周 云

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司長(zhǎng)絲生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的簡(jiǎn)單運(yùn)用

周 云

(中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司長(zhǎng)絲生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900)

重點(diǎn)介紹了利用振動(dòng)信號(hào)分析手段來(lái)診斷滾動(dòng)軸承故障的技術(shù)，并將其運(yùn)用于齒輪箱、泵類(lèi)等生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為準(zhǔn)確分析及診斷故障提供參考。

滾動(dòng)軸承 振動(dòng)信號(hào) 故障頻譜 診斷

滾動(dòng)軸承在生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛，其狀態(tài)好壞直接關(guān)系到旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，實(shí)際生產(chǎn)中做好滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是搞好設(shè)備維修與管理的重要環(huán)節(jié)［1］，而振動(dòng)分析是對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的常用方法。

1 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理及振動(dòng)分布頻段

引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素很多。有與部件的振動(dòng)有關(guān)，也有與制造質(zhì)量有關(guān)，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關(guān)［2］。通過(guò)對(duì)軸承各種振動(dòng)信號(hào)圖形的分析對(duì)比，找出激勵(lì)特點(diǎn)，獲取振源的可靠信息，應(yīng)用于滾動(dòng)軸承的故障診斷。例如圖1所示，不同的振動(dòng)波形，可以反應(yīng)出軸承的不同狀態(tài)。

圖1 滾動(dòng)軸承振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)

1.1 軸承剛度變化引起的振動(dòng)

當(dāng)滾動(dòng)軸承在恒定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化(如滾動(dòng)體與外圈的接觸點(diǎn)的變化)，從而使系統(tǒng)的剛度參數(shù)周期產(chǎn)生變化，這是一種對(duì)稱(chēng)周期變化，其恢復(fù)力呈現(xiàn)非線性的特征，由此便產(chǎn)生了分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)。此外，當(dāng)滾動(dòng)體處于載荷下非對(duì)稱(chēng)位置時(shí)，轉(zhuǎn)軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動(dòng)。這類(lèi)參數(shù)的變化與運(yùn)動(dòng)都將引起軸承的振動(dòng)，也就是隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體通過(guò)徑向載荷處就產(chǎn)生激振力。這樣在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于剛度參數(shù)形成的周期變化和滾動(dòng)體產(chǎn)生的激振力及系統(tǒng)存在非線性，便產(chǎn)生多次諧波振動(dòng)并含有分諧波成分，不管滾動(dòng)軸承正常與否，這種振動(dòng)都要發(fā)生。

1.2 由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng)

當(dāng)滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體便在內(nèi)外圈之間滾動(dòng)。軸承的滾動(dòng)表面雖加工得非常平滑，但從微觀來(lái)看，仍高低不平，特別是材料表面產(chǎn)生疲勞斑剝時(shí)，高低不平的情況更為嚴(yán)重。滾動(dòng)體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動(dòng)，則產(chǎn)生交變的激振力。它所產(chǎn)生的振動(dòng)，既是隨機(jī)的，又含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征頻率。滾動(dòng)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(dòng)接觸的速度關(guān)系建立的方程求得。計(jì)算的特征頻率值往往十分接近測(cè)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(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，各軸承元件的故障頻率公式。當(dāng)故障信號(hào)頻率等于下式中某一式的計(jì)算頻率時(shí)，或?yàn)槠湔稊?shù)時(shí)，則發(fā)生故障的元件即為該頻率公式對(duì)應(yīng)的軸承元件，如圖2所示。

圖2 滾動(dòng)軸承頻率計(jì)算公式

其中，D—滾動(dòng)體中心圓直徑，mm;d—滾動(dòng)體直徑，mm;z—滾動(dòng)體個(gè)數(shù);β—公稱(chēng)接觸角;n—轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，r/min。

1.3 由軸承制造和裝配原因造成的振動(dòng)

由于軸承內(nèi)圈、外圈滾道表面及滾動(dòng)體表面精度會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，因而影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。表面精度一般將引起比滾動(dòng)體在滾道上的通過(guò)頻率高很多倍的高頻振動(dòng)、噪聲及軸心的振擺，其結(jié)果不僅會(huì)引起軸承的徑向振動(dòng)，在一定條件下還會(huì)引起軸向振動(dòng)。當(dāng)軸承游隙過(guò)大或滾道偏心時(shí)，也會(huì)引起軸承振動(dòng);由于軸彎曲導(dǎo)致軸承偏斜或軸承裝配不正會(huì)引起軸上所安裝的軸承偏移，因此軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)同樣會(huì)引起軸承的振動(dòng);滾動(dòng)體的尺寸大小不一也會(huì)造成軸承的振動(dòng);裝配過(guò)緊或過(guò)松的情況下，當(dāng)滾動(dòng)體通過(guò)特定位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生頻率相應(yīng)于滾動(dòng)體通過(guò)周期的振動(dòng)。

1.4 滾動(dòng)軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動(dòng)特征

滾動(dòng)軸承若出現(xiàn)剝落等缺陷時(shí)，滾動(dòng)體以較高的速度從缺陷上通過(guò)，必然激發(fā)兩種性質(zhì)的振動(dòng)。第一類(lèi)振動(dòng)是以結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系為特征的振動(dòng)，表現(xiàn)為沖擊振動(dòng)的周期性;第二類(lèi)振動(dòng)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(gè)脈沖的衰減振蕩波，如圖3所示。

1.5 軸承故障信號(hào)分布的頻段

滾動(dòng)軸承故障信號(hào)主要分布在3個(gè)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(dòng)軸承中與結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系的故障信號(hào)基本在這個(gè)頻率段，因?yàn)檩S的故障信號(hào)、齒輪的故障信號(hào)也在這個(gè)頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的頻段;

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

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

圖3 一般衰減基本振蕩波形

圖4 滾動(dòng)軸承頻段分布

2 滾動(dòng)軸承故障診斷方法及實(shí)例

2.1 滾動(dòng)軸承故障診斷方法

對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的實(shí)用方法是振動(dòng)頻譜分析。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率成分非常豐富，每個(gè)元件都有各自的故障特征頻率，因此通過(guò)分析不但可以判斷軸承有無(wú)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(diǎn)，低頻和高頻兩個(gè)頻段在頻譜中均有體現(xiàn)，在分析故障頻率時(shí)可以同時(shí)分析。在軸承故障早期，高頻段反應(yīng)比較強(qiáng)烈，但只能表示軸承的總體狀態(tài)，即可以作出有無(wú)故障及嚴(yán)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(jiàn)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(guò)低頻段的頻率與照軸承頻率公式所計(jì)算的值進(jìn)行對(duì)比分析后才能確診。

2.2 故障頻譜分析及診斷實(shí)例

熱媒循環(huán)泵是筆者所在單位重要的生產(chǎn)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)為離心式單級(jí)泵，電機(jī)功率為13.5 kW。位號(hào)為5199-P10的熱媒循環(huán)泵在某日巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)異常，伴有明顯的噪音。該泵主要參數(shù)見(jiàn)表1所示，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試值見(jiàn)表2所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)泵前端軸承振動(dòng)很大，達(dá)到11.6 mm/s，雜音較大。

圖5 低、高頻段頻圖譜

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量振動(dòng)值mm/s

從泵前端軸承時(shí)域圖(圖6)可以看到明顯的沖擊信號(hào)的存在，峭度值達(dá)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(shuō)明軸承已出現(xiàn)問(wèn)題。具體軸承在哪個(gè)部分出現(xiàn)故障，需通過(guò)利用軸承公式進(jìn)行計(jì)算得出。可知熱媒泵軸承為球軸承6311，外徑120 mm，內(nèi)徑70 mm，鋼球數(shù)11個(gè)，根據(jù)以上參數(shù)，利用軸承頻率公式計(jì)算得出:外圈頻率 75.38 Hz，內(nèi)圈頻率 121.9 Hz，滾動(dòng)體頻率98.74 Hz，保持架頻率 9.42 Hz。

通常滾動(dòng)軸承都有徑向間隙，且為單邊載荷，根據(jù)點(diǎn)蝕部分與滾動(dòng)體發(fā)生沖擊接觸的位置的不同，振動(dòng)的振幅大小會(huì)發(fā)生周期性的變化，即發(fā)生振幅調(diào)制。若以軸旋轉(zhuǎn)頻率fr進(jìn)行振幅調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為 nf內(nèi)± 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(zhuǎn)軸頻率，f內(nèi)—內(nèi)圈頻率。

由上式可以看出，390.45 Hz是軸承內(nèi)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(zhuǎn)軸頻率fr=24.66 Hz進(jìn)行振幅調(diào)制，因此診斷軸承內(nèi)圈出現(xiàn)點(diǎn)蝕或偏心。

圖6 泵前端軸承軸向時(shí)域圖

圖7 泵前端軸承軸向頻譜圖

維修人員對(duì)其進(jìn)行了檢修，更換軸承后泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，更換下的軸承清洗后明顯看見(jiàn)軸承內(nèi)圈點(diǎn)蝕(見(jiàn)圖8)。

圖8 拆卸后的軸承內(nèi)圈

2.3 實(shí)際使用中的滾動(dòng)軸承故障快速診斷

在實(shí)際狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，往往只需判斷滾動(dòng)軸承好壞，能用多長(zhǎng)時(shí)間，而精密分析及診斷中診斷軸承某個(gè)部位故障往往實(shí)用性不大。由于實(shí)用中精密診斷受復(fù)雜工況、設(shè)備參數(shù)不全等因素影響，時(shí)常找不出滾動(dòng)軸承對(duì)應(yīng)的特征頻率，故須通過(guò)長(zhǎng)期跟蹤記錄的振動(dòng)速度數(shù)值，結(jié)合軸承頻譜進(jìn)行綜合診斷。筆者單位重點(diǎn)設(shè)備增壓泵雖經(jīng)大修但運(yùn)行不到2個(gè)月就發(fā)現(xiàn)泵體晃動(dòng)，伴有摩擦聲，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)齒輪箱輸出端的振動(dòng)值為2.3 mm/s，符合振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)泵體進(jìn)行加固支撐消除晃動(dòng)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(chǎng)測(cè)量振動(dòng)值2.8 mm/s，也未超出標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖9)。

圖9 某月某日齒輪箱輸出端振動(dòng)趨勢(shì)圖

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖譜如下(見(jiàn)圖10)。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)工況譜圖

如圖9所示，增壓泵齒輪箱輸出端振動(dòng)基本平穩(wěn)，幅值沒(méi)有大幅上升，說(shuō)明故障情況未見(jiàn)惡化;如圖10圖譜所示，主要為輸入軸頻率及其倍頻擾動(dòng)，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(wú)法計(jì)算，譜圖中45.8 Hz及其倍頻91.6 Hz無(wú)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(shì)看，短期內(nèi)失效的可能性很小。故繼續(xù)組織生產(chǎn)，并嚴(yán)格監(jiān)控增壓泵的運(yùn)行狀態(tài)，未發(fā)生運(yùn)行故障。直到兩個(gè)月后停車(chē)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸承偏心產(chǎn)生振動(dòng)所致。由此可見(jiàn)，通過(guò)滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)，可預(yù)測(cè)故障發(fā)生率，充分提高設(shè)備利用率。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備的種類(lèi)繁多，故障也千差萬(wàn)別，機(jī)械振動(dòng)的分析診斷是非常復(fù)雜的。只有通過(guò)大量的數(shù)據(jù)采集積累，各種振動(dòng)分析技術(shù)的實(shí)踐和運(yùn)用，才能不斷為設(shè)備的預(yù)知維修提供參考，充分發(fā)揮設(shè)備的潛力，提高設(shè)備利用率，降低設(shè)備維護(hù)檢修的費(fèi)用，為實(shí)際生產(chǎn)增加效益。

［1］肖述兵.滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷實(shí)踐［M］.軸承，2006，3.

［2］鄭傳橋.淺析振動(dòng)分析技術(shù)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的應(yīng)用［J］.中國(guó)工控網(wǎng)，2005.

［3］易良榘.簡(jiǎn)易振動(dòng)診斷技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］韓業(yè)鋒，仲濤，石磊.基于包絡(luò)譜分析的滾動(dòng)軸承故障診斷分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)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(shè)備工程師，主要從事長(zhǎng)絲生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備管理工作。