李敏　盛如龙

摘要：本文介绍了运用共振解调技术对CSP加热炉炉辊滚动轴承进行故障监测与预警，提高了炉辊滚动轴承故障分析与诊断能力。

关键词：共振解调；加热炉；轴承；频率；振动信号

1.引言

在CSP辊底式加热炉中，板坯的传输依靠炉辊完成，而炉辊的维护关键在于轴承。应用调制解调技术对炉辊滚动轴承进行故障监测与预警，能提高滚动轴承故障分析与诊断能力。

2.共振解调诊断技术原理

共振解调故障诊断技术是利用共振解调原理对冲击故障进行检测诊断。当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中将与其它元件表面发生撞击，从而产生能量集中的沖击脉冲力。冲击脉冲带宽包含轴承系统的各个固有频率，所以会激起系统的各个固有振动。这些周期性脉冲激励的频率对应轴承各元件的故障特征频率。由于脉冲激励的宽频带性质，它将激起轴承结构及传感器本身在各自的固有频率上发生谐振。其中必然包含轴承故障源信号、轴承结构系统固有振动信号以及传感器本身的固有振动信号等高频固有振动。可根据需要选择某一高频固有振动为研究对象，利用其中心频率等于该固有频率的带通滤波器将该固有振动分离出来，再通过包络检波器去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，最后对这一包络信号进行频谱分析即可诊断出轴承故障。

3.共振解调技术对炉辊轴承的分析

以炉辊所用6208型轴承为例，其参数及故障特征频率为：轴承节径D=60mm，滚动体直径d=12mm，滚动体个数z=10；可计算出外圈故障频率、内圈故障特征频率、动体故障特征频率、保持架故障特征频率。对振动信号做直接包络处理，包络图如图1所示。

在外圈故障的包络图中，在90.7Hz附近有一个较突出的峰值，同时也有其他成分的峰值出现；在内圈故障的包络图中，内圈故障特征频率不明显，却在外圈故障频率和滚动体故障频率附近出现峰值。

3.1不同滤波频段的特征效果

在共振解调技术中，故障的包络信号频谱具有“没有故障就没有谱线”、“有故障则出现多阶谐波谱线”这样一些规律，同时共振频段的选择对包络图结果会有一定的影响。外圈故障状态FFT图如图2所示。

在外圈故障FFT图中可看到在5～10kHz间存在若干共振峰值，选取其中的三个共振峰作为研究对象，分别为8.6-9.4kHz、7.6-8.4kHz、4.6～5.41d-Iz，分别进行带通滤波、包络处理，得到三个带通包络图。在8.6-9.4kHz和4.6-5kHz频段下可看到一个近似于外圈故障特征频率93Hz频率，且谱线单一，但这两个频段中93HZ的倍频太小，均不太明显；在7.6-8.4kHz的频段下可看到表外圈故障特征频率及特征频率凸显在频谱图中。再来研究内圈故障状态下的带通包络情况，如图3所示。前两个频段中出现的异常情况，是因为内圈故障振动信号传至传感器要经过滚动体、外圈、轴承座，再到传感器，在这个振动传递的过程中可能会激起其它频率成分的振动，从而使得和成分幅值变得突出。可以得出结论，选择不同的频段做带通滤波，最终得到的包络图所表征故障特征的效果会有较大差异。这表明，利用共振解调技术诊断滚动轴承故障时，选择合适的共振频段进行分析很重要。

3.2同一工况下的多次采样

图4为内圈故障轴承在电机转速≦1380r/min时进行5次采样，再选择7.6-8.4kHz为滤波频段进行共振解调处理的结果。其内圈故障特征频率和2都能突显在每次采样的处理结果中，可见对同一工况进行多次采样，此方法对故障特征的提取有效。

3.3不同工况下的多次采样

以上工作是电机转速为1380r/min这一工况下进行的。如在允许的范围内改变转速（分别取1080r/min、1380r/min、1500r/min）进行多次采样，再作共振解调处理，同样可找到外圈故障特征频率、内圈故障特征频率，且这两个频率在各自的频谱图中都十分明显；不同的是外圈故障特征的2阶倍频2在第一转速和第三转速中没有很好的突显出来，且出现较多不需要的峰值。将三种状态下各自合适频段的带通滤波共振解调谱图进行比较，可直接看出轴承的状态。若一滚动轴承故障状态未知，只需将其作共振解调处理，观察其频谱突出峰值，完成故障诊断。

4.结论

利用共振解调技术诊断滚动轴承故障时，选择合适的共振频段分析是十分重要的。大量试验证明，在同一工况下进行多次采样，共振解调方法同样能有效的提取故障特征；在不同转速下进行共振解调处理，也可以判断出故障状态，有效的提取故障特征。