滾動軸承故障診斷技術的簡單運用

周 云

(中國石化儀征化纖股份有限公司長絲生產中心，江蘇儀征 211900)

滾動軸承故障診斷技術的簡單運用

周 云

(中國石化儀征化纖股份有限公司長絲生產中心，江蘇儀征 211900)

重點介紹了利用振動信號分析手段來診斷滾動軸承故障的技術，并將其運用于齒輪箱、泵類等生產設備的狀態(tài)監(jiān)測，為準確分析及診斷故障提供參考。

滾動軸承 振動信號 故障頻譜 診斷

滾動軸承在生產設備中的應用非常廣泛，其狀態(tài)好壞直接關系到旋轉設備的運行狀態(tài)。因此，實際生產中做好滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是搞好設備維修與管理的重要環(huán)節(jié)［1］，而振動分析是對滾動軸承進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的常用方法。

1 滾動軸承的振動機理及振動分布頻段

引起滾動軸承振動的因素很多。有與部件的振動有關，也有與制造質量有關，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關［2］。通過對軸承各種振動信號圖形的分析對比，找出激勵特點，獲取振源的可靠信息，應用于滾動軸承的故障診斷。例如圖1所示，不同的振動波形，可以反應出軸承的不同狀態(tài)。

圖1 滾動軸承振動的時域信號

1.1 軸承剛度變化引起的振動

當滾動軸承在恒定載荷下運轉時，系統(tǒng)內的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化(如滾動體與外圈的接觸點的變化)，從而使系統(tǒng)的剛度參數(shù)周期產生變化，這是一種對稱周期變化，其恢復力呈現(xiàn)非線性的特征，由此便產生了分數(shù)諧波振動。此外，當滾動體處于載荷下非對稱位置時，轉軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動。這類參數(shù)的變化與運動都將引起軸承的振動，也就是隨著軸的轉動，滾動體通過徑向載荷處就產生激振力。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數(shù)形成的周期變化和滾動體產生的激振力及系統(tǒng)存在非線性，便產生多次諧波振動并含有分諧波成分，不管滾動軸承正常與否，這種振動都要發(fā)生。

1.2 由滾動軸承的運動副引起的振動

當滾動軸承運轉時，滾動體便在內外圈之間滾動。軸承的滾動表面雖加工得非常平滑，但從微觀來看，仍高低不平，特別是材料表面產生疲勞斑剝時，高低不平的情況更為嚴重。滾動體在這些凹凸面上轉動，則產生交變的激振力。它所產生的振動，既是隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。滾動軸承的特征頻率(即接觸激發(fā)的基頻)，完全可以根據(jù)軸承元件之間滾動接觸的速度關系建立的方程求得。計算的特征頻率值往往十分接近測量數(shù)值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據(jù)。

下面列出在外圈靜止、內圈轉動的條件下，各軸承元件的故障頻率公式。當故障信號頻率等于下式中某一式的計算頻率時，或為其整倍數(shù)時，則發(fā)生故障的元件即為該頻率公式對應的軸承元件，如圖2所示。

圖2 滾動軸承頻率計算公式

其中，D—滾動體中心圓直徑，mm;d—滾動體直徑，mm;z—滾動體個數(shù);β—公稱接觸角;n—轉軸轉速，r/min。

1.3 由軸承制造和裝配原因造成的振動

由于軸承內圈、外圈滾道表面及滾動體表面精度會引起振動和噪聲，因而影響軸承的運轉精度。表面精度一般將引起比滾動體在滾道上的通過頻率高很多倍的高頻振動、噪聲及軸心的振擺，其結果不僅會引起軸承的徑向振動，在一定條件下還會引起軸向振動。當軸承游隙過大或滾道偏心時，也會引起軸承振動;由于軸彎曲導致軸承偏斜或軸承裝配不正會引起軸上所安裝的軸承偏移，因此軸在轉動時同樣會引起軸承的振動;滾動體的尺寸大小不一也會造成軸承的振動;裝配過緊或過松的情況下，當滾動體通過特定位置時，就會產生頻率相應于滾動體通過周期的振動。

1.4 滾動軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動特征

滾動軸承若出現(xiàn)剝落等缺陷時，滾動體以較高的速度從缺陷上通過，必然激發(fā)兩種性質的振動。第一類振動是以結構和運動關系為特征的振動，表現(xiàn)為沖擊振動的周期性;第二類振動是被激發(fā)的軸承元件固有頻率的衰減振蕩，表現(xiàn)為每一個脈沖的衰減振蕩波，如圖3所示。

1.5 軸承故障信號分布的頻段

滾動軸承故障信號主要分布在3個頻段，如圖4所示。

a)低頻段:位于A區(qū)，頻段在1 kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相聯(lián)系的故障信號基本在這個頻率段，因為軸的故障信號、齒輪的故障信號也在這個頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測的頻段;

b)中頻段:位于B區(qū)，頻段在1～20 kHz，這個頻段的信號是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動;

c)高頻段:位于C區(qū)，頻段在20 kHz以上，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發(fā)射超聲波信號。

圖3 一般衰減基本振蕩波形

圖4 滾動軸承頻段分布

2 滾動軸承故障診斷方法及實例

2.1 滾動軸承故障診斷方法

對滾動軸承進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的實用方法是振動頻譜分析。滾動軸承的振動頻率成分非常豐富，每個元件都有各自的故障特征頻率，因此通過分析不但可以判斷軸承有無故障，而且可以具體判斷軸承的損壞元件［3］。故障軸承的頻率分布具有一定的特點，低頻和高頻兩個頻段在頻譜中均有體現(xiàn)，在分析故障頻率時可以同時分析。在軸承故障早期，高頻段反應比較強烈，但只能表示軸承的總體狀態(tài)，即可以作出有無故障及嚴重程度的判斷;低頻段的分析則可以判斷軸承具體部分的故障(見圖5)。

由圖5可以清楚地知道軸承已存在故障，而故障的具體部位要通過低頻段的頻率與照軸承頻率公式所計算的值進行對比分析后才能確診。

2.2 故障頻譜分析及診斷實例

熱媒循環(huán)泵是筆者所在單位重要的生產設備，其結構為離心式單級泵，電機功率為13.5 kW。位號為5199-P10的熱媒循環(huán)泵在某日巡檢時發(fā)現(xiàn)振動異常，伴有明顯的噪音。該泵主要參數(shù)見表1所示，現(xiàn)場振動測試值見表2所示，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)泵前端軸承振動很大，達到11.6 mm/s，雜音較大。

圖5 低、高頻段頻圖譜

表2 現(xiàn)場測量振動值mm/s

從泵前端軸承時域圖(圖6)可以看到明顯的沖擊信號的存在，峭度值達到3.59，從頻譜圖(圖7)可以看出低頻區(qū)存在大量的高次諧波，這說明軸承已出現(xiàn)問題。具體軸承在哪個部分出現(xiàn)故障，需通過利用軸承公式進行計算得出?？芍獰崦奖幂S承為球軸承6311，外徑120 mm，內徑70 mm，鋼球數(shù)11個，根據(jù)以上參數(shù)，利用軸承頻率公式計算得出:外圈頻率 75.38 Hz，內圈頻率 121.9 Hz，滾動體頻率98.74 Hz，保持架頻率 9.42 Hz。

通常滾動軸承都有徑向間隙，且為單邊載荷，根據(jù)點蝕部分與滾動體發(fā)生沖擊接觸的位置的不同，振動的振幅大小會發(fā)生周期性的變化，即發(fā)生振幅調制。若以軸旋轉頻率fr進行振幅調制，這時的振動頻率為 nf內± fr(n=1，2…)［4］

從泵的軸承軸向頻譜圖(圖7)可觀察到明顯的390.45 Hz 及其高次諧波 415.11 Hz、510.3 Hz。

因此:

其中，n=1、2… 系數(shù)，fr—轉軸頻率，f內—內圈頻率。

由上式可以看出，390.45 Hz是軸承內圈頻率121.9 的倍頻，并且 415.11 Hz、513.3 Hz分別為其倍頻諧波并且以轉軸頻率fr=24.66 Hz進行振幅調制，因此診斷軸承內圈出現(xiàn)點蝕或偏心。

圖6 泵前端軸承軸向時域圖

圖7 泵前端軸承軸向頻譜圖

維修人員對其進行了檢修，更換軸承后泵運轉正常，更換下的軸承清洗后明顯看見軸承內圈點蝕(見圖8)。

圖8 拆卸后的軸承內圈

2.3 實際使用中的滾動軸承故障快速診斷

在實際狀態(tài)監(jiān)測中，往往只需判斷滾動軸承好壞，能用多長時間，而精密分析及診斷中診斷軸承某個部位故障往往實用性不大。由于實用中精密診斷受復雜工況、設備參數(shù)不全等因素影響，時常找不出滾動軸承對應的特征頻率，故須通過長期跟蹤記錄的振動速度數(shù)值，結合軸承頻譜進行綜合診斷。筆者單位重點設備增壓泵雖經大修但運行不到2個月就發(fā)現(xiàn)泵體晃動，伴有摩擦聲，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸出端的振動值為2.3 mm/s，符合振動標準值。對泵體進行加固支撐消除晃動后不久又發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸出端軸承有雜音且局部溫度較高，現(xiàn)場測量振動值2.8 mm/s，也未超出標準要求(見圖9)。

圖9 某月某日齒輪箱輸出端振動趨勢圖

現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，圖譜如下(見圖10)。

圖10 現(xiàn)場工況譜圖

如圖9所示，增壓泵齒輪箱輸出端振動基本平穩(wěn)，幅值沒有大幅上升，說明故障情況未見惡化;如圖10圖譜所示，主要為輸入軸頻率及其倍頻擾動，齒輪不存在缺陷，由于缺少齒輪及軸承的參數(shù)，軸承的頻率無法計算，譜圖中45.8 Hz及其倍頻91.6 Hz無法確定是否為軸承頻率而且頻率幅值較小，所以初步診斷即使是軸承頻率，從圖譜顯示的趁勢看，短期內失效的可能性很小。故繼續(xù)組織生產，并嚴格監(jiān)控增壓泵的運行狀態(tài)，未發(fā)生運行故障。直到兩個月后停車檢修，分解檢查齒輪箱，發(fā)現(xiàn)之前故障的原因是輸出軸承間隙偏大，運轉過程中軸承偏心產生振動所致。由此可見，通過滾動軸承故障診斷技術，可預測故障發(fā)生率，充分提高設備利用率。

3 結語

實際生產中設備的種類繁多，故障也千差萬別，機械振動的分析診斷是非常復雜的。只有通過大量的數(shù)據(jù)采集積累，各種振動分析技術的實踐和運用，才能不斷為設備的預知維修提供參考，充分發(fā)揮設備的潛力，提高設備利用率，降低設備維護檢修的費用，為實際生產增加效益。

［1］肖述兵.滾動軸承振動故障診斷實踐［M］.軸承，2006，3.

［2］鄭傳橋.淺析振動分析技術在滾動軸承故障診斷中的應用［J］.中國工控網，2005.

［3］易良榘.簡易振動診斷技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［4］韓業(yè)鋒，仲濤，石磊.基于包絡譜分析的滾動軸承故障診斷分析［J］.機械研究與應用，2010.

Rolling bearing fault diagnosis technology simple use

Zhou Yun
(Sinopec Yizheng Chemical fiber Co.，Ltd.，F(xiàn)ilament Production Center，Yizheng Jiangsu 211900，China)

This paper mainly introduced the use of vibration signal analysis method to the diagnosis of rolling bearing fault technology，and its applications in gear box，pumps and other production equipment condition monitoring and fault diagnosis for accurate analysis and provide the reference and its applications in gear box，motor，large units and other production equipment condition monitoring and fault diagnosis for accurate analysis and provide the reference.

the rolling bearing;vibration signal;fault spectrum;diagnosis

TH133.33

B

1006-334X(2012)02-0057-04

2012-05-04

周云(1976-)，上海人，設備工程師，主要從事長絲生產機械設備管理工作。