公磊

【摘要】：烘缸滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用機(jī)械部件，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的各種故障中，烘缸滾動(dòng)軸承故障占有一定的比例。這是因?yàn)楹娓诐L動(dòng)軸承是壓力容器設(shè)備中工作條件最為惡劣的部件，它在壓力容器壓力容器設(shè)備中起著承受載荷和傳遞載荷的作用，其運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺(tái)機(jī)器的性能。許多壓力容器壓力容器設(shè)備在帶故障運(yùn)行時(shí)，都要伴隨振動(dòng)和沖擊的發(fā)生。振動(dòng)和沖擊的發(fā)生也常常反映了機(jī)械的故障。因此目前的故障診斷方法大都以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵字】：軸承故障、振動(dòng)診斷、共振。

1、軸承故障概述

軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的一類重要部件，軸承的性能及可靠性在很大程度上取決于軸承零件的材料。對(duì)于軸承套圈與滾動(dòng)體，通常要考慮的因素包括影響承載能力的硬度，滾動(dòng)接觸條件下、清潔或受污染條件下的抗疲勞性，以及軸承元件的尺寸穩(wěn)定性。對(duì)于保持架，要考慮的因素包括摩擦力、應(yīng)變力、慣性力，

在某些情況下還要考慮同某些潤(rùn)滑劑、有機(jī)溶劑、冷卻劑和制冷劑的化學(xué)反應(yīng)。這些考慮因素的相對(duì)重要性可能受到其它運(yùn)行參數(shù)的影響，例如腐蝕、溫度升高、沖擊負(fù)荷或這些與其它狀況的混合。滾動(dòng)軸承內(nèi)的密封件對(duì)軸承的性能與可靠性也有相當(dāng)大的影響。它們的制造材料必須提供優(yōu)異的抗氧化性、耐熱性或耐化學(xué)腐蝕性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于軸承導(dǎo)致的故障在旋轉(zhuǎn)機(jī)械所有故障中占到三分之一左右，近年來，隨著故障診斷計(jì)算在基層理論研究及實(shí)際應(yīng)用中不斷發(fā)展和完善當(dāng)烘缸滾動(dòng)軸承出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承的其它零件會(huì)周期地撞擊損傷點(diǎn)，產(chǎn)生的沖擊力激勵(lì)軸承座及其支撐結(jié)構(gòu)，形成一系列由沖擊激勵(lì)產(chǎn)生的減幅振蕩，減幅振蕩發(fā)生的頻率為故障特征頻率。

2、 軸承振動(dòng)產(chǎn)生的原因

常見的滾動(dòng)軸承損傷形式有疲勞損傷、電化腐蝕、表面損傷、過熱燒傷等。當(dāng)機(jī)械設(shè)配運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)并帶有一定的負(fù)載，此時(shí)以軸承、軸承座和箱體為組成零件的軸承系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，進(jìn)而促使整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)診斷，其振動(dòng)通常會(huì)受內(nèi)部因素和外部因素的影響。軸承系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理。在外部機(jī)械設(shè)備的其他部件會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生影響。

3、 烘缸滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷

根據(jù)監(jiān)測(cè)頻帶的不同，可將烘缸滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷劃分為低頻診斷和高頻診斷，其中低頻診斷主要是針對(duì)軸承中各元件缺陷的旋轉(zhuǎn)特征頻率進(jìn)行的；而高頻診斷則著眼于烘缸滾動(dòng)軸承因存在缺陷時(shí)激發(fā)的各元件的固有頻率振動(dòng)。它們?cè)谠砩蠜]有太大差別都要通過頻譜分析等手段，找出不同元件（內(nèi)滾道、外滾道、滾動(dòng)體等）的故障特征頻率，以此判斷烘缸滾動(dòng)軸承的故障部位及其故障的嚴(yán)重程度。顯然，要實(shí)現(xiàn)對(duì)故障特征頻率的定位，首先必須計(jì)算出各個(gè)元件的理論特征頻率。為此，先推導(dǎo)出各元件故障特征頻率的計(jì)算公式，再討論軸承各種故障的振動(dòng)特點(diǎn)。

3.1、低頻段的旋轉(zhuǎn)特征頻率

烘缸滾動(dòng)軸承各元件存在單一缺陷時(shí)的特征頻率如表2.1所示

需要說明的是上表中所給出的特征頻率分別為滾動(dòng)體缺陷、內(nèi)滾道缺陷和外滾道缺陷的基頻。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)故障嚴(yán)重程度，頻譜圖中還可能出現(xiàn)各自的倍頻。

3.2、高頻段的固有振動(dòng)頻率

烘缸滾動(dòng)軸承中的各元件因受到?jīng)_擊而作自由振動(dòng)時(shí)是以各自的固有振動(dòng)頻率進(jìn)行的，軸承元件的固有頻率多處在幾kHz到幾十kHz的高頻段，且受軸承裝配狀態(tài)的影響，下面給出內(nèi)外環(huán)的固有振動(dòng)頻率的計(jì)算公式：

1） 內(nèi)外環(huán)的固有振動(dòng)頻率

（2.1）

式中 I----內(nèi)外環(huán)截面繞中性軸的慣性矩， ；

D----圓環(huán)中性軸的直徑，m；

M----圓環(huán)單位長(zhǎng)度內(nèi)的質(zhì)量， ；

E----圓環(huán)材料的彈性模量， ；

n----變形波數(shù)；

2） 鋼球的固有振動(dòng)頻率

（2.2）

式中

----鋼球的直徑， ；

E----材料的彈性模量， ，鋼為 ；

----材料的密度， ，鋼為 ；

4、烘缸滾動(dòng)軸承有異常時(shí)的振動(dòng)特性

烘缸滾動(dòng)軸承的異常情況是多種多樣的，為了敘述的方便，在此討論各種典型的單一型異常形式的振動(dòng)特性，這并不意味著典型的異常形式總是獨(dú)立發(fā)生的。

4.1、烘缸滾動(dòng)軸承的構(gòu)造所引起的振動(dòng)

（1） 軸承元件的變力變形引起的振動(dòng)

給烘缸滾動(dòng)軸承施加一定的載荷時(shí)，由于內(nèi)外環(huán)以及滾動(dòng)體的受力變形，而使旋轉(zhuǎn)軸的中心發(fā)生變動(dòng)，由此引起的振動(dòng)的主要頻率成分為 ，其中 為滾珠個(gè)數(shù)， 為滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率。

（2） 旋轉(zhuǎn)軸彎曲時(shí)引起的振動(dòng)

當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸彎曲或傾斜時(shí)，此時(shí)發(fā)生的振動(dòng)的主要頻率成分為 。

（3） 滾動(dòng)體直徑不一致引起的振動(dòng)

當(dāng)一個(gè)滾動(dòng)體的直徑大于其他滾動(dòng)體的直時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸軸心將以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率 而變動(dòng)，即發(fā)生此頻率的振動(dòng)。此外，由軸向剛度的不同，還會(huì)引發(fā)頻率 ，的振動(dòng)。

2） 烘缸滾動(dòng)軸承的非線性引發(fā)的振動(dòng)

烘缸滾動(dòng)軸承是通過滾道與滾動(dòng)體的彈性接觸來承受載荷的，可以形象的比之為 “彈簧”。此“彈簧”的彈性系數(shù)很大，當(dāng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)不良時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)非線性彈性，由此而引發(fā)的振動(dòng)。其振動(dòng)的頻率為軸的旋轉(zhuǎn)頻率 ，及其諧波 ， …和分頻 ， …。這種形式的振動(dòng)常在深槽球軸承中發(fā)生，而在自動(dòng)調(diào)心和滾子軸承上不常發(fā)生。

3）由于精加工波紋引起的振動(dòng)

制造時(shí)，如在滾道或滾動(dòng)體的精加工面上留有波紋，當(dāng)凸起部數(shù)目達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生特有的振動(dòng)，如表2.2所示。

應(yīng)該指出的是，上表對(duì)于有徑向間隙并承受徑向載荷的軸承，多數(shù)是不適用的。

4）烘缸滾動(dòng)軸承損傷（缺陷）而引起的振動(dòng)

2、軸承嚴(yán)重磨損引起的偏心時(shí)的振動(dòng) 在使用過程中由于發(fā)生嚴(yán)重磨損而使軸承偏時(shí)，軸的中心將產(chǎn)生振擺，此時(shí)的振動(dòng)頻率為 ，其中， 為自然數(shù)， 為軸的旋轉(zhuǎn)頻率。滾動(dòng)軸承內(nèi)的摩擦是軸承內(nèi)熱量產(chǎn)生的決定因素，其結(jié)果也對(duì)操作溫度產(chǎn)生決定性影響。摩擦大小取決于負(fù)荷和其它一些因素， 其中最重要的是軸承的種類和大小、操作速度、潤(rùn)滑劑性能和用量。組成軸承運(yùn)轉(zhuǎn)總阻力的是：有關(guān)接觸面上的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦、潤(rùn)滑劑內(nèi)的摩擦、以及接觸密封件的滑動(dòng)摩擦。而產(chǎn)生滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦的地方則有：滾動(dòng)接觸面、滾動(dòng)部件和保持架之間的接觸面、以及引導(dǎo)滾動(dòng)部件或保持架的支承面。

（2） 內(nèi)環(huán)有缺陷是的振動(dòng)當(dāng)內(nèi)環(huán)的某個(gè)部分存在剝落、裂紋、壓痕、損傷等缺陷時(shí)，所發(fā)生振動(dòng)的振動(dòng)頻率為 及其高次諧波 ， ，…。由于軸承通常有徑向間隙而使振動(dòng)受到軸的旋轉(zhuǎn)頻率 或滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率 的調(diào)制。有無間隙的發(fā)生頻率如表2.3所示：

（3）外環(huán)有缺陷時(shí)的振動(dòng)當(dāng)外環(huán)有缺陷時(shí)，軸承所產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)頻率為 及其高次諧波 ， …。與內(nèi)環(huán)缺陷振動(dòng)特性不同的是，由于此時(shí)缺陷的位置與承載方向相對(duì)位置固定，故不會(huì)發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象。

（4）滾動(dòng)體有缺陷時(shí)的振動(dòng)當(dāng)滾動(dòng)體上有缺陷時(shí)，軸承所產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)頻率為 及其高次諧波 ， …。和內(nèi)環(huán)有缺陷時(shí)的情況相同，由于通常存在的軸承徑向間隙，使振動(dòng)受到滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制。應(yīng)該說明的是：由于軸承的初期損傷所引起的沖擊振動(dòng)往往比機(jī)器的其他振動(dòng)要小的多，為了有效地進(jìn)行軸承故障診斷，經(jīng)常采用共振解調(diào)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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