船用滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)特性及判定

(海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套軍事代表室，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

滾動(dòng)軸承是艦船機(jī)器上的易損件，許多機(jī)械故障都是因?yàn)檩S承損壞而引起的。嚴(yán)重的軸承故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。降低設(shè)備效率，甚至引起設(shè)備損壞。因此，長(zhǎng)期以來對(duì)滾動(dòng)軸承多采取定期更換的維修模式，以此確保設(shè)備的正常運(yùn)行。但這種方式在許多場(chǎng)合下卻是不可取的，因?yàn)檩S承的原始狀態(tài)、工作條件都很復(fù)雜，其使用壽命很難預(yù)測(cè)，據(jù)國(guó)外資料介紹，如果按軸承的預(yù)期壽命進(jìn)行更換，軸承的有效壽命的90%將被浪費(fèi)掉。此外，更換軸承時(shí)也可能忽視新軸承的質(zhì)量進(jìn)而釀成設(shè)備故障。因此對(duì)滾動(dòng)軸承實(shí)際狀況實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)診斷，按實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行維修才是正確的做法。目前，用于監(jiān)測(cè)診斷滾動(dòng)軸承的方法很多，其中以振動(dòng)診斷應(yīng)用最廣泛、最有效。本文就振動(dòng)診斷方法做如下介紹。

1 滾動(dòng)軸承各部件頻率特性

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及部分往復(fù)機(jī)械曲軸組件的重要支撐部件，其基本結(jié)構(gòu)包括外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體、保持架等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)滾動(dòng)軸承實(shí)施振動(dòng)診斷的基本方法是頻率分析，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率成分非常豐富，每一個(gè)元件都有各自的故障頻率特征，因此，通過振動(dòng)分析不但可以判斷軸承有無故障，而且可以具體地判斷軸承中損壞的元件。滾動(dòng)軸承的主要振動(dòng)頻率特征如下。

1.1 通過頻率

當(dāng)滾動(dòng)軸承元件出現(xiàn)局部損傷時(shí)，軸承的內(nèi)外圈或滾動(dòng)體出現(xiàn)疲勞剝落坑，如圖2所示，設(shè)備在運(yùn)行中就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的振動(dòng)頻率，稱為故障特征頻率，又叫軸承通過頻率。各元件的通過頻率的計(jì)算公式見表1，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)所表示的意義見圖3。表1中各公式的計(jì)算公式中的計(jì)算符號(hào)適用于軸承外圈固定內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

圖2 軸承原件上的疲勞剝落坑示意圖

表1 滾動(dòng)軸承各結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)頻率參數(shù)計(jì)算公式

注：fr—滾動(dòng)軸承內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率(Hz)；fr=n/60n為內(nèi)圈轉(zhuǎn)數(shù)(r/min);d—滾動(dòng)體直徑(mm);D—軸承節(jié)精(mm)；z—滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；a—壓力角。

1.2 固有頻率

滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中，由于局部缺陷或結(jié)構(gòu)不規(guī)則而產(chǎn)生振動(dòng)，激發(fā)各元件以其固有頻率進(jìn)行振蕩。此時(shí)，軸承振動(dòng)的時(shí)域曲線是以零件回轉(zhuǎn)間隔為包絡(luò)的高頻振動(dòng)曲線。見圖4。而此時(shí)軸承各主要部件的固有頻率的計(jì)算公式見表1～表2，滾動(dòng)軸承的固有頻率范圍一般為1～20kHz。

圖4 滾動(dòng)軸承產(chǎn)生沖擊振動(dòng)的時(shí)域波形

表2 滾動(dòng)軸承主要各結(jié)構(gòu)件固有頻率計(jì)算公式

1.3 其它頻率

滾動(dòng)軸承是一種精度要求很高的精密零件，但由于制造上的誤差(如波形超標(biāo)，滾動(dòng)體直徑不一致)，以及安裝運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的種種問題(如軸不對(duì)中、內(nèi)外套配合松動(dòng)等)，由此還會(huì)產(chǎn)生一些其它的高階頻率成分。所以在分析軸承振動(dòng)的原因時(shí)，找出各主要部件固有頻率就顯得十分重要了。

2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)診斷方法

采用簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷法診斷滾動(dòng)軸承，主要是頻率分析。軸承的每個(gè)元件都有其故障特征頻率，因此通過頻率分析，不但可以發(fā)現(xiàn)故障，而且可以確定發(fā)生故障的元件。滾動(dòng)軸承的故障頻率分布有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，往往在低頻和高頻兩個(gè)頻段內(nèi)都有表現(xiàn)。所以在進(jìn)行頻率分析時(shí)，可以選擇兩個(gè)頻段進(jìn)行分析。低頻段分析的頻率范圍f<1000Hz，覆蓋軸承通過頻率，高頻段分析的頻率范圍f=1000～10000Hz，主要是固有頻率及高次諧波。在軸承故障的早期，高頻段反映比較靈敏，但一般只能辨別其總體狀態(tài)，即做出有無故障及其嚴(yán)重程度的結(jié)論;而低頻段分析一般可以確診故障的部位。如分別采用兩個(gè)頻段分析，做到兩種情況互相印證，其效果更佳。此外，參考軸承的振動(dòng)波形也有助于故障判別。

3 滾動(dòng)軸承的診斷實(shí)例

某艦船用變頻機(jī)組，主軸轉(zhuǎn)速，2996r/min(軸頻50Hz)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過計(jì)算，設(shè)備上端軸承各特征頻率分別為內(nèi)圈f1=390Hz，外圈f0=260Hz，滾動(dòng)體fb=117Hz，保持架fc=20Hz，在一段時(shí)間內(nèi)變頻電機(jī)運(yùn)行不正常。對(duì)圖5中A處的速度信號(hào)作頻率分析。圖6頻譜圖中20Hz的頻率峰值最為突出，成保持架的特征頻率，此外還有轉(zhuǎn)速，頻率及分?jǐn)?shù)倍低次諧波，說明有非線性問題存在。

圖5 變頻機(jī)組主軸上端結(jié)構(gòu)

圖6 變頻機(jī)上端軸承速度信號(hào)頻譜

圖7 變頻機(jī)上端軸承速度信號(hào)時(shí)域波形

從時(shí)域波形圖7上可見，其振動(dòng)波形上下不對(duì)稱，下邊呈“截頭”狀，上邊尖銳突出，呈摩擦特征。拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，軸承座孔有滑動(dòng)摩擦痕跡，孔徑呈不均勻磨損，保持架破裂。經(jīng)查明，引起故障的原因，主要在安裝不良，對(duì)中性不好所致。

4 結(jié)語

利用振動(dòng)特征法診斷滾動(dòng)軸承的故障，它能在現(xiàn)場(chǎng)有效的檢測(cè)出軸承的破碎、裂紋、壓痕、磨損、電蝕擦傷、燒固等故障。對(duì)軸承銹蝕、保持架破壞、蠕變等故障的檢測(cè)也具備一定的可行性。實(shí)際操作又十分簡(jiǎn)便，因此是一種應(yīng)用廣泛且很有成效的檢測(cè)手段。此外， 利用振動(dòng)特征對(duì)滾動(dòng)軸承實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)診斷可以保障按實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行軸承部件的維修，避免因此產(chǎn)生的損失，因此也是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)方法。