燃氣輪機滾動軸承滾動體磨損故障分析研究

趙曉宇， 馬文生， 陳照波

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015；2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001）

燃氣輪機滾動軸承滾動體磨損故障分析研究

趙曉宇1， 馬文生1， 陳照波2

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015；2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001）

通過建立軸承特征頻率方程，計算得到滾動體故障頻率、內(nèi)滾道故障特征頻率、外滾道故障特征頻率、保持架故障特征頻率，并通過理論分析得到滾珠直徑磨損量對滾動體故障頻率影響規(guī)律，通過試驗對比驗證了分析的正確性。

燃氣輪機；軸承；故障；頻譜

0 引言

燃氣輪機軸承具有很高的技術(shù)含量，可作為衡量一個國家科技、工業(yè)實力的重要標準，當今世界科技、工業(yè)強國都是軸承研發(fā)、制造強國。燃氣輪機中滾動軸承要承受超高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高摩擦等惡劣的條件，并且保證長壽命運行，因此研究軸承故障機理尤為重要。本文通過理論計算得到滾動體對故障頻率影響規(guī)律，并對比分析了軸承發(fā)生故障時的頻率規(guī)律，研究了滾動軸承磨損故障頻率特征。

1 軸承特征頻率計算

某故障軸承數(shù)據(jù)：軸承節(jié)圓直徑D＝167.4 mm，滾珠直徑d=22.2 mm，外滾道半徑R1＝94.8 mm，內(nèi)滾道半徑R2＝72.6 mm，滾珠個數(shù)Z＝20。接觸角為α；內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)頻率fr=242 Hz；滾動體故障特征頻率fb；內(nèi)滾道故障特征頻率fi；外滾道故障特征頻率fo；保持架故障特征頻率fa。

由于滾動軸承外環(huán)靜止、內(nèi)環(huán)運動，其故障特征頻率為：

2 軸承故障頻率影響分析

2.1 軸承故障實例一

某燃氣輪機軸承在運行過程中產(chǎn)生嚴重磨損，出現(xiàn)910 Hz的故障頻率。由于發(fā)生故障時嚴重磨損滾珠，使得滾珠直徑d變小，滾動體自轉(zhuǎn)頻率（故障頻率）也會發(fā)生變化，通過數(shù)值計算，滾動體發(fā)生故障時自轉(zhuǎn)頻率如表1所示，變化規(guī)律如圖1、圖2所示。

表1 滾動體自轉(zhuǎn)頻率計算（237 Hz）

圖2 滾珠直徑磨損量與滾動體自轉(zhuǎn)頻率對應關(guān)系

從圖1和圖2的變化規(guī)律可以看到，隨著滾珠直徑增大，滾動體自轉(zhuǎn)頻率降低，隨著滾珠直徑磨損量增大，滾動體自轉(zhuǎn)頻率升高；由于滾珠在發(fā)生故障時產(chǎn)生磨損，導致高壓轉(zhuǎn)子頻率fr=237 Hz時，滾動體自轉(zhuǎn)頻率理論計算值有所上升，從表1中可以看到，當滾珠直徑磨損到21.45 mm（磨損0.75 mm）時，滾動體自轉(zhuǎn)頻率理論計算值上升到910 Hz，與出現(xiàn)的故障頻率一致。圖3為軸承發(fā)生故障后圖片，從故障軸承鋼球宏觀圖像可以看到，均有相同的基體缺失現(xiàn)象，與本文分析結(jié)果一致。

圖3 故障軸承鋼球圖像

2.2 軸承故障實例二

某燃氣輪機軸承在運行過程中產(chǎn)生嚴重磨損，出現(xiàn)914 Hz的故障頻率。由于發(fā)生故障時會嚴重磨損滾珠，使得滾珠直徑d變小，滾動體自轉(zhuǎn)頻率（故障頻率）也會發(fā)生變化，其數(shù)值如表2所示，變化規(guī)律如圖4、圖5所示。

表2 滾動體自轉(zhuǎn)頻率計算（242 Hz）

圖4 滾珠直徑與滾動體自轉(zhuǎn)頻率對應關(guān)系

圖5 滾珠直徑磨損量與滾動體自轉(zhuǎn)頻率對應關(guān)系

從圖4和圖5的變化規(guī)律可以看到，隨著滾珠直徑增大，滾動體自轉(zhuǎn)頻率降低，隨著滾珠直徑磨損量增大，滾動體自轉(zhuǎn)頻率升高；由于滾珠在滑油中斷時產(chǎn)生磨損，導致高壓轉(zhuǎn)子頻率fr=242 Hz時，滾動體自轉(zhuǎn)頻率理論計算值有所上升，從表2中可以看到，當滾珠直徑磨損到21.78 mm（磨損0.42 mm）時，滾動體自轉(zhuǎn)頻率理論計算值上升到914 Hz，與出現(xiàn)的故障頻率一致。

3 結(jié)論

通過本文理論計算與試驗對比分析，可以得到兩次軸承故障頻率910 Hz和914 Hz，均是滾動軸承滾珠磨損引起的滾動體自轉(zhuǎn)頻率升高產(chǎn)生的頻率。并通過理論分析得到了滾珠直徑磨損量對滾動體故障頻率影響規(guī)律，隨著滾珠直徑磨損量增大導致滾動體自轉(zhuǎn)頻率增大，得出故障頻率是由滾動體磨損引起的。

［1］ 韓捷，張瑞林.旋轉(zhuǎn)機械故障機理及診斷技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

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［3］ 徐振輝，馬力元.滾動軸承的故障特征提?。跩］.測控技術(shù)，2004（1）：46-48.

［4］ 岳建梅，裘正定.信號處理技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應用與發(fā)展［J］.信號處理，2005（4）：186-190.

［5］ 任昭蓉.滾動軸承故障的小波診斷法［J］.機械制造與研究，2004（12）：58-59，63.

（編輯啟 迪）

Wear Fault Analysis on Frequency Spectrum of Gas Turbine Bearing Rolling Element

ZHAO Xiaoyu1,MA Wensheng1,CHEN Zhaobo2
（1.AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China;2.School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Rolling element fault characteristic frequency,inner raceway fault characteristic frequency,outer raceway fault characteristic frequency and cage fault characteristic frequency，are obtained by the bearing characteristic frequency equation.Ball diameter wear of the fault frequency influence rule is obtained by theoretical analysis.The theoretical analysis correctness is verified by experiment comparison.

gas turbine;bearing；fault;frequency spectrum

V 231.96

A

1002－2333（2014）05－0047－02

趙曉宇（1980—），男，碩士，工程師，研究方向為整機振動；陳照波（1967—），男，教授，博士生導師，研究方向為機械系統(tǒng)振動學、振動噪聲控制及故障診斷。

2014-02-09

國家自然科學基金項目（11302058）；國家留學基金項目（2009612139）