卞梁，馬劍，黃齊

(1.江蘇科技大學(xué)(張家港校區(qū)) 船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600；2.張家港港務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215633)

轉(zhuǎn)盤軸承是港口門座式起重機(jī)中的關(guān)鍵部件，用于連接上部轉(zhuǎn)臺(tái)和下部底座，使上部相對(duì)于下部旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，轉(zhuǎn)盤軸承承受較大的軸向力和傾覆力矩，是主要的易損部件，一旦發(fā)生故障，將影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。另外，大型轉(zhuǎn)盤軸承維修周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，因此有必要監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，以便及早發(fā)現(xiàn)故障，合理安排維修計(jì)劃，節(jié)省維修成本。

運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)盤軸承滾子與滾道之間存在較大的接觸力，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)滾子局部點(diǎn)蝕、滾道剝落以及滾子整體破碎等故障。目前對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承采取的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方法[1]主要有振動(dòng)分析法[2-4]、應(yīng)力波分析法[5-6]和聲發(fā)射檢測(cè)法[7-8]等。

門座式起重機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承工作時(shí)轉(zhuǎn)速較低，早期的低頻故障信號(hào)往往受到背景噪聲的干擾而難以有效分離，因此故障診斷的熱點(diǎn)和難點(diǎn)仍是故障信號(hào)的提取和分析[9-10]。由于轉(zhuǎn)盤軸承的變形只與其受力相關(guān)，受結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的影響較小，因此其表面應(yīng)變的信噪比較高。文獻(xiàn)[11]采用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承發(fā)生故障前后表面的應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果顯示轉(zhuǎn)盤軸承在發(fā)生故障前后的表面應(yīng)變有明顯變化，可以進(jìn)一步通過(guò)分析應(yīng)變的變化規(guī)律進(jìn)行故障診斷。

為考察應(yīng)變信號(hào)在轉(zhuǎn)盤軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的作用和效果，開展了基于應(yīng)變分析的轉(zhuǎn)盤軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)在內(nèi)圈表面布置電阻應(yīng)變片，獲取轉(zhuǎn)盤軸承在靜態(tài)加載下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布曲線。并在此基礎(chǔ)上采用ANSYS軟件對(duì)應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行了有限元模擬，通過(guò)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證模型的有效性。最后分析轉(zhuǎn)盤軸承加載后內(nèi)圈表面的軸向應(yīng)變和主應(yīng)變分布情況，討論測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置方案。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原理與方案

以MQ4037型門座式起重機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承為研究對(duì)象，如圖1所示，該轉(zhuǎn)盤軸承型號(hào)為132.50.4000，采用三排圓柱滾子式結(jié)構(gòu)，承載能力大，抗沖擊能力強(qiáng)，在港口起重機(jī)中廣泛使用[12]。轉(zhuǎn)盤軸承外圈固定于底座，內(nèi)圈與上部轉(zhuǎn)臺(tái)相連。起重機(jī)起吊重物時(shí)，作用于轉(zhuǎn)臺(tái)上的載荷直接傳遞到轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈。在軸向力和傾覆力矩的作用下，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈將發(fā)生變形，通過(guò)在內(nèi)圈表面不同位置布置電阻應(yīng)變片，可以獲取各位置的應(yīng)變變化情況，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)盤軸承在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)?？紤]到對(duì)稱性，取轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈從臂架到尾部半圈作為試驗(yàn)對(duì)象，在內(nèi)圈側(cè)面沿圓周方向分上下2層共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示(圖中只顯示了上層測(cè)點(diǎn)的編號(hào)，對(duì)應(yīng)的下層位置也有應(yīng)變片)。貼片方向沿豎直方向，即測(cè)量?jī)?nèi)圈表面的軸向應(yīng)變。由于轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈布置集中潤(rùn)滑分配器等原因，布點(diǎn)時(shí)未按圓周平均分布。

1—外圈；2—上排滾子；3—下排滾子；4—徑向滾子； 5—潤(rùn)滑油孔；6—上層測(cè)點(diǎn)；7—內(nèi)圈；8—下層測(cè)點(diǎn)圖1 三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

試驗(yàn)設(shè)備主要包括電阻應(yīng)變儀和計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)線路連接示意圖如圖3所示，布置于轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈表面的電阻應(yīng)變片通過(guò)屏蔽電纜將測(cè)量信號(hào)傳遞到電阻應(yīng)變儀，電阻應(yīng)變儀則與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。典型測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)線路連接示意圖

圖4 典型測(cè)點(diǎn)布置圖

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)通過(guò)2種方式對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承進(jìn)行加載：1)空載時(shí)通過(guò)改變臂架的外伸幅度對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承施加傾覆力矩；2)通過(guò)起吊額定載荷對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承同時(shí)施加軸向力和傾覆力矩?？紤]到風(fēng)載和支座約束對(duì)測(cè)量的影響，空載時(shí)將臂架旋轉(zhuǎn)到4個(gè)不同的方向進(jìn)行測(cè)量。為了不影響碼頭上相鄰門機(jī)的作業(yè)，選取臂架與門機(jī)軌道成45°且靠近江面一側(cè)的方向作為起始方向(記為0°方向)開始測(cè)量，然后將臂架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，90°和180°進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，首先將臂架伸展到最大幅度(37 m)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變清零，然后收縮到最小幅度(11.5 m)，待轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)。

空載情況下，不同方向各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布曲線如圖5所示。從圖中可以看出，上層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變絕對(duì)值呈先減小后反向增大的趨勢(shì)，與受力情況一致；下層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律與上層測(cè)點(diǎn)類似，但變化幅度稍小。由于受風(fēng)載和支座的影響，個(gè)別測(cè)點(diǎn)在不同方向的應(yīng)變值變化較大，但應(yīng)變整體變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明應(yīng)變信號(hào)能夠反映轉(zhuǎn)盤軸承的受力情況，可以用于轉(zhuǎn)盤軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖5 空載情況下不同方向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布曲線

加載試驗(yàn)在180°方向進(jìn)行，臂架伸展幅度為13 m，加載到額定載荷(40 t)，待轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)。然后卸下載荷，記錄空載時(shí)各測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)。將加載與空載的讀數(shù)相減，可得到由于載荷引起的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的變化值。加載情況下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布曲線如圖6所示。由圖可知,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布情況與空載情況類似，上層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化規(guī)律較明顯，而下層測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化較小。由于加載測(cè)量和空載測(cè)量相比，傾覆力矩有所增加，因此各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值也有所增大。

圖6 加載情況下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布曲線

雖然試驗(yàn)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈的軸向應(yīng)變能反映出轉(zhuǎn)盤軸承的受力情況，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)比較微弱，應(yīng)變值偏小，考慮到測(cè)量?jī)x器的誤差和測(cè)量過(guò)程中隨機(jī)因素的影響，這些測(cè)點(diǎn)將很難用于轉(zhuǎn)盤軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。為提高測(cè)量結(jié)果的可靠性和有效性，需要對(duì)測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行優(yōu)化。

2 有限元分析

在ANSYS軟件中建立了轉(zhuǎn)盤軸承有限元模型，對(duì)應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到對(duì)稱性，選取結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模。建模時(shí)忽略了滾動(dòng)體、保持架和密封圈等細(xì)節(jié)。滾子材料為100Cr6軸承鋼，套圈材料為42CrMo4，材料參數(shù)見表1，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖7所示。

表1 滾子與套圈材料參數(shù)

圖7 有限元模型示意圖

計(jì)算時(shí)，在外圈底面施加固定約束將外圈固定，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，同時(shí)在內(nèi)圈表面施加傾覆力矩，模擬空載情況下的應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)。從門機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算書中可獲得臂架從最大幅度變化到最小幅度產(chǎn)生的傾覆力矩為4 534 kN·m。由于采用了對(duì)稱建模的方法，因此取實(shí)際傾覆力矩的一半進(jìn)行加載。有限元計(jì)算得到的各測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變值見表2，該計(jì)算結(jié)果反映了無(wú)風(fēng)載、支座為剛性固定的理想狀態(tài)下，由于加載引起的內(nèi)圈表面的軸向應(yīng)變。

表2 各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變的有限元計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示。可以看出，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的整體變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果比較一致，大部分測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值比較接近，說(shuō)明建立的有限元模型是有效的。但個(gè)別測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，這是由于計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相比進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，而且應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

為優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置，提高測(cè)量精度，需要對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈表面的應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)盤軸承臂架端內(nèi)圈表面的軸向應(yīng)變分布如圖8所示。由圖可知，軸向應(yīng)變沿高度方向變化很大，在靠近頂部和底部區(qū)域的應(yīng)變值最大，但分布范圍較小且分布不均，在此處測(cè)量時(shí)對(duì)應(yīng)變片粘貼位置要求較高；在高度中間區(qū)域應(yīng)變分布相對(duì)比較均勻，應(yīng)變值也較大，因此是軸向應(yīng)變檢測(cè)比較理想的區(qū)域。

圖8 內(nèi)圈表面軸向應(yīng)變分布圖

轉(zhuǎn)盤軸承受力后，內(nèi)圈表面各點(diǎn)實(shí)際處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)圈表面第一主應(yīng)變的分布云圖如圖9所示。由圖可知，靠近頂部和底部區(qū)域的主應(yīng)變值較大，相同位置的應(yīng)變值能達(dá)到軸向應(yīng)變的4～5倍，因此若采取主應(yīng)變測(cè)量的方法，在內(nèi)圈頂部和底部的合適位置布置測(cè)點(diǎn)，可以得到更大的應(yīng)變測(cè)量信號(hào)，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性更高。

圖9 內(nèi)圈表面第一主應(yīng)變分布圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈表面布置電阻應(yīng)變片，對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承加載后內(nèi)圈的軸向應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量，獲得了內(nèi)圈表面的軸向應(yīng)變分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈表面的應(yīng)變信號(hào)可以反映轉(zhuǎn)盤軸承的受力情況，但部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)比較微弱，很難用于轉(zhuǎn)盤軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

采用ANSYS軟件對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承進(jìn)行了有限元分析，模擬應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)，計(jì)算得到的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值與試驗(yàn)值比較接近，應(yīng)變的整體變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了模型的有效性。為優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布置，分析了內(nèi)圈表面的軸向應(yīng)變分布情況。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)盤軸承受力后內(nèi)圈軸向應(yīng)變分布不均，最大應(yīng)變發(fā)生在靠近上下表面的局部區(qū)域內(nèi)，且分布不連續(xù)，布置測(cè)點(diǎn)時(shí)對(duì)貼片位置的精度要求較高。在高度的中間存在一應(yīng)變值較大且應(yīng)變分布比較均勻的區(qū)域，此處是布置測(cè)點(diǎn)比較理想的區(qū)域。采用主應(yīng)變測(cè)量的方法，在內(nèi)圈靠近頂部和底部的合適位置布置測(cè)點(diǎn)，可以有效提高應(yīng)變測(cè)量值，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。