球磨机轴承与齿轮传动器常见故障诊断方法分析
玉溪大红山铜矿机电一体化大专班
潘翔
2010年9月
[球磨机在使用过程中难免会出现这样那样的故障，从而影响磨机工作效率，本论文对球磨机的轴承和小齿轮常见故障及解决方法进行全面的分析总结]
昆明理工大学机电一体化大专班毕业论文
摘要
现代化生产日益向着大规模化、系统化、自动化方向发展，机械故障诊断越来越受到重视。如果主要设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，而且影响正常生产，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在连续生产系统中，如果主要设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大的经济损失。
本文在介绍了球磨机主要的故障机理、特征及其诊断方法，并对各种监测诊断方法进行探讨分析。基于具体工业实际，本文重点针对球磨机常见轴承故障、齿轮传动系统故障、磨机“胀肚”自诊断与过程控制的监测诊断方法做了深入的探讨、研究；提出运行状态监测、故障诊断与生产过程控制相结合的系统设计思想。此外，根据球磨机主要的监测内容和特点，对球磨机实时工况与状态识别、在线分析与故障诊断进行系统设计，并完成监测诊断及生产过程控制系统的构成，确定监测诊断系统的工艺设计框架。
关键词：球磨机；运行状态监测；故障诊断；分析
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第1章 绪论
1.1 对球磨机进行故障诊断的必要性
近年来，随着机械工业中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生。大型旋转设备状态监测与故障诊断技术研究是国家重点攻关项目，目的是提高大型旋转设备的技术状况，减少突发性事故，避免重大经济损失。”
1.2 球磨机故障概述
球磨机是选矿工艺中一个应用非常广泛且十分重要的粉磨设备。日益向大型化、自动化及复杂化方向发展。这样的关键设备一旦发生故障后，往往给生产带来巨大的影响，常常因为对故障的出现估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失。每年，企业为了保持球磨机系统处于正常运转状态的维修费用，在企业的经营费用中占有很大的比例。因此，必须对球磨设备与关键设备的运行状态和劣化的原因及运行信息的变化进行诊断。诊断的实质是把运行中的机器的征兆去和标准谱中的各种征兆进行比较来判断机器运行状态是否正常的过程，以便在事故发生前及能查明原因及时排除，或根据某些征兆，预测预报机器的运行状态，及时找到性能变化与结构变化的对应关系，及时地做出科学的判断和决策。
筒形磨矿机1905年出现后，在工业生产中迅速得到应用。到目前为止，筒式磨矿机仍是最主要的工业粉磨设备，在磨机大型化发展的同时，中小型磨机在我国矿山生产中占有很大比重。在磨选生产工
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艺流程中，磨矿作业主要是对矿物进行单体解离，以便于选别，由此可见，磨矿作业在选矿生产中占有非常重要的地位，所以，作为选矿厂磨矿作业的主体设备——球磨机，其技术状况、设备完好率和运行效率直接影响选别作业的各项技术、经济指标。随着近几年来生产任务的连年增加，球磨机作业率持续保持在９７％以上。但是，球磨机作业率的增高，随之而来球磨机故障、隐患率增加。
球磨机经常出现的生产和设备故障有：球磨机“胀肚”，轴承“烧轴”，大轴裂纹，减速机温升高、噪音大，齿轮轴断、折齿，大小齿轮磨损不均、局部缺陷、点蚀、胶合及联轴器不对中引起的噪音大、振动大等缺陷。
第2章 球磨机轴承故障诊断
2.1 引言
在选矿工业中，球磨机小正齿轮轴承的工作性能直接影响球磨机安全稳定运行，因此对小正齿轮轴承的状态监控与故障诊断尤为重要。
滚动轴承是机械设备最常见和最易损坏的部件之一。在使用过程中的异常形式主要有以下几种：
（１）疲劳剥落：在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面一定深度处形成裂纹，继而扩展使表层形成剥落坑。
（２）磨损：轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因及杂质异物的侵入引起表面磨损。导致轴承游隙增大，表面粗糙，降低机器运行精度，增大振动和噪声。
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（３）塑性变形：轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、经过载荷积累或短时超载引起的轴承塑性变形。
（４）腐蚀：润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀、以及轴承套圈在轴孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀。
（５）断裂：载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂。热处理、装配引起残余应力，运行时的热应力过大也会引起轴承零件的裂纹或破裂。
（６）胶合：主要是由于润滑不良、高速、中载、高温、起动加速度过大等造成摩擦发热，使滚道和滚动体表面局部融合在一起。
轴承故障是球磨机常见的故障模式之一，由于轴承故障所引起的附加振动相对于球磨机的固有振动较弱，因而很难把故障信息从信号中分离开来。到目前为止，对球磨机轴承故障的故障诊断尚缺少十分有效的方法。本节提出在频域和倒频域进行特征提取，旨在解决轴承特征提取困难的问题。
2.2 球磨机轴承故障特征
在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：其一为与轴承弹性有关的振动，其二为与轴承滚动表面状况（波纹、伤痕等）有关的振动。前者与轴承的异常状态无关，而后者反映了轴承的损伤情况。
轴承的振动信号极其复杂，一般有四种：
（1）轴承构造引起的振动（低频）；
（2）轴承的不同轴引起的振动（低频）；
（3）轴承精加工面的波纹引起的振动（低频）：
（4）轴承受损伤后引起的振动（高频）。
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对于机械系统而言，如有故障则一定会引起系统的附加振动。振动信号是动态信号，它包含的信息丰富，很适合进行故障诊断。但是如果附加振动信号由于固有信号或外界干扰对故障信号的干扰很大而淹没，那么如何从振动信号中提取有用信号就显得十分关键。
2.3 球磨机轴承监测、诊断方法
2.3.1 振动诊断法
滚动轴承在工作过程中会产生各种各样的异常和损伤，多数故障都会使轴承的振动加剧，所以，振动信号就成为诊断轴承故障的主要信息。采用振动诊断法主要有以下优点： （１）可以检测出各种类型轴承的异常现象；
（２）在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定； （３）由于振动信号发自轴承本身，所以不需特别的信号源； （４）信号检测和处理比较简单；
在滚动轴承的振动诊断中，较常用的方法有以下几种： （１）有效值和峰值判断法
有效值是振动幅值的均方根值，由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面皱裂无规则振动波形的异常，其测定值的变化小，可给出恰当的评价。但是不适用对表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异常。峰值是在某个时间内振幅的最大值，它对瞬时现象可得出正确的指示值，特别对初期阶段轴承表面剥落容易测量，由于它对由于外界干扰等原因引起的瞬时振动比较敏感，它比有效值测定值的变化可能很大。
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（２）峰值指标法
峰值指标是指峰值与有效值的比，该方法最大的特点是：由于峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的判断可非常单纯的进行；此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大器的灵敏度即使变动，也不会出现测定误差。但是这种方法无法诊断表面皱裂或磨损之类的异常。 （３）振幅概率密度分析法
这种方法主要是把轴承的异常程度进行量化，运用概率密度分布的陡度的大小来判断轴承异常情况。因其与轴承尺寸、转速及负荷等条件无关，因此使用比较单纯，对轴承的好坏判定非常简单。这种方法主要适用于轴承表面有伤痕的情况，但对轴承表面皱裂、磨损等异常缺乏检测能力。 （４）时序模型参数分析法
时序模型参数分析法，是一种把轴承振动信号采样值看作一个时间序列，并建立数学模型，然后利用模型的参数对轴承故障进行诊断的一种方法。这种方法只有在掌握滚动轴承在正常和异常是模型阶次及残差方差指标的变化规律的情况下，对轴承的状态才能做出正确的诊断。
（５）冲击脉冲法
如果滚动轴承的某些元件有损伤，轴承工作时，这些零件在接触过程中就会产生冲击脉冲。通过加速度传感器测得此冲击引起的高频衰减振动波形，从而对滚动轴承的故障做出判断。此方法可诊断滚动
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轴承表面伤痕、皱裂缺陷，对滚动轴承磨损判定不明显。 （６）包络法
包络分析法是利用包络检波和对包络谱的分析，根据包络谱蜂来识别故障。事实表明，当滚动轴承元件产生缺陷而在运行中引起脉动时，不但会引起轴承外圈及传感器本身产生高频固有振动，且此高频振动的幅值还会受到上述脉动激发力的调制。在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入调制器，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析即可获得功率谱。 （７）高通绝对值频率分析法。
将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器后，再经过ｌKHz高通滤波器，提取其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行频率分析，去判断轴承故障原因。
2.3.2 光纤监测技术
上述的振动监测方法，通常是在轴承座上安装传感器，即用传感器测量轴承盖的振动信号，这样所检测的信号中完全接收了外界干扰，轴承的故障信号可能会因为较弱而被淹没。而光纤监测技术，则直接从轴承套圈的表面提取信号。它是用光导纤维束制成的位移传感器，其包含有发送光纤束和接收光纤束，光线由发送光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙反射回来，再由接收光纤束接收，经过光电元件转换为电压输出，得出有效值、峰值有效值比和轴承速率比等轴承运行性能的诊断指标，判定轴承异常。 2.3.3 接触电阻法
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接触电阻法所依据的基本原理和振动测量完全不同，它是与振动监测法相互补充的一种监测技术。
轴承在运转过程中，滚道面与滚动体之间便会形成油膜，这样在内外圈之间就有很大的电阻。正常轴承，其油膜厚度至少是表面租糙度的四倍，由于润滑剂是有机碳氢化合物，轴承内外圈之间的平均电阻很高，而当轴承零件出现剥落、腐蚀、损伤等缺陷时，缺陷处油膜厚度减小，轴承内外圈之间的电阻值降低，以此监测轴承异常。
2.4 小结
本节主要根据球磨机轴承的故障特征，对轴承监测、诊断的各种方法进行分析探讨。由于轴承故障所引起的附加振动相对于球磨机的固有振动较弱，因而很难把故障信息从信号中分离开来。到目前为止，对球磨机轴承故障的故障诊断尚缺少十分有效的方法。本节提出在频域和倒频域进行特征提取，旨在解决轴承特征提取困难的问题，并利用集成BP网络解决轴承多故障诊断与识别和鲁棒性问题。
第3章 球磨机齿轮传动系统状态检测与故障诊断
3.1 齿轮异常的基本形式及振动特点
3.1.1齿轮异常的基本形式
齿轮由于制造、操作、维护以及齿轮材质、热处理、运行状态等因素不同，产生异常的形式也不同，常见的齿轮异常有以下几种形式：
（１）齿面磨损； （２）齿面胶合和擦伤；
（３）齿面接触疲劳；
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（４）弯曲疲劳与断齿。 3.1.2齿轮振动及其特点
（１）齿轮啮合过程中由于周节误差、齿形误差获均匀磨损等都会使齿于齿之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。齿轮再次周期撞击力的激励下产生了以啮合频率为振动频率的强迫振动，频率范围一般在几百到几千赫内。
（２）由于齿轮啮合过程中齿轮发生弹性变形，使刚刚进入啮合的齿轮发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。对于齿廓为渐开线的齿轮，在节点附近为单齿啮合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非常简谐的周期函数，所以产生的强迫振动与上述第一种情况不同，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。
（３）齿与齿之间摩擦在一定的条件下会诱发自激振动，主要与齿面加工质量及润滑条件有关，自激振动的频率接近齿轮的固有频率。
（４）齿与齿之间撞击是一种瞬态激励，它使齿轮产生衰减自由振动，振动频率就是齿轮的固有频率，通常固有频率在ｌ-10KHz内。
(５）齿轮、轴、轴承等元件由于不同心、不对称、材料不均匀等会产生偏心、不平衡，其离心惯性力使齿轮轴系统产生强迫振动，振动的频率等于轴的转动频率（一般在１０叽王ｚ以内）及其谐频。
（６）由于齿面的局部损伤而产生的激励，其相应的强迫振动频率等于损伤的齿数乘以轴的转动频率。
综上所述，齿轮的振动频率基本上可归纳为三类：即轴的转动频
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率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮自身的各阶段固有频率。而齿轮的实际振动往往是上述各类振动的。
3.2 齿轮传动系统故障诊断方法
3.2.1振动分析法
在齿轮系统故障诊断的众多方法中，如振动诊断、噪声分析、油液分析、声发射和温度及能耗检测等，振动诊断是目前使用最广泛且行之有效的方法。因此，对齿轮系统的故障进行振动诊断是一个重要的课题。传统振动诊断的基本方法是用安装在箱体上的加速度传感器测量振动响应信号，提取特征参量，再考虑传感器与各零部件的接近程度和特征参量与某种部件的相关特性进行故障诊断。为了充分利用信息，目前一般采用多参数诊断法（如模糊诊断法和灰色系统关联诊断法等），这种方法广泛使用时域、幅域、频域的各种分析方法，提取尽可能多的有效特征参量，然后结合模式识别进行工作状态的判断。 3.2.2频谱分析法
从齿轮啮合动力学出发，在齿轮故障检测中，基于边频带理论的有各种频域和倒频域的定性分析方法，如频谱细化分析，倒频谱分析方法等。
3.2.3小波诊断方法
小波变换是具有“变焦”功能的时一频分析方法。它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，还有放大、缩小、平移等功能，可以把分析的重点聚焦到任意的细节，从而可显著地改善信号提取能力和状态识别灵敏度及准确性．同时，小波变换实质上是一种滤波运算，
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具有良好的滤噪效果，特别适合于强背景噪声下信号的分析。目前，小波分析的理论正日趋完善，其应用也不断扩大和深入。在齿轮传动系统故障诊断中，一般多为定性研究，定量研究较为困难，而且研究还不够深入。
3.2.4基于载荷识别和信息融合的齿轮传动系统诊断方法
齿轮传动系统在运转过程中，各个轴系的作用力在轴承座处对箱体产生动态激励，使齿轮系统的箱体发生振动。当齿轮系统零部件齿轮、轴承和轴发生故障时，箱体受到的动态激励会发生变化，造成箱体的振动响应也发生变化。根据这种关系，利用子系统方法对齿轮系统进行整体力学建模。通过测试齿轮系统箱体的振动响应，应用多载荷识别技术、多传感器优化配置和多传感器信息融合技术精确求得箱体在各个轴承座处受到的动态激励，然后直接分析这些激励信号，建立基于激励分析的特征参量体系，进行特征级和决策级的信息融合与故障诊断。
评价标准： 国际标准化组织（ISO）1985年制定了大型旋转机械的机械振动现场测量与评价标准ISO3945．1985。该标准适用于功率大于300KW的大型旋转机械，并规定了在轴承外壳上测量振动烈度。
第4章 结论
本文工作是对球磨机运行状态监测与故障诊断系统进行研究，基于实际工业应用，针对球磨机常见故障内容探讨研究监测诊断方法。根据球磨机轴承故障特点，分析探讨监测诊断方法，提出利用频域和倒频域的振动信号作为特征参数，运用集成BP网络实现了球磨机轴
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承的多故障诊断与识别。根据齿轮异常特征，分析探讨监测诊断方法，提出测量振动响应信号，提取特征参量，基于边频带理论，进行各种频域、倒频域定性分析、幅值解调分析和频率解调分析，对球磨机齿轮传动系统进行精密诊断。
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