賈艷秋張兵 陳雪梅

(中國石油吐哈油田公司甲醇廠）（中國石油吐哈油田公司丘東采油廠）（中國石油吐哈油田公司三塘胡采油廠)

滾動(dòng)軸承的故障機(jī)理及診斷

賈艷秋*張兵 陳雪梅

(中國石油吐哈油田公司甲醇廠）（中國石油吐哈油田公司丘東采油廠）（中國石油吐哈油田公司三塘胡采油廠)

介紹了滾動(dòng)軸承的故障類型和發(fā)展歷程，軸承故障頻率的計(jì)算公式和包絡(luò)分析的原理，并通過實(shí)例介紹了滾動(dòng)軸承的診斷方法。

滾動(dòng)軸承故障機(jī)理診斷

旋轉(zhuǎn)設(shè)備約有30%的故障是因滾動(dòng)軸承引起的。滾動(dòng)軸承抱軸、保持架散落常給轉(zhuǎn)子造成嚴(yán)重?fù)p壞，有時(shí)給設(shè)備造成的損失是巨大的。包絡(luò)分析采用共振解調(diào)技術(shù)診斷滾動(dòng)軸承故障，其應(yīng)用廣泛，效果也不錯(cuò)，許多監(jiān)測(cè)儀器均采用這一技術(shù)。

1 滾動(dòng)軸承的故障形式

滾動(dòng)軸承因制造缺陷、對(duì)中偏差大、轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動(dòng)、潤滑油變質(zhì)等因素會(huì)加速軸承的損壞。滾動(dòng)軸承的主要故障形式及其原因如下。

（1）疲勞剝落：滾動(dòng)軸承首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面，在表層產(chǎn)生點(diǎn)狀剝落，并逐步發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動(dòng)軸承失效的主要原因。

（2）磨損：長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使軸承的內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體表面不可避免地產(chǎn)生磨損，持續(xù)地磨損使軸承間隙增大，振動(dòng)和噪聲增加。

（3）斷裂：當(dāng)軸承所受載荷、振動(dòng)過大時(shí)，內(nèi)外圈的缺陷位置在滾動(dòng)體的反復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴(kuò)展而斷裂。

（4）銹蝕：水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會(huì)引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有軸電流通過時(shí)，在滾道和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)處引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。

（5）擦傷：在潤滑不良、高速重載工況下，因局部摩擦產(chǎn)生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合，嚴(yán)重時(shí)表面金屬可能局部熔化，接觸面上的作用力可將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂下來。

2 軸承故障的發(fā)展歷程

軸承失效通常劃分為四個(gè)階段。第一階段：故障頻率出現(xiàn)在超聲頻段。此時(shí)，軸承故障頻率在加速度譜和速度頻譜圖上均無顯示。第二階段：輕微的軸承故障開始激起軸承元件的固有頻段，一般在500～2 000 Hz范圍內(nèi)。同時(shí)該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。此時(shí)，軸承仍可安全運(yùn)轉(zhuǎn)。第三階段：軸承故障頻率的諧波開始出現(xiàn)，邊頻帶數(shù)目逐漸增多。包絡(luò)譜ESP、沖擊脈沖SPM所測(cè)故障頻率幅值顯著升高。此時(shí)需要停機(jī)檢修。第四階段：各種手段所測(cè)頻譜圖的基底噪音水平升高，繼而軸承故障頻率開始消失并被隨機(jī)振動(dòng)或噪音代替，能明顯聽到故障軸承產(chǎn)生的噪聲。此時(shí)軸承已處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

3 軸承故障頻率計(jì)算

1969年，Balderston根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)分析得出了滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在內(nèi)外滾道上的通過頻率和滾動(dòng)體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式。

內(nèi)圈滾動(dòng)，外圈固定，這是滾動(dòng)軸承最常見的安裝方式。其故障頻率分別為：

式中n——滾動(dòng)體數(shù)目；

d——滾動(dòng)體直徑；

D——軸承節(jié)徑；

θ——接觸角（推力軸承接觸角θ為90°）；f0——轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率。

有時(shí)在無法測(cè)量軸承尺寸時(shí)，可以用以下公式估算軸承的故障頻率：

以上公式用于滾動(dòng)體數(shù)目在6～12個(gè)的軸承，誤差較小。

4 包絡(luò)分析原理

包絡(luò)分析采用帶通濾波器，通常選取以加速度傳感器安裝共振頻率為中心的頻帶作為載波頻率，使微弱的軸承故障信號(hào)搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來，否則高頻低幅的軸承故障信號(hào)在多個(gè)界面經(jīng)過反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)線，然后進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，便可得到軸承的包絡(luò)譜，這個(gè)過程也稱為共振解調(diào)。

5 測(cè)試分析方法

5.1 傳感器放置

滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)主要采用加速度傳感器。加速度傳感器的固定方法通常有雙頭螺栓、磁座、探針。雙頭螺栓的安裝諧振頻率約為27 kHz，磁座安裝的諧振頻率約為7 kHz，探針安裝的諧振頻率約為1.6 kHz。前兩種安裝方式都適用于滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)，探針安裝方式不但諧振頻率低，而且對(duì)高頻振動(dòng)衰減較大，不適宜滾動(dòng)軸承故障的檢測(cè)。

加速度傳感器一般安裝在軸承承受載荷的方向，對(duì)于水平放置聯(lián)軸器傳動(dòng)的設(shè)備，傳感器安放在軸承座下方；對(duì)于皮帶傳動(dòng)的設(shè)備，傳感器安放在兩皮帶輪連線方向軸承座內(nèi)側(cè)。采用磁座安裝方式，需清理掉不平或過厚的油漆。

5.2 測(cè)試參數(shù)選取

帶通濾波器的中心頻率應(yīng)選在傳感器安裝諧振頻率的中心，諧振頻率通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定。圖1所示是磁座安裝的加速度傳感器的諧振頻率，上限頻率選在10 kHz之上。包絡(luò)譜的譜線數(shù)一般選800條或1 600條，譜線數(shù)多則頻率分辨率好。

圖1 傳感器的安裝諧振頻率

5.3 判斷標(biāo)準(zhǔn)

轉(zhuǎn)速對(duì)軸承包絡(luò)譜幅值的影響很大，轉(zhuǎn)速越高，幅值越大。因此，不同轉(zhuǎn)速的軸承，其判斷標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。最好的判斷標(biāo)準(zhǔn)是在相同工況下對(duì)同一類設(shè)備比較其包絡(luò)譜幅值，或者比較同一臺(tái)設(shè)備、不同時(shí)段的包絡(luò)譜幅值趨勢(shì)。

5.4 軸承故障分析

圖2是一臺(tái)三柱塞注水泵軸承的包絡(luò)譜。泵轉(zhuǎn)速335 r/min，排出壓力25 MPa，流量16 m3/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率132 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速985 r/min，電機(jī)與泵通過皮帶傳動(dòng)。泵軸承為雙排球面滾子軸承，型號(hào)22330。

圖2 故障軸承的包絡(luò)譜

根據(jù)軸承尺寸計(jì)算的軸承故障頻率如下：

內(nèi)圈故障頻率BPFI=49.6 Hz

外圈故障頻率BPFO=34.2 Hz

滾動(dòng)體故障頻率BSF=14.7 Hz

保持架故障頻率FTF=2.3 Hz

曲軸轉(zhuǎn)頻f0=335 r/min=5.58 Hz

經(jīng)過包絡(luò)處理之后，不平衡、松動(dòng)、皮帶輪偏斜、軸向竄動(dòng)等頻率都被濾掉了，只用考慮軸承故障和泵進(jìn)排液閥沖擊。而進(jìn)排液閥產(chǎn)生的沖擊頻率是泵轉(zhuǎn)頻的1、3、6…倍，包絡(luò)譜中主要頻率分量是43 Hz、87 Hz、130 Hz、260 Hz，不是轉(zhuǎn)頻5.58 Hz的倍頻分量，由此斷定故障不是由泵進(jìn)排液閥竄繞引起的。當(dāng)軸承跑內(nèi)圓或軸承磨損使間隙增大時(shí)也會(huì)在包絡(luò)譜上產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻及其諧波分量。經(jīng)過比對(duì)，這些頻率分量是滾動(dòng)體故障頻率14.7 Hz的3、6、9、18倍頻，表明滾動(dòng)體出現(xiàn)故障，并且很嚴(yán)重。

停泵檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外側(cè)內(nèi)圈滾道已經(jīng)磨成搓板狀（如圖3所示）。這與包絡(luò)譜顯示的滾動(dòng)體故障頻率不一致，原因是內(nèi)圈滾道整體剝落，如同滾子損傷。另外，內(nèi)圈高頻振動(dòng)傳遞需通過內(nèi)圈與滾子、滾子與外圈、外圈與軸承座的交界面，振幅衰減為基底噪聲。

圖3 損壞的軸承內(nèi)圈滾道

6 結(jié)束語

了解軸承故障的形式和軸承故障的發(fā)展階段，對(duì)于診斷軸承故障是十分必要的。掌握軸承故障診斷的分析原理和方法是準(zhǔn)確診斷軸承故障的前提。

Malfunction Mechanism and Diagnosis of Rolling Bearing

Jia Yanqiu Zhang Bing Chen Xuemei

Malfunction types and developing process,malfunction frequency calculation equations and envelopment analysis principle of rolling bearings are introduced,and the diagnosis methods of rolling bearings are presented with actual cases.

Rolling bearing;Malfunction mechanism;Diagnosis

TH 133

*賈艷秋，女，1968年生，工程師。鄯善縣，838202。

2010-12-21）