汽車交流發(fā)電機(jī)軸承故障診斷實(shí)例

李俊卿，李興林,張琳娜,張永恩

(1.鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 470001；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心有限公司 ，杭州 310022；3.浙江大學(xué) 機(jī)械與能源學(xué)院,杭州 310027)

某品牌的6303和6202軸承分別用于轎車交流發(fā)電機(jī)的皮帶驅(qū)動(dòng)端和電刷端，在該轎車出廠檢測的過程中發(fā)現(xiàn)交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端出現(xiàn)異常聲響，而該轎車的運(yùn)行總里程還不超過20 km?，F(xiàn)對(duì)其出現(xiàn)異常聲的原因進(jìn)行分析。

1 交流發(fā)電機(jī)異常聲分析

在滾動(dòng)軸承運(yùn)行的過程中，軸承元件的表面損傷點(diǎn)反復(fù)撞擊與之接觸的其他元件表面而產(chǎn)生低頻振動(dòng)，這些頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率。通過對(duì)監(jiān)測到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行技術(shù)處理，分離和突出故障特征信息，從而對(duì)軸承的早期故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷[1-2]。

拆下該交流發(fā)電機(jī)，用專用振動(dòng)儀器在水平和垂直兩個(gè)方向分別測發(fā)電機(jī)5 000 r/min時(shí)的振動(dòng)速度信號(hào)，并做包絡(luò)處理,其頻譜如圖1和圖2所示。

圖1 水平方向振動(dòng)包絡(luò)頻譜圖

圖2 垂直方向振動(dòng)包絡(luò)頻譜圖

滾動(dòng)軸承故障特征頻率可以通過以下計(jì)算公式計(jì)算得到。

外圈故障特征頻率:

內(nèi)圈故障特征頻率：

鋼球故障特征頻率：

式中：Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節(jié)圓直徑；α為接觸角；Z為鋼球數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。對(duì)于6303軸承，Dw=8.731 mm,Dpw=32 mm,α=0,Z=7；對(duì)于6202軸承，Dw=6.000 mm,Dpw=25.260 mm,α=0,Z=8。由此可得，在5 000 r/min下6303軸承的內(nèi)、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=371.25 Hz，fe=212.09 Hz，fw=282.69 Hz；6202軸承的內(nèi)、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=412.51 Hz，fe=254.16 Hz，fw=331.04 Hz。

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，該發(fā)電機(jī)的振動(dòng)速度頻率譜中存在明顯的6303軸承內(nèi)、外圈及鋼球故障特征頻率，且軸承內(nèi)、外圈的故障特征頻率的幅值明顯比鋼球的要高,可以初步判斷交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)端軸承已經(jīng)出現(xiàn)故障，交流發(fā)電機(jī)的異常聲應(yīng)該由此引起。軸承失效的根本原因需進(jìn)一步分析。

2 軸承檢測和失效分析

2.1 摩擦力矩的檢測

用手旋轉(zhuǎn)該軸承，有輕微的間歇卡滯感。

2.2 振動(dòng)速度的檢測

在軸承振動(dòng)速度專用檢測儀上用電感式傳感器[3]檢測該軸承的振動(dòng)速度和噪聲水平。其噪聲水平和振動(dòng)數(shù)值均很高，其中振動(dòng)速度值超過了1 mm/s，大大超出振動(dòng)速度的質(zhì)量控制范圍。檢測結(jié)果與交流發(fā)電機(jī)的振動(dòng)頻譜圖相吻合。

2.3 尺寸公差和徑向游隙檢測

在軸承專用檢測儀上檢測該軸承尺寸公差和徑向游隙，均在質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)(表1)，排除了制造精度引起軸承損傷的可能性。

2.4 拆分檢測

去掉該軸承的密封圈，觀察軸承內(nèi)部的情況，潤滑脂已經(jīng)變成黑褐色,且聚酰胺保持架已變成黑色，很明顯軸承內(nèi)部已經(jīng)受到了嚴(yán)重污染。分拆并清洗掉軸承的潤滑脂，在立式顯微鏡下檢查軸承內(nèi)、外溝道和鋼球，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外溝道上均有7處等間距的銹蝕點(diǎn)，且這些銹蝕點(diǎn)分布在溝道的同一側(cè)，鋼球上也有局部銹蝕點(diǎn)，如圖3所示。這些特征表明，軸承溝道和鋼球的局部已經(jīng)產(chǎn)生了典型的濕氣腐蝕，是軸承處于平放狀態(tài)或安裝到交流發(fā)電機(jī)上之后由水或潮氣引起的。

圖3 滾道銹蝕點(diǎn)示意圖

2.5 潤滑脂紅外光譜對(duì)比檢測

為了進(jìn)一步確定軸承內(nèi)部受到何種程度的污染,在紅外光譜儀上對(duì)該軸承的潤滑脂和新潤滑脂做了紅外光譜的對(duì)比檢測,檢測結(jié)果如圖4所示。由圖4知，兩者沒有明顯差異，說明軸承潤滑脂性能未嚴(yán)重劣化。但在元素分析中發(fā)現(xiàn)，舊油脂中含有較高的鐵、鈉、鈣等元素，此為外界污染物侵入潤滑脂并引起軸承磨損或銹蝕所致[4-7]。此結(jié)論和軸承拆分檢測結(jié)果基本相吻合。

圖4 新、舊潤滑脂的紅外光譜對(duì)比檢測

3 失效模式的討論

3.1 汽車模擬測試過程中水/水汽進(jìn)入軸承的可能性

該汽車在終檢模擬測試過程中，在運(yùn)轉(zhuǎn)的交流發(fā)電機(jī)處安裝了5個(gè)水平噴水嘴和15只垂直噴水嘴，噴水嘴噴出的水具有一定的壓力和流量。理論上高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封深溝球軸承的密封圈是不能有效防止動(dòng)態(tài)壓力水侵入的，因此在該試驗(yàn)驗(yàn)證條件下很可能會(huì)引起水/水汽侵入軸承內(nèi)部。如果要有效地防止動(dòng)態(tài)壓力水的侵入，則需要附加專門的工業(yè)密封。但是由于該應(yīng)用條件下的軸承通常處于交流發(fā)電機(jī)皮帶和殼體之間的半封閉狀態(tài)的空間里(圖5)，試驗(yàn)驗(yàn)證表明其在實(shí)際的應(yīng)用中是不太可能受到動(dòng)態(tài)壓力水的直接沖擊，而僅僅會(huì)受到水汽或少量飛濺水的入侵，因此該汽車終檢方法有待商榷。

圖5 交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)端軸承位置

3.2 密封圈損傷的可能性

為了證實(shí)軸承的密封圈是否存在損傷，檢查了軸承密封圈的外表面和隔圈的尺寸。結(jié)果表明：密封圈完好，隔圈的尺寸也在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，均未有異常情況。

3.3 防動(dòng)態(tài)液壓水性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證軸承的密封是否具有防動(dòng)態(tài)壓力水的性能，對(duì)5套軸承依照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分別做了靜態(tài)水、靜態(tài)壓力水、動(dòng)態(tài)壓力水(且軸承旋轉(zhuǎn))

等試驗(yàn)，結(jié)果表明該軸承內(nèi)部未侵入大量液體，防水性能良好。這說明在實(shí)際應(yīng)用中，軸承本身的密封可以在一定程度上防止較小壓力和流量的動(dòng)態(tài)壓力水侵入軸承內(nèi)部。

4 結(jié)束語

通過診斷和分析可知，該交流發(fā)電機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)端軸承的異常聲主要是由于水或潮氣侵入其內(nèi)部，使其受到濕氣腐蝕而產(chǎn)生失效所致。另外，考慮到實(shí)際使用工況，汽車制造企業(yè)應(yīng)對(duì)汽車交流發(fā)電機(jī)的測試方法作適當(dāng)改進(jìn)，且對(duì)該軸承采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性工業(yè)密封，以避免該軸承在試驗(yàn)階段的非正常失效。