轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的故障及其診斷

程　美

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲　412001）

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轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的故障及其診斷

程美

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲412001）

摘要：旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件。轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)也面臨著如軸承部件損壞、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、動(dòng)靜碰摩、油膜渦動(dòng)等易發(fā)故障。因此，必須轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析，及早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)排除故障，保證轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的可靠工作，避免造成經(jīng)濟(jì)損壞或出現(xiàn)重大安全事故。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)；振動(dòng)診斷；油液診斷；發(fā)展趨勢

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)重要領(lǐng)域中發(fā)揮著無可替代的作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速化、重載型和自動(dòng)化的方向飛速發(fā)展，從而對速度、容量、效率、安全性、可靠性等方面提出了更高要求。同時(shí)，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如軸承部件損壞、轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、動(dòng)靜碰摩、油膜渦動(dòng)等，因此，我們必須對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析，及早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)排除故障，保證轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的可靠工作，避免造成經(jīng)濟(jì)損壞或出現(xiàn)重大安全事故。

1　轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)常見故障形式及機(jī)理

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的發(fā)展趨勢是高速度、高精度、高安全指數(shù)。為了充分發(fā)揮該轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的性能，旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般都運(yùn)行在超臨界轉(zhuǎn)速狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振動(dòng)將呈幾何倍數(shù)的上漲從而引發(fā)諸多事故，并且即使轉(zhuǎn)子的加工精度非常高，轉(zhuǎn)子的一些振動(dòng)也是難以避免的，如不平衡振動(dòng)；不對中，由于安裝、制造的誤差導(dǎo)致軸中心線不可能與軸承中性線完全重合從而引發(fā)振動(dòng)。

（1）轉(zhuǎn)子的不平衡。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡，將導(dǎo)致離心力作用軸上產(chǎn)生振動(dòng)，其可能的原因有：①轉(zhuǎn)動(dòng)件本身形狀不對稱，重心不在旋轉(zhuǎn)軸線上；②加工制造上的公差；③組裝安裝不當(dāng)；④轉(zhuǎn)動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的變形，使得重心移位；⑤轉(zhuǎn)動(dòng)件破損磨耗；⑥轉(zhuǎn)動(dòng)件附著異物。

質(zhì)量和幾何中心線不重合，即質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)軸上，這種不平衡是一種典型的故障狀態(tài)。不平衡將導(dǎo)致附加載荷增加，導(dǎo)致設(shè)備和零件損壞。不平衡有一般性不平衡和突發(fā)性不平衡兩種情況，一般性不平衡是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長振值會(huì)逐漸增大；零件脫落或有異物卡塞會(huì)造成突發(fā)性不平衡，表現(xiàn)為振值突然增大。

不平衡會(huì)產(chǎn)生離心力，通過軸承作用到機(jī)械上，振動(dòng)產(chǎn)生噪音，從而加劇軸承磨損，縮短設(shè)備壽命，甚至造成事故。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，50%的機(jī)械振動(dòng)是因?yàn)椴黄胶饬σ鸬?。所以，為降低設(shè)備故障、延長壽命，需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡，使其達(dá)到平衡精度等級。

（2）轉(zhuǎn)子不對中。轉(zhuǎn)子不對中可能引起聯(lián)軸器偏轉(zhuǎn)、機(jī)器異常振動(dòng)，對設(shè)備危害非常大。轉(zhuǎn)子不對中故障原因往往是基礎(chǔ)不均勻沉降、工作熱膨脹、安裝誤差等，在工作時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸線之間平行位移、軸線角度位移或綜合位移等誤差。

（3）轉(zhuǎn)子——定子的碰摩故障。碰摩是旋轉(zhuǎn)機(jī)械較為常見的故障之一，它是指旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙增大，軸承磨損、葉片折斷所導(dǎo)致的機(jī)械失效。造成碰摩故障的主要原因有：①軸心嚴(yán)重變形；②間隙不足；③非旋轉(zhuǎn)部件彎曲變形；④轉(zhuǎn)子不平衡；⑤轉(zhuǎn)子對中嚴(yán)重不良等。

（4）油膜渦動(dòng)。油膜振蕩故障將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生亞異步振動(dòng)，是由軸頸的渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)子自振頻率相吻合時(shí)發(fā)生的大幅度共振運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)成，識別方法一般是看振動(dòng)頻率是否接近轉(zhuǎn)動(dòng)速度的一半。其振動(dòng)特點(diǎn)是瞬時(shí)間振幅突然升高，然后很快發(fā)生局部油膜破裂，進(jìn)而引起軸頸和軸瓦之間摩擦，使軸承和轉(zhuǎn)子損壞。

2　轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的故障診斷方法

目前，用于滾動(dòng)軸承故障檢測和診斷的方法有很多，如振動(dòng)診斷、溫度診斷、油液診斷、光纖法等，各種監(jiān)測診斷方法有都其適用性。下面主要介紹振動(dòng)診斷方法和油液診斷方法。

（1）振動(dòng)診斷。振動(dòng)診斷技術(shù)是對比正常機(jī)器或結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性（如固有頻率、振型、傳遞函數(shù)等）與異常機(jī)器或結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性的不同，來判斷機(jī)器或結(jié)構(gòu)是否存在故障的技術(shù)。振動(dòng)診斷方法具有能檢測出類型多、初期就可以檢測、可在旋轉(zhuǎn)中測定、不需要特別的信號源、信號檢測和處理簡單等優(yōu)越性。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障有有效值和峰值判別法、峰值指標(biāo)法、振幅概率密度分析法、時(shí)序模型參數(shù)分析法、沖擊脈沖法、包絡(luò)法、高通絕對值頻率分析法等診斷方法。

軸承中所產(chǎn)生的振動(dòng)是隨機(jī)的，含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，滾動(dòng)軸承的特征頻率是主要頻率。

圖1　軸承結(jié)構(gòu)簡圖

如圖1所示，特征頻率可根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算如下：內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：fi=f=N/60，其中N為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

滾珠通過內(nèi)圈頻率：fBi=nfci

滾珠通過外圈頻率：fBo=nfc，其中d：滾珠直徑，β：接觸角，n：滾珠數(shù)量。

滾動(dòng)軸承在工作中，滾珠與保持圈會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而導(dǎo)致軸承元件的固有振動(dòng)，其振動(dòng)頻率是由材料、結(jié)構(gòu)、尺寸質(zhì)量和安裝方式?jīng)Q定的，與軸承轉(zhuǎn)速通常無關(guān)。

進(jìn)行軸承故障的振動(dòng)，需要獲取以上信息，根據(jù)這些值來確定故障元件，根據(jù)頻率幅值大小確定異常程度。

（2）油液診斷。油液監(jiān)測與診斷技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的用于機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的新技術(shù)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)、軸承系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等諸多方面，取得了顯著的成效，獲得了廣泛的應(yīng)用，油液監(jiān)測與診斷技術(shù)通常包括油液理化性能分析技術(shù)、鐵譜分析技術(shù)、光譜分析技術(shù)、顆粒計(jì)數(shù)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對油樣中所含磨粒的數(shù)量、大小、形態(tài)、成分等及其變化，油品的劣化變質(zhì)程度等的分析。油液分析技術(shù)涉及的機(jī)理、分析內(nèi)容及使用的儀器如圖2所示。

圖2　油液分析技術(shù)及儀器

油液監(jiān)測與診斷技術(shù)是不拆卸設(shè)備、不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測，通過監(jiān)測異常表現(xiàn)、部位、程度和原因，預(yù)先報(bào)告可能發(fā)生的故障，提供管理和維護(hù)保養(yǎng)水平，促使設(shè)備正常運(yùn)行。其監(jiān)測步驟如圖3所示。在進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析時(shí)，可以選擇不同的方法，如采用趨勢法、類比法等，獲得處理數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步可應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等建立系統(tǒng)進(jìn)行分析。

圖3　油液監(jiān)測步驟

3　軸承系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

國內(nèi)外學(xué)者對軸承系統(tǒng)故障診斷做了大量的研究工作，也取了得一定的成果。隨著信息技術(shù)、微電子技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，軸承系統(tǒng)故障診斷技術(shù)逐步向精密化、多維化、智能化發(fā)展?？偟膩碚f，主要表現(xiàn)在故障診斷的遠(yuǎn)程化、故障診斷方法的相互融合、與多元傳感器信息的融合、診斷技術(shù)與虛擬儀器的結(jié)合的方向發(fā)展。

The Fault Diagnosisof Rotor Bearing System

CHENG Mei
（HunanAutomotive Engineering Vocational College，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Abstract:Rotary machine is the most widely used mechanical equipment in industrial production and rotor bearing system is the core part of rotary machine.Rotor bearing system also confronts faults like bearing component damage，unbalanced rotor and so on.Therefore abnormal phenomena which may happen to rotor bearing system must be analyzed and faults must be excluded and solved in time to guarantee the smooth and stable operation of rotor bearing system and avoid serious safety accidents and economic loss.

Key words:rotor bearing system；vibration diagnosis；oil diagnosis；development trend

作者簡介：程美（1984-），女，湖南臨澧人，講師，碩士研究生，主要從事汽車職業(yè)教育與研究工作。

收稿日期：2016-01-24

中圖分類號：TH113.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0019-02