纸机托辊轴承模糊可靠性寿命分析

6 1 10 60R m M c L a n P eæ ö÷ç ÷= ç ÷ç ÷çè ø 纸机托辊轴承模糊 可靠性寿命 舒服华 武汉理工大学机电工程学院 湖北 武汉 430070 摘键要 针对纸机托辊轴承早期 失效严重的情况 运用 模糊可靠性设计理论对 轴承的寿命进行分析 将影响轴承寿命的主要 参数当量动载荷当成随 机变量处理 而影响当 量动载荷的因素视为模 糊变量 用模糊可靠性 方法校核轴承的寿命 找出了托辊轴承因寿命 不足而失效的原因 提 出了相应的解决问题的 措施 关键词 托辊 轴承 模糊数学 可靠性 寿命 中图分类号 TP118TS737 文献标识码:A工 文章编号:1007-9211(2006)12-0050 -04 纸浆笔者最近了解 某造纸厂纸机托辊滚动轴承故障 发生频繁 远未达到预期的寿命就失效 而按经典的 理论计算分析 该轴承的疲劳可靠性寿命应该足够 当然 引起轴承失效的原因除疲劳因素外 还有许多 突发和偶发因素 但经调查该机的工作环境和生产条 件并未发生明显的改变 偶然因素引起轴承破坏的几 率很小 这是一个值得引起注意和探讨的现实问题 传统的滚动轴承寿命计算采用的是可靠性疲劳寿命方 法 即在一定的可靠性 一定的承载和转速下确定轴 承的寿命值 将轴承在整个寿命期内的转速 承载 额定载荷等参数当成不变量 但事实上并非如此 由 于受各种因素的影响 这些参数均存在许多不确定的 因素 其主要表现为设计参数取值的随机性和许用载 荷边界的模糊性 特别是轴承的当量动载荷 它受生 产类型 润滑情况 工作条件 制造水平等因素不同 程度的影响 而这些因素都是模糊概念 为了更科学 准确地描述纸机滚动轴承的寿命 必须用模糊数学的 方法进行分析 本文运用模糊可靠性设计理论解析了 纸机滚动轴承过早疲劳失效问题 并提出了提高轴承 疲劳寿命的相应措施 1新轴承模糊可靠性寿命计算模型 己二模糊可靠性理论用于机械零件设计 就是把经典 机械零件设计中不变的设计参数变成服从某种分布规 律的随机变量或具有某种连续型隶属函数的模糊变量 来处理 在给定的模糊可靠度下设计出较传统方 法更为科学的产品[ 1 ]轴承设计中的变量如额定转 速 工作转速 额定动 静 载荷 当量动 静 载荷等大 多属连续型随机变量 需要通过试验及数理统计方法 确定其分布类型和分布参数 运用模糊数学和可靠性 设计理论科学确定这些模糊变量的概率和轴承的模糊 可靠度 作为滚动轴承设计的依据 己二当滚动轴承的可靠度为R时 其寿命计算为 己二 己二 式中: 1 可靠性系数 舒服华 副教授 博士研究生 主要 从事机械设计和故障诊断研究 1 3 1 0.9 InR a In æ ö÷ç= ÷ç ÷÷çè ø Technology 技术进步 机械设备 50 第27卷第12期 2006年12月 万方数据 己二nm 滚动轴承的平均转速,r/min 己二C 滚动轴承基本额定动载荷,kN 己二 滚动轴承寿命指数 对于球轴承 =3对于滚 子轴承, =10/3 己二PM 滚动轴承平均当量动载荷 kN 己二当轴承的可靠度R确定时 影响滚动轴承寿命的因素 有nm CPM 其中最具模糊性的就是PM 由于受工作环境 和工作条件等复杂因素的影响 PM的值具有随机性和不 确定性 常规方法确定存在不足和偏差 因此用模糊数学 的方法更科学 更符合实际[2]设影响滚动轴承平均当量 动载荷PM的因素为m个 则PM的模糊因素集为 己二己二M={u1 u2 um} 己二在考虑了模糊因素影响后 PM值称为模糊平均当量 动载荷 m个因素可按性质和影响程度的差异分为n个等 级 当各模糊因素评价等级由好到差变化时 轴承模糊平 均当量动载荷PM则由小到大变化 经过归一化处理后 各 评价等级的隶属度为 纸浆按加权平均法求和得到滚动轴承模糊平均当量动 载荷PM 己二己二 己二将PM代入滚动轴承寿命 即可求得滚动 轴承在可靠度为R时的寿命LR 称之为模糊可靠性寿 命 2新托辊轴承模糊可靠性寿命分析 纸浆以上述某厂纸机托辊滚动轴承为研究对象 轴承型 号113524设计寿命15000h托辊平均转速420r/min轴 承额定动负荷C=556400N经计算滚动轴承所受平均当 量动载荷P=74000N由于受诸多因素的影响 轴承当量 动载荷会在一定范围内波动 经确定其变化范围达30% 根据纸机工作特性 将该轴承当量动载荷变化按从小到 大分为3个离散值 P1= 5 1 8 0 0 NP2= 7 4 0 0 0 N P3=96200N 己二m个模糊影响因素构成的总效应矩阵A 己二根据轴承的实际情况 确定各模糊因素对滚动轴 纸浆若按常规方法计算 取轴承的可靠度R=0.99 当量动载荷取平均值PM=74000N则轴承的寿命为 纸浆显而易见 此结果满足用户生产要求 而事实上 轴承的寿命远远低于此值 与理论计算矛盾 实际 上 应该按模糊可靠性理论和方法求解轴承寿命才合 理 影响托辊轴承当量动载荷的因素主要有四个 即 生产产品的类型u1 轴承润滑系统效率状况u2 设备 工作条件状况u3 轴系制造安装水平状况u4 这四个 影响因素按性质和程度可分为好 中 差三个等级,分 别用123表示 则各因素等级的隶属度为 纸浆Wi= wi(1)/1+wi(2)/2+wi(3)/3 己二按造纸行业来看 本纸机生产的是箱纸板 纸质不均匀 载荷平稳性差 采用人工定期润滑 润滑 剂易污染 润滑效率状况一般 设备处在潮湿高温环 境下 工作条件状况较差 轴自重大 加工困难 轴系制 造安装水平状况一般 于是据此确定各评价因素等级 的隶属度 并经归一化处理 得 己二W1=0.20/1+0.20/2+0.60/3 己二W2=0.10/1+0.70/2+0.20/3 己二W3=0.20/1+0.15/2+0.65/3 11 12 1 21 22 2 1 Λ Λ Λ Λ Λ Λ Λ2 h h n nh R n r r r r r r r r = é ùê úê úê úë û ( )( ) 11 12 1 21 22 2 1 2 Λ Λ · , ,Λ, 1, 2, ...,1 2Λ Λ Λ Λ Λ h h m m mh A W R W a a a i mi i i i ih r r r r r r r r r = = = = é ùê úê úê úë û Λ11 12 11 Λ21 22 22 Λ Λ Λ Λ Λ1 2 a a aA h a a aA hA M A a a aM m m mh = = é ùé ù ê úê ú ê úê úë û ë û ( ) ( ) 11 12 1 21 22 2, ,? · , , ...1 2 1 2 1 2 a a a h a a a hB J A j j j b b bm h a a am m mh Ù Ù= × = Ù =Ù Ù Ù Ù Ù é ùê úê úê úë û 1 1 h b pk kk PM h bkk å = = å = ( ) ( ) ( ) 1 10ω6 63 310 0.99 10 556400 15097.651 60 0.9 60× 420 74000 h C In L aR n P Inm M = = = æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø (1) (2) ( ) 1 2 u u u n i wi wi wi W n = + + (1) (2) ... ( ) 1u u u nwi wi wi+ + + = 己二 (i=1,2,...,m) 己二于是 滚动轴承当量动载荷在一曲线带范围内变 化 将当量动载荷的变化范围[P1 Ph]离散为P1 P2 Ph 各离散值的大小根据设计问题的实际情 况决定 设rij为第i个等级对第j个载荷离散值Pj的 隶属度(i= 12 n j= 12 h) 采用各 因素同一等级评定隶属度为行 组成评价矩阵R 己二进行模糊运算可得各模糊影响因素的效应参数 Ai 承当量载荷的影响 给出各因素影响权重集为J 己二J=(j1,j2, ,jm) 纸浆则各因素综合评价矩阵B为: 技术进步 Technology机械设备 51 万方数据 己二W4=0.15/1+0.05/2+0.80/3 己二由于滚动轴承当量动载荷在一定范围内波动 且 已知该轴承当量动载荷变化按从小到大分为3个离散 己二模糊当量动载荷为 己二轴承的模糊可靠性寿命为 己二轴承的模糊可靠性寿命比常规方法设计的寿命减 少3152.34h下降了20.86%由此可见 发生失效并非 偶然的 这就从根本上找到了轴承过早失效的原因 3新提高纸机轴承寿命的措施 己二滚动轴承常见的失效形式有疲劳点蚀 永久变 形 元件烧伤 座圈滚道磨损 造成轴承早期失效的主 要原因是轴承润滑不良 污染 严重过载 装配不当 维 护和拆卸过程中发生碰撞冲击等 因此 除在新设计 和开发产品时 运用模糊可靠性理论设计和选择轴承 外 对于旧设备 在不便更换轴承的类型和型号的情 况下 提高轴承疲劳的寿命 只有从平常的维护和保 养着手 3 . 1机保持良好的润滑状态 己二轴承良好的润滑状态包括正确选择润滑剂的类型 和牌号 采取科学的润滑方法 严格执行润滑操作 规程 润滑剂分为润滑油和润滑脂 润滑剂的性能包 括粘度 油膜形成的能力以及稠密度(指润滑脂)在选 择润滑剂和润滑方法时 要充分考虑设备的工作环 境 周围温度以及设备工作温度范围 设备转速 载 荷的大小和性质 还要充分考虑设备工作情况 如振 动 冲击 动载荷等工况 润滑脂具有良好的附着性 能 正常转速和温度条件下使用的轴承通常选用润滑 脂人工定期润滑 润滑油具有较好的流动性和散热 性 对于转速高或者发热量大的轴承 则可采用连续 供给清洁润滑油的循环系统 选择的润滑油粘度应恰 当 过粘会增大运动阻力 过稀则会影响润滑效果 恰当的润滑时间以及合适的润滑周期对提高轴承使用 寿命也是非常重要的 润滑剂的更换间隔取决于工作 温度和综合环境因素 要严格执行润滑规程 作到定 期加油 按规定加量 随时掌握润滑剂变化情况 及 时更换废旧润滑剂 使轴承保持良好的润滑 3 . 2机防止杂物污染轴承 己二水 化学品或者粉尘等污染物能够腐蚀轴承的表面 或者损害润滑剂 润滑剂被污染后 轴承的润滑条件就会 恶化 而且一些固体杂质混在润滑剂中 还会成为一种磨 蚀剂 造成轴承过早发生磨损失效 安装防护罩或密封条 是有效防止污染物浸入轴承内的有效方法 在日常生产 维护中 要做好清洁工作 尽量不让金属末 灰尘等硬粒 以及水 化学辅助剂 纸浆等软粒之类有害物进入轴承 内 如果发现轴承润滑剂被污染 要立即清洗干净 重新 加入干净润滑剂 并改善密封条件 有条件的单位可设立 集中润滑站 给轴承内经常注入干净润滑油 使被污染的 润滑油能随时被新鲜洁净的润滑油排出 这就使轴承始 终能够得到良好的润滑 保证了轴承工作的可靠性 3.3机采用合理方法装配轴承 己二轴承的寿命差异除了材质 制造精度之外 还 在于装配工艺 对于装有联轴器的轴承 对轮不对中 是导致轴承故障的主要根源 根据资料统计 由于不 对中而增加的20%的负荷 会缩短轴承的设计使用寿 命达40%以上 因此 安装这类轴承时 要严格校核对 轮的对中情况 确保对轮对中性良好 轴 轴承座与轴 承的配合尺寸及形状公差也是容易引起轴承故障的原 因之一 装配时要使轴承套圈的尺寸和形状与轴和轴 承座的相匹配 否则将破坏轴承旋转精度和轴承负荷 分布的均匀性 导致负荷集中而缩短轴承的使用寿 命 轴承间隙和游隙的选择和调整也是装配工作的一 个重要环节 轴向间隙过小 会使其附加力矩增大 轴 承中心线与轴承孔中心线之间的角位移过大 将恶化 轴承的工作状态 装配轴承时应根据轴承结构型式 尺寸大小和轴承部件的配合性质而采用相应的装配方 法 压力应直接加在紧配合的套圈端面上 不得通过 滚动体传递压力 如果装拆不当 则可能会使各轴承 各元件造成损伤 影响轴承的使用寿命 3.4机排除诱发轴承故障的因素 己二轴的制造精度和故障是诱发轴承故障的主要因素 轴弯曲导致的不对中 轴和轴上零件磨损引起的不平 值 故可得评价矩阵如下 己二模糊因素总效应矩阵为 纸浆通过对纸机整体性能进行分析 并参照专家意 见 拟定上述四种因素对托辊滚动轴承当量动载荷 影响的权重集为 己二J=(j1 j2 j3 j4)=0.300.300.20. 2 己二综合评价矩阵为 0.75 0.05 0.20 0.05 0.85 0.10 0.10 0.20 0.70 R = é ù ê úë û 0.22 0.30 0.48 0.13 0.64 0.23 0.23 0.27 0.51 0.20 0.21 0.59 A = é ù ê ú ê úë û ( )0.191× 51800 0.376× 74000 0.433× 962001 79372.40 0.191 0.376 0.433 1 h b Pk kk P NM h bkk å + +== = + +å = 己二B=J﹒A=0.1910.3760.433 ( ) ( ) ( ) 1 10ω6 63 310 0.99 10 556400 11945.311 60 0.9 60× 420 79372.40 h C In L aR n P Inm M = = = æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø Technology 技术进步 机械设备 52 第27卷第12期 2006年12月 万方数据 衡 都会产生附加动载荷 对轴承产生冲击而诱发轴 承故障 必须严密检查和监控托辊轴的工作状态 发 生上述故障应及时修复与排除 外部设备的振动也是 诱发轴承故障的一个不可轻视的因素 如电机 减速 器 联轴器等的振动会通过地基或机架传给轴承 使 轴承中的滚动体随之振动 最后导致滚道发生疲劳剥 落 可采取加隔振垫或把这些振动源分离出主机的方 法 减轻环境所引起的振动对轴承的影响 要遵照设 计要求操作 避免过载 或超速运用产生高温高热 加载卸载均匀 避免对轴承碰撞冲击 清除异物 采 取有效的散热措施 这样都对避免轴承失效 延长轴 承的寿命极为重要 4新结论 常规常规轴承设计 由于设计过程中将各种参数按静 态性能处理 未能考虑它们的随机性及模糊性 虽然 理论上轴承寿命满足使用条件 但难以符合客观实际 情况 往往引起轴承过早失效 模糊可靠性设计方法 充分考虑了轴承载荷 转速和额定载荷 额度转速等 性能参数的随机性和模糊性 将影响轴承寿命的各种 因素看成具有某种概率分布的统计量和模糊数 通过 概率理论和模糊数学计算求解轴承可靠性 克服了常 规设计中将设计变量一律视为确定量的缺陷 它比常 规的轴承设计更接近客观实际 更科学合理 参考文献 [1]朱文予.机械可靠性设计[M].上海:上海交通大学出版社 1992. [2]孙錾强.铁道车辆轴承模糊可靠性寿命分析[J].铁道车辆 20003610:2728. [3]孙晓斌.延长滚动轴承寿命的途径[J].煤炭技术 200524 7 1819. An analysis on the fuzzy reliability life of touch roll bearing of paper machines SHU Fu-hua (School of Electric and Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China) Abstract:In order to tackle the severe early failure of the bearings of the touch roll, an analysis was carried out with fuzzy reliability design theory. The equivalent dynamic load, a major parameter influencing the bearing life, being taken as a stochastic variable, and the factors influencing equivalent dynamic load as fuzzy variables, the service life of bearing was checked with the fuzzy reliability method. The reason of touch roll bearings falling out of service due to service life shortage has been found out and the measures for solving the problem are put forward. Key words:paper machine touch roll; bearing; fuzzy reliability; servicing life 技术进步 Technology机械设备 53 旋转接头 金属软管 刀型闸阀 疏水阀 烘缸专用疏水阀 四项专利 独家生产 专有技术 独特设计 服务一流 有效排净烘缸内蒸汽凝结水 提高纸机车速 阻止蒸汽泄漏 排水量大 热效率高 维修方便 价格低 使用寿命长 保节煤一成 保用二年 保排净烘缸内凝结水且蒸汽不泄漏 国产任何疏水阀在节煤热效率方面强于本产品 退还全部货款 杜绝跑 冒 滴 漏 制造精良 方便耐用 单向旋转接头 双向旋转接头 高温 高速旋转接头 金属软管 膨涨节 虹吸弯头 虹吸器 视流器 北京高中压阀门有限责任公司 刀型闸阀 虹吸器 收稿日期:2006-03-09 广 告 销售处地址:北京东城区东直门外大街40号搂 100027 网址:WWW.FAMEN.COM.CN 电话:010-69258687 64151017 传真:69223484 开户银行:工行大兴支行 帐号:0200011409006584708 万方数据 纸机托辊轴承模糊可靠性寿命分析 作者： 舒服华， SHU Fu-hua 作者单位： 武汉理工大学机电工程学院,湖北,武汉,430070 刊名： 中华纸业 英文刊名： CHINA PULP & PAPER INDUSTRY 年，卷(期)： 2006,27(12) 参考文献(3条) 1.孙晓斌 延长滚动轴承寿命的途径[期刊论文]-煤炭技术 2005(07) 2.孙錾强 铁道车辆轴承模糊可靠性寿命分析 2000(10) 3.朱文予 机械可靠性设计 1992 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zhzy200612015.aspx