槽部位；所述支撑***包括支撑轴承、支撑轴承座、支撑弹簧和弧形支撑板，所述主轴两端有支撑***支撑，所述支撑***中的支撑轴承和支撑轴承座安装于主轴两端，所述支撑弹簧和弧形支撑板的上端支撑套杯，其下端连接于加载机架上；所述轧机轴承座组件包括套杯、套杯端盖、螺栓和锁紧螺母，轧机轴承安装于主轴中间部位的两个轴肩上，通过锁紧螺母固定轧机轴承内圈，以实现轴向定位，所述套杯端盖与套杯通过螺栓连接，套杯内侧圆柱面与轴承外圈外侧圆柱面接触，套杯端盖与轴承外圈端面接触，实现对两个轧机轴承外圈的轴向定位；所述加速度传感器能够采集轧机轴承在运转过程中的振动信号，并通过数据采集卡和数据采集软件储存在计算机中，通过对振动信号经过特征处理实现对轧机轴承的故障诊断和寿命评估。

优选地，所述加速度传感器穿过套杯圆孔部位，接触轴承外圈。

优选地，所述液压加载***通过控制软件能够实现对轧机轴承进行不同的加载方式和调整加载应力的大小，通过控制电机转速和加载应力能够模拟多种工况下的轧机轴承故障试验和寿命试验。

优选地，所述支撑轴承底端连接加载机架、上端连接弧形支撑板，通过设置支撑弹簧实现对轧机轴承的隔振效果。

优选地，两个轧机轴承的组合形式包括：单一故障组合、正常-故障组合、混合故障组合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明能够同时对两个同种规格的轧机轴承进行相同加载要求的故障诊断和寿命试验。进行故障诊断试验时，可以对两个轴承设置不同的故障类型组合，如：正常-故障组合、单一故障组合、混合故障组合，实现现实情况中轧机轴承组损坏形式组合模拟；进行寿命试验时可以两个轴承同时进行试验，既可以提高试验效率，又可以设置对照组，排除偶然因素引起的试验误差。

2)本发明通过支撑弹簧能够减轻试验中除轧机轴承以外的其它构件产生的振动干扰，减少采集到的振动信号中的噪声。并且主轴两端有支撑轴承支撑，减少支撑不足导致的载荷分布不均。

3)本发明采用液压加载装置，既能提供较大的加载载荷，又能精准控制载荷的大小；可通过控制电机转速和液压压力的大小实现不同的加载条件，能够实现多种工况下的故障诊断和寿命试验。

附图说明

图1为本发明试验台的整体结构示意图；

图2为本发明试验台的半剖示意图；

图3为本发明的主轴部分结构示意图。

附图标记：

1、底板；2、加载机架；3、弧形支撑板；4、支撑弹簧；5、套杯端盖；6、主轴；7、支撑轴承座；8、支撑轴承；9、联轴器；10、电机；11、液压泵站；12、液压管道；13、液压缸；14、螺栓；15、轧机轴承；16、锁紧螺母；17、加速度传感器；18、套杯。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的为，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1～图3所示，一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，其主要包括

加载机架2固定连接在底板1上；主轴6穿过加载机架2的凹槽部位横向布置；轧机轴承15安装于主轴6中间部位的轴肩上；轧机轴承15内圈一端抵靠在轴肩上，另一端用锁紧螺母16锁紧，防止内圈发生轴向窜动；套杯18套在轧机轴承15外圈；套杯端盖5抵压一侧轧机轴承15外圈，并用螺栓14连接在套杯18上，固定外圈，防止外圈发生轴向窜动。

液压缸13固定连接在加载机架2顶端；液压泵站11固定在底板1上；液压泵站11通过液压管道12连接在液压缸13上，并能够提供压力油；液压缸13能够将液压泵站11提供的压力油压力转换成机械推力，对套杯18圆柱形外表面施加压力；套杯18将液压缸13施加的压力传递到轧机轴承15外圈，实现对轧机轴承15的载荷加载。

主轴6两端轴肩处由支撑轴承8和支撑轴承座7提供支撑；主轴6通过联轴器9与电机10连接；支撑弹簧4下端与加载机架2连接，上端与弧形支撑板3连接；弧形支撑板3在支撑弹簧4的弹力作用下对套杯18起支撑作用。

加速度传感器17穿过套杯18圆形孔，与轧机轴承15外圈接触。待其余装置安装好后，启动电机，启动液压加载装置加载载荷，加速度传感器采集振动信号。采集到的振动信号可通过数据采集卡和信号采集软件存储在计算机中，既可以等所有试验信号采集完后进行离线处理，也可以在计算机中实时处理数据，对轴承进行在线的故障诊断和寿命预测。

本发明可同时对两个相同规格的轧机轴承进行相同加载条件下的故障诊断和寿命试验。根据故障类型的不同可以进行不同的组合模式，可以设置正常-故障组合、单一故障组合、混合故障组合等；也可以在相同工况下对两个轧机轴承进行寿命试验。两个加速度传感器可同时分别采集两个轧机轴承的振动信号，既可以设置对照组，又可以减少因偶然因素导致的试验误差，提高试验效果，并且能够提高试验效率。

本发明通过选择合适弹簧刚度的支撑弹簧能够对轧机轴承产生隔振效果，减少因试验台中因轧机轴承产生的振动引起其它部件的共振，减少加速度传感器中采集到的噪声信号，提高信号精度。

本发明可以通过控制电机转速和液压压力的大小，实现对轧机轴承在不同转速、不同载荷下的故障诊断和寿命试验。并且可以根据试验要求，在试验过程中随时改变转速和加载载荷大小，实现变工况试验。

1)加速寿命试验

由于目前制造工艺和材料性能的提高，轴承的可靠性越来越高，使用寿命不断延长。如果按照常规的工况条件进行轴承寿命试验，试验的时间大幅增加，试验的成本也更高。因此，在做轴承寿命试验时，通常采用加载较高的载荷和转速进行寿命试验。在保证轴承的失效分布、失效规律、失效机理不变的情况下，加快轴承的失效速度，减少试验时间和成本投入。

根据轴承在实际使用中的载荷分布情况，本发明采用液压加载的方式对轴承进行应力加载，本发明能够提供的应力加载方式有：恒定应力、步进应力、序进应力、随机应力等。本发明仅以恒定应力加载的情况下进行说明，其它加载情况原理相同，不再赘述。

轴承加速寿命试验加载应力不宜过大，过大的应力会使轴承发生塑性变形甚至断裂等非疲劳破坏的情况。加载应力也不宜过小，过小的应力状态下轴承寿命极长，导致试验时间和成本增加，效率下降。一般加载应力P和轴承的基本额定动载荷C满足：P/C≤0.45，一般在0.25左右。

为确保接触应力在合适的范围内，可根据赫兹理论中最大接触应力计算方法进行计算：

球轴承：p＝858/(m_am_b)[Q(∑ρ)²]^1/3

滚子轴承：p＝190.6×(Q∑ρ/l)^1/2

其中Q为总负荷，ρ为主曲率，m_a、m_b与椭圆偏心率有关的系数，l为滚子长度。

在加速寿命试验中，轴承寿命分布仍然服从威布尔分布，即：

N为轴承寿命，V_s为尺度参数，b为形状参数。

在加速寿命试验中，轴承额定寿命与其对应的当量动载荷仍存在着逆幂律关系，轴承额定寿命可按下式计算：

L₁₀＝α₁α₂α₃(C/P)^ε

α₁为可靠性系数，α₂为材料系数，α₃为工作条件系数，P为轴承当量动载荷，C为轴承额定动载荷。

在本发明所提供的试验台进行加速寿命试验时，所用轧机轴承、液压缸应力加载方式及大小、电机转速大小均可根据试验要求设置，轴承额定寿命计算方式可按上述公式进行计算。

2)寿命预测

本发明所提供的试验台在进行轴承加速寿命试验的同时，还可以采集轴承在试验过程中的振动信号。目前已有一些相关研究指出，结合大数据和人工智能的方法可以实现对轴承进行剩余使用寿命预测，其监测数据来源就包括轴承在运行过程中的振动信号。本发明所提供的试验台不仅能够持续采集轴承的振动信号，并且能够同时提供两个轴承的振动信号。两个轴承是在相同工况下进行寿命试验，在使用智能算法时可将两组轴承振动信号分成训练组和测试组，能够提高预测模型的预测精度和效率。寿命预测方式也可分为在线和离线方式，可以通过已经采集完成的振动信号对智能算法进行离线的算法训练，再将调试完成的智能算法在试验台上进行在线寿命预测。

3)故障诊断

在进行轴承的故障诊断试验时，可以直接安装故障轴承，也可以直接安装正常轴承进行加载，直至轴承发生故障。本发明所提出的试验台能够同时对两个轴承进行故障诊断试验，可以根据不同的试验要求进行组合。大致可以分为三类组合：正常-故障组合、单一故障组合、混合故障组合。其中正常-故障组合为对照试验，既能同时采集正常轴承振动信号，又能采集故障轴承振动信号；单一故障组合能够同时采集两组同一故障类型的轴承在相同工况下的振动信号，既能提高试验效率，又能两组数据进行对比；混合故障组合能够模拟不同故障类型组合情况下的轴承振动形式。故障诊断的方式与寿命预测方式相同，也可分为在线形式和离线形式，此处不再赘述。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然能对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，其包括电机、主轴、联轴器、液压加载***、支撑***、轧机轴承座组件、加速度传感器和底板，其特征在于：

所述轧机轴承座组件包括套杯、套杯端盖、螺栓和锁紧螺母，轧机轴承安装于主轴中间部位的两个轴肩上，轧机轴承内圈一端抵靠在轴肩上，另一端用锁紧螺母锁紧，通过锁紧螺母固定轧机轴承内圈，以实现轴向定位，所述套杯端盖与套杯通过螺栓连接，套杯内侧圆柱面与轴承外圈外侧圆柱面接触，套杯端盖与轴承外圈端面接触，实现对两个轧机轴承外圈的轴向定位；

所述支撑***包括支撑轴承、支撑轴承座、支撑弹簧和弧形支撑板，所述主轴两端有支撑***支撑，所述支撑***中的支撑轴承和支撑轴承座安装于主轴两端，所述支撑弹簧和弧形支撑板的上端支撑套杯，其下端连接于加载机架上；支撑轴承底端连接加载机架、上端连接弧形支撑板，通过设置支撑弹簧实现对轧机轴承的隔振效果；

所述液压加载***包括液压泵站、液压管道、液压缸和加载机架，所述液压泵站通过液压管道与液压缸相连，所述液压缸安装于加载机架顶部，所述主轴穿过加载机架凹槽部位；液压缸将液压泵站提供的压力油压力转换成机械推力，对套杯圆柱形外表面施加压力；套杯将液压缸施加的压力传递到轧机轴承外圈，实现对轧机轴承的载荷加载；液压加载***通过控制软件能够实现对轧机轴承进行不同的加载方式和调整加载应力的大小，通过控制电机转速和加载应力能够模拟多种工况下的轧机轴承故障试验和寿命试验；

所述加速度传感器能够采集轧机轴承在运转过程中的振动信号，并通过数据采集卡和数据采集软件储存在计算机中，通过对振动信号经过特征处理实现对轧机轴承的故障诊断和寿命评估。

2.根据权利要求1所述的轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，其特征在于，所述加速度传感器穿过套杯圆孔部位，接触轴承外圈。

3.根据权利要求1所述的轧机轴承故障诊断和寿命评估模拟试验台，其特征在于，两个轧机轴承的组合形式包括：单一故障组合、正常-故障组合、混合故障组合。

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