陈光1 肖汉斌1 胡立杰2 张燕龙2
（1.武汉理工大学物流工程系，武汉，430063；2.秦皇岛港务局，秦皇岛 066002）
摘 要：回转支承的振动直接反映内部运行状况。同异常回转支承相比，正常回转支承振动能量要小几十倍甚至上百倍，且由摩擦引起的振动一般是正态随机振动。文中以港口门座起重机回转支承为实例，提出振动能量的冲击可以用来判断回转支承元件的故障，而概率密度函数则可作为磨损程度的一个判别依据，这对于回转支承的监测与故障诊断具有较高的实用价值。
关键词：回转支承；随机振动；信号分析；概率密度函数
回转支承装置是港口门座起重机（以下简称门机）的核心部件，也是主要易损部件，其工作正常与否直接影响整台设备以至整条生产作业线的生产效率，直接关系到人员和设备的安全。一般说来，回转支承装置采用封闭式结构，无法直接观察到内部的运行状况。所以对回转支承的运行技术状况进行定期状态监测和早期预报，避免突发性故障的发生，做到有针对性地进行维修，可获取很大的经济效益和社会效益。
由于回转支承滚道和滚动体安装错误，超载运转，热处理不良，密封装置不可靠等，均会使滚道和滚动体过早损坏。典型的损伤特征有以下几种：（1）滚道剥落。通常是由滚道表面受交变应力的作用而引起的，其特征是剥落物呈片状；（2）滚道磨损。由于混杂在润滑油中的灰尘、砂子、脏物等微粒，在滚道和滚动体上起磨料作用，引起金属磨损或脱皮；（3）滚动体磨损。往往是由于单位接触应力较高，使滚动体处于干摩擦及半干摩擦状态而产生磨损；（4）钢球碎裂。由于钢球热处理缺陷或异物杂入等原因，会使钢球出现碎裂现象，此种损伤若不及时消除，会使机器丧失回转能力[1]。
1 振动机理
回转支承近乎特大型的滚动轴承，在运转的过程中由于滚道和滚动体间的弹性接触，使得滚动体和回转支承装置内外圈构成弹性振动系统。回转支承零件存在加工和装配几何误差，当其在载荷作用下以一定速度旋转时，系统会对过程激励产生响应，形成强迫振动；此外零件间运动时的相对滑动会使系统在平衡点附近具有不稳定性，从而产生自激振动。因而回转支承的振动是强迫振动和自激振动相结合的。
同普通滚动轴承相比，回转支承除了承受轴向力外，还要承受较大的倾覆力矩，在运转时回转支承内存在载荷区和非载荷区，处于非载荷区的滚动体是靠离心力的作用于外滚道接触。但回转支承转速低，离心力的作用不足以承受滚动体自重，而径向游隙是不可避免的，所以滚动体会产生激励激发回转支承在轴向方向振动[2]。
2 试验研究
2.1 测点布置和检测工况
采用垂直和水平加速度传感器各两个，分别用于测量回转支承轴向和径向振动。具体测点布置如图1所示。
使起重机处于Z小幅度，回转机构以Z大速度旋转，转动圈数不少于4圈，记录转动过程中振动加速度随时间变化历程。
2.2 振动能量分析
振动加速度是Z常用的二次量之一，其能量值的大小直接反映回转支承的内部状况。异常回转支承和正常回转支承相比，振动能量往往相差几十倍甚至上百倍，所以可以根据测点的振动能量值来判断回转支承的局部和整体是否出现故障或缺陷。
实测经验和大量检测数据样本证明，按照振动能量门限值的大小，可将轴承的状态分为4档，见表1所列。
处于A类状态的回转支承部件和润滑条件处于良好状态；处于B类状态的回转支承应加强润滑管理；处于C类状态的回转支承应加强现场日常观察，并落实润滑情况；处于D类状态的回转支承则不能继续运行，要停机检修或更换设备。
试验中曾对某港口10几台门机进行现场检测，取得了较好的效果，现以其中7号机为例，图2～图5为各测点振动加速度信号记录曲线，其中A测点和C测点测量径向振动，B测点和D测点测量轴向振动。
统计各测点振动能量峰值，将结果列入表2。
综合振动能量峰值和振动波形可以看出，该门机回转支承处于D类状态，振动能量峰值很大，且有较明显的故障脉冲出现，说明该回转支承滚动体和滚道损坏较严重，已不能正常运行。根据上述结论在现场对该回转支承装置拆卸进行检查，发现滚道多处出现凹坑，损坏严重，证明检测结论是正确的。现7号门机已更换回转支承装置，避免了重大事故的发生。
2.3 磨损程度分析
在回转支承运行过程中，磨损是很普遍的现象，而这对机器的正常运行是一种严重的威胁，其磨损就是滚道与滚动体接触面之间的摩擦产生的。相对于普通轴承而言，回转支承回转速度很慢，而且受到很大的倾覆力矩，这就使得滚动体与滚道之间除了滚动摩擦外，掺杂着更多的滑动摩擦，更加速了回转支承的磨损。
由于滚动体与滚道之间的接触摩擦是随机的，所以由此产生的振动也是随机振动，不同时刻的观察数据是不可重复的。正常的回转支承振动信号具有平稳和各态历经的性质，其序列的概率密度函数一般服从正态分布[3，4]。图6～图7为试验中部分典型回转支承的概率谱图，其中上半部是概率密度函数，下半部是分布函数。
在对某港口10几台门机回转支承的故障检测中，曾对回转支承的磨损程度进行分析，其摩擦状态下信号序列数字特征值如表3所列。
表3中，6号门机回转支承的标准差δZ大，说明“振荡”剧烈，其次是15号门机和4号门机，12号门机Z小。从各概率谱图上看到也是如此。12号门机概率密度曲线Z窄，而6号门机已经偏离了正态分布曲线。综上可以判断，4台门机回转支承中6号摩擦程度Z严重，12号Z轻。从现场实际情况来看，6号门机回转支承运行时噪声较大，且滚道有发热现象，12号门机回转支承润滑情况良好，运行平稳，与上述判断一致。
参考文献
【1】徐立民, 陈 卓. 回转支承. 安徽: 安徽科学技术出版社, 1988. 225～226
【2】师汉民. 机械振动系统: 下册. 武汉: 华中理工大学出版社, 1992. 322～326
【3】应怀樵. 现代振动噪声技术. 第2 卷. 北京: 航空工业出版社, 2000. 100～104
【4】周新聪, 赵 涛. 远程故障诊断中油液监测系统的数据采集. 武汉理工大学学报( 交通科学与工程版) ,2003, 27( 3) : 297～29
来源：《武汉理工大学学报》第28卷第2期
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