中心滚动轴承的故障机理及诊断三

滚动轴承的故障机理及诊断

朱荣乾中国石油吐哈油田公司技术监测中心一、引言二、滚动轴承的故障形式三、轴承故障的发展历程四、轴承故障频率计算五、包络分析原理六、测试分析方法七、结束语摘要：本文介绍了滚动轴承的故障类型和发展历程，轴承故障频率的计算公式和包络分析的原理，并通过实例介绍了滚动轴承的诊断方法。关键词：轴承；故障；诊断；包络旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障，从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于轴承的故障诊断。一、引言一、引言振动加速度信号的波峰因数是指时域波形的峰值与均方根值之比，这种方法只适用于轴承点蚀故障的诊断；冲击脉冲技术(ShockPulseMethod)是瑞典SKF公司多年对轴承故障机理研究的基础上发明的，它依据滚动轴承在出现疲劳剥落、裂纹、磨损时产生的脉冲性振动强弱判断轴承故障，这种方法受使用者经验、设备干扰因素影响较大。美国Entek-IRD公司的峰值能量(SpikeEnergy)技术通过检测高频振动的尖峰诊断轴承的故障；CSI公司的PeakVue技术通过检测轴承产生的应力波诊断轴承故障，对低速轴承故障信号也有良好的响应；这两种技术诊断准确，但是仪器价格偏高。包络分析是采用共振解调技术诊断滚动轴承故障，应用广泛，效果也不错，许多监测仪器采用这一技术。二、滚动轴承的故障形式滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油变质等因素会加速轴承的损坏。滚动轴承的主要故障形式与原因如下。⒈疲劳剥落

滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。二、滚动轴承的故障形式⒉磨损

长时间运转使轴承的内外滚道和滚动体表面不可避免地产生磨损，持续地磨损使轴承间隙增大，振动和噪声增加。润滑不良和硬质颗粒进入滚道会加速轴承的磨损。⒊断裂当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。⒋锈蚀

水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承内部有轴电流通过时，在滚道和滚动体的接触点处引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。二、滚动轴承的故障形式⒌擦伤

由于轴承内外滚道和滚动体接触表面上的微观凸起或硬质颗粒使接触面受力不均，在润滑不良、高速重载工况下，因局部摩擦产生的热量造成接触面局部变形和摩擦焊合，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂。三、轴承故障的发展历程轴承失效通常划分为四个阶段：

第一阶段：在轴承失效的初始阶段，故障频率出现在超声频段。有多种信号处理手段能够检测到这些频率，如峰值能量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM等。此时，轴承故障频率在加速度谱和速度频谱图上均无显示。

第二阶段：轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段，一般在500～2KHz范围内。同时该频率还作为载波频率调制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身，后期表现为在固有频率附近出现边频。此时，轴承仍可安全运转。三、轴承故障的发展历程

第三阶段：轴承故障频率的谐波开始出现，边频带数目逐渐增多。谐波有时会比基频更早被发现。峰值能量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM所测故障频率幅值显著升高。加速度频谱图上也可能观察到轴承故障的高次谐波。此时需要停机检修。

第四阶段：在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被随机振动或噪音代替。能明显听到故障轴承产生的噪声。此时轴承已处于危险状态。第四阶段第三阶段第二阶段第一阶段在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被随机振动或噪音代替轴承故障频率的谐波开始出现，边频带数目逐渐增多轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段故障频率出现在超声频段四、轴承故障频率计算1969年，Balderston根据滚滚动轴轴承的的运动动分析析得出出了滚滚动轴轴承的的滚动动体在在内外外滚道道上的的通过过频率率和滚滚动体体及保保持架架的旋旋转频频率的的计算算公式式，该该研究究奠定定了这这方面面的理理论基基础。。内环滚滚动，，外环环固定定，这这是滚滚动轴轴承最最常见见的安安装方方式。。其故故障频频率分分别为为：内内环环：：外环环：：滚动体体：保持架架：式中：：n———滚动体体数目目d———滚动体体直径径D———轴承节节径，，即外外环内内径与与内环环外径径的平平均值值θ———接触角角对于推推力轴轴承，，接触触角θ为90°°。四、轴承故障频率计算有时难难以测测量轴轴承的的几何何尺寸寸，在在知道道滚动动体数数目的的情况况下，，可以以用以以下公公式估估算轴轴承的的故障障频率率：内环环：：外环环：：滚动体体：保持架架：对于滚滚动体体数目目在6～12个的轴轴承，，误差差较小小。五、包络分析原理轴承故故障会会产生生周明明性的的冲击击振动动信号号，通通常是是高频频低幅幅值信信号，，在故故障的的早期期和中中期，，因不不平衡衡、不不对中中、松松动等等故障障的幅幅值较较高，，在常常规速速度谱谱和加加速度度谱难难以观观察到到轴承承的故故障频频率。。现场场使用用最多多的是是带磁磁座的的压电电加速速度传传感器器，对对常规规振动动通常常取传传感器器安装装共振振频率率的1/3，以保保证所所测谱谱线幅幅值在在线性性范围围之内内。包包络分分析采采用带带通滤滤波器器，通通常选选取以以加速速度传传感器器安装装共振振频率率为中中心的的频带带做为为载波波频率率，使使微弱弱的轴轴承故故障信信号搭搭载在在高幅幅值的的谐振振频段段传递递出来来，否否则高高频低低幅的的轴承承故障障信号号在多多个界界面经经过反反射、、衰减减之后后，传传感器器很难难拾取取。再再对所所测信信号进进行绝绝对值值处理理，之之后采采用低低通滤滤波，，即可可获得得调制制信号号的包包络线线，然然后进进行快快速傅傅立叶叶变换换FFT，便可可得到到轴承承的包包络谱谱，这这个过过程也也称为为共振振解调调。六、测试分析方法1、传感感器放放置滚动轴轴承的的故障障检测测主要要采用用加速速度传传感器器，电电涡流流位移移传感感器和和磁电电式速速度传传感器器不适适用于于滚动动轴承承的故故障检检测。。加速速度传传感器器的固固定方方法通通常有有双头头螺栓栓、磁磁座、、探针针。以以Entek-IRD公司的的970i传感器器为例例，在在安放放稳固固的情情况下下，双双头螺螺栓的的安装装谐振振频率率大约约在27KHz附近，，磁座座安装装的谐谐振频频率约约在7KHz附近，，探针针安装装的谐谐振频频率大大约在在1.6KHz附近。。前两两种安安装方方式都都适用用滚动动轴承承的故故障检检测，，探针针安装装方式式不但但谐振振频率率低，，而且且对高高频振振动衰衰减较较大，，不适适宜滚滚动轴轴承故故障的的检测测。六、测试分析方法加速度度传感感器一一般安安装在在轴承承承受受载荷荷的方方向，，对于于水平平放置置联轴轴器传传动的的设备备，传传感器器安放放在轴轴承座座下方方；对对于皮皮带传传动的的设备备，传传感器器安放放在两两皮带带轮连连线方方向轴轴承座座内侧侧。在在测试试之前前，一一定要要了解解轴承承座的的结构构，避避免把把轴承承安放放的轴轴承座座空腔腔处，，这样样轴承承的高高频信信号衰衰减很很大。。采用用磁座座方装装方式式，需需清理理掉不不平或或过厚厚的油油漆。。六、测试分析方法⒉测试参参数选选取带通滤滤波器器的中中心频频率应应选在在传感感器安安装谐谐振频频率的的中心心，谐谐振频频率通通过现现场测测试确确定，，图1所示是是磁座座安装装的加加速度度传感感器的的谐振振频率率，上上限频频率选选在10KHz之上。。包络谱谱的谱谱线数数一般般选800条或1600条，谱谱线数数多则则频率率分辨辨率好好。⒊判断断标准准转速对对轴承承包络络谱幅幅值的的影响响很大大，转转速越越高，，幅值值越大大。因因此，，不同同转速速的轴轴承，，其判判断标标准也也是不不同的的。最最好的的判断断标准准，是是对同同一类类设备备，在在相同同工况况下，，比较较其包包络谱谱幅值值；或或者同同一台台设备备，不不同时时段的的包络络谱幅幅值趋趋势。。图1、传感感器的的安装装谐振振频率率六、测试分析方法4.轴承故故障分分析图2是一台台三柱柱塞注注水泵泵轴承承的包包络谱谱。泵泵转速速335rpm，排出压压力25MPa，流量16m3/h，驱动动电机功功率132KW，电机转转速985rpm，电机与与泵通过过皮带传传动。泵泵轴承为为双排球球面滚子子轴承，，型号22330。根据轴承承尺寸计计算的轴轴承故障障频率如如下：内圈故障障频率BPIR=49.6Hz外圈故障障频率BPOR=34.2Hz滚动体BSF=14.7Hz保持架FTF=2.3Hz曲轴转频频f0=335rpm/60s=5.58Hz六、测试分析方法经过包络络处理之之后，不不平衡、、松动、、皮带轮轮偏斜、、轴向窜窜动等频频率都被被滤掉了了，只用用考虑轴轴承故障障和泵进进排液阀阀冲击。。而进排排液阀产产生的冲冲击频率率是泵转转频的1、3、6····倍，包络络谱中主主要频率率分量是是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转转频5.58Hz的倍频分分量，由由此断定定故障不不是由泵泵进排液液阀窜扰扰引起的的。当轴轴承跑内内圆或轴轴承磨损损使间隙隙增大时时也会在在包络谱谱上产生生转频及及其谐波波分量。。经过比比对，这这些频率率分量是是滚动体体故障频频率14.7Hz的3、6、9、18倍频，表表明滚动动体出现现故障，，并且很很严重。。图2、故障轴轴承的包包络谱停泵检查查发现，，轴承外外侧内圈圈滚道已已经磨成成搓板状状（如图图3所示）。。这与包包络谱显显示的滚滚动体故故障频率率不一致致，原因因是内圈圈滚道整整体剥落落，如同同滚子损损伤。另另外，内内圈高频频振动传传递需通通过内圈圈与滚子子，滚子子与外圈圈、外圈圈与轴承承座的交交界面，，振幅衰衰减为基基底噪声声。图3、损坏的的轴承内内圈滚道道七、结束语了解轴承承故障的的形式和和轴承故故障的发发展阶段段，对于于诊断轴轴承故障障是十分分必要的的。掌握握轴承故故障诊断断的分析析原理和和方法是是准确诊诊断轴承承故障的的前提。。请各位专专家给予予批评指指正!9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。1月月-231月月-23Saturday,January7,202310、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。16:36:1216:36:1216:361/7/20234:36:12PM11、以我独沈久久，愧君相见见频。。1月-2316:36:1216:36Jan-2307-Jan-2312、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。16:36:1216:36:1216:36Saturday,January7,202313、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。1月-231月-2316:36:1216:36:12January7,202314、他乡生白白发，旧国国见青山。。。07一月月20234:36:12下下午16:36:121月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。一月234:36下午午1月-2316:36January7,202316、行动出成成果，工作作出财富。。。2023/1/716:36:1216:36:1207January202317、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。4:36:12下下午4:36下下午16:36:121月-239、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。1月-231月-23Saturday,January7,202310、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。16:36:1216:36:1216:361/7/20234:36:12PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。1月-2316:36:1216:36Jan-2307-Jan-2312、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。16:36:1216:36:1216:36Saturday,January7,202313、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。1月-231月-2316:36:1216:36:12January7,202314、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。07一一月20234:36:12下午午16:36:121月-2315、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。一月234:36下午午1月-2316:36January7,202316、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2023/1/716:36:1316:36:1307January202317、空山新雨后后，天气晚来来秋。。4:36:13下午4:36下下午16:36:131月-239、杨柳散散和风，，青山澹澹吾虑。。。1月-231月-23Saturday,January7,202310、阅读读一切切好书书如同同和