滚动轴承故障诊断技术的简单运用

周云

【摘 要】重点介绍了利用振动信号分析手段来诊断滚动轴承故障的技术,并将其运用于齿轮箱、泵类等生产设备的状态监测,为准确分析及诊断故障提供参考。%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 monito- ring 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. 【期刊名称】《合成技术及应用》 【年(卷),期】2012(027)002 【总页数】4页(P57-60)

【关键词】滚动轴承;振动信号;故障频谱;诊断 【作 者】周云

【作者单位】中国石化仪征化纤股份有限公司长丝生产中心,江苏仪征211900 【正文语种】中 文 【中图分类】TH133.33

滚动轴承在生产设备中的应用非常广泛，其状态好坏直接关系到旋转设备的运行状态。因此，实际生产中做好滚动轴承状态监测与故障诊断是搞好设备维修与管理的重要环节［1］，而振动分析是对滚动轴承进行状态监测和故障诊断的常用方法。 引起滚动轴承振动的因素很多。有与部件的振动有关，也有与制造质量有关，还有与轴承装配以及工作状态有关［2］。通过对轴承各种振动信号图形的分析对比，找出激励特点，获取振源的可靠信息，应用于滚动轴承的故障诊断。例如图1所示，不同的振动波形，可以反应出轴承的不同状态。

当滚动轴承在恒定载荷下运转时，系统内的载荷分布状况呈现周期性变化(如滚动体与外圈的接触点的变化)，从而使系统的刚度参数周期产生变化，这是一种对称周期变化，其恢复力呈现非线性的特征，由此便产生了分数谐波振动。此外，当滚动体处于载荷下非对称位置时，转轴的中心不仅有垂直方向的，而且还有水平方向的移动。这类参数的变化与运动都将引起轴承的振动，也就是随着轴的转动，滚动体通过径向载荷处就产生激振力。这样在滚动轴承运转时，由于刚度参数形成的周期变化和滚动体产生的激振力及系统存在非线性，便产生多次谐波振动并含有分谐波成分，不管滚动轴承正常与否，这种振动都要发生。

当滚动轴承运转时，滚动体便在内外圈之间滚动。轴承的滚动表面虽加工得非常平滑，但从微观来看，仍高低不平，特别是材料表面产生疲劳斑剥时，高低不平的情况更为严重。滚动体在这些凹凸面上转动，则产生交变的激振力。它所产生的振动，既是随机的，又含有滚动体的传输振动，其主要频率成分为滚动轴承的特征频率。滚动轴承的特征频率(即接触激发的基频)，完全可以根据轴承元件之间滚动接触的速度关系建立的方程求得。计算的特征频率值往往十分接近测量数值，所以在诊断前总是先算出这些值，作为诊断的依据。

下面列出在外圈静止、内圈转动的条件下，各轴承元件的故障频率公式。当故障信号频率等于下式中某一式的计算频率时，或为其整倍数时，则发生故障的元件即为

该频率公式对应的轴承元件，如图2所示。 内圈旋转频率 保持架旋转频率 滚动体自转频率 保持架过内圈频率 滚动体通过内圈频率 滚动体通过外圈频率

其中，D—滚动体中心圆直径，mm;d—滚动体直径，mm;z—滚动体个数;β—公称接触角;n—转轴转速，r/min。

由于轴承内圈、外圈滚道表面及滚动体表面精度会引起振动和噪声，因而影响轴承的运转精度。表面精度一般将引起比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍的高频振动、噪声及轴心的振摆，其结果不仅会引起轴承的径向振动，在一定条件下还会引起轴向振动。当轴承游隙过大或滚道偏心时，也会引起轴承振动;由于轴弯曲导致轴承偏斜或轴承装配不正会引起轴上所安装的轴承偏移，因此轴在转动时同样会引起轴承的振动;滚动体的尺寸大小不一也会造成轴承的振动;装配过紧或过松的情况下，当滚动体通过特定位置时，就会产生频率相应于滚动体通过周期的振动。 滚动轴承若出现剥落等缺陷时，滚动体以较高的速度从缺陷上通过，必然激发两种性质的振动。第一类振动是以结构和运动关系为特征的振动，表现为冲击振动的周期性;第二类振动是被激发的轴承元件固有频率的衰减振荡，表现为每一个脉冲的衰减振荡波，如图3所示。

滚动轴承故障信号主要分布在3个频段，如图4所示。

a)低频段:位于A区，频段在1 kHz以下，滚动轴承中与结构和运动关系相联系的故障信号基本在这个频率段，因为轴的故障信号、齿轮的故障信号也在这个频段，因而这也是绝大部分在线故障监测与诊断系统所监测的频段;

b)中频段:位于B区，频段在1～20 kHz，这个频段的信号是轴承故障所激发的轴承自振频率的振动;

c)高频段:位于C区，频段在20 kHz以上，它们是轴承内微裂纹扩张所产生的声发射超声波信号。

对滚动轴承进行状态监测和故障诊断的实用方法是振动频谱分析。滚动轴承的振动频率成分非常丰富，每个元件都有各自的故障特征频率，因此通过分析不但可以判断轴承有无故障，而且可以具体判断轴承的损坏元件［3］。故障轴承的频率分布具有一定的特点，低频和高频两个频段在频谱中均有体现，在分析故障频率时可以同时分析。在轴承故障早期，高频段反应比较强烈，但只能表示轴承的总体状态，即可以作出有无故障及严重程度的判断;低频段的分析则可以判断轴承具体部分的故障(见图5)。

由图5可以清楚地知道轴承已存在故障，而故障的具体部位要通过低频段的频率与照轴承频率公式所计算的值进行对比分析后才能确诊。

热媒循环泵是笔者所在单位重要的生产设备，其结构为离心式单级泵，电机功率为13.5 kW。位号为5199-P10的热媒循环泵在某日巡检时发现振动异常，伴有明显的噪音。该泵主要参数见表1所示，现场振动测试值见表2所示，通过现场数据采集，发现泵前端轴承振动很大，达到11.6 mm/s，杂音较大。

从泵前端轴承时域图(图6)可以看到明显的冲击信号的存在，峭度值达到3.59，从频谱图(图7)可以看出低频区存在大量的高次谐波，这说明轴承已出现问题。具体轴承在哪个部分出现故障，需通过利用轴承公式进行计算得出。可知热媒泵轴承为球轴承6311，外径120 mm，内径70 mm，钢球数11个，根据以上参数，利用轴承频率公式计算得出:外圈频率 75.38 Hz，内圈频率 121.9 Hz，滚动体频率98.74 Hz，保持架频率 9.42 Hz。

通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据点蚀部分与滚动体发生冲击接触

的位置的不同，振动的振幅大小会发生周期性的变化，即发生振幅调制。若以轴旋转频率fr进行振幅调制，这时的振动频率为 nf内± fr(n=1，2…)［4］

从泵的轴承轴向频谱图(图7)可观察到明显的390.45 Hz 及其高次谐波 415.11 Hz、510.3 Hz。 因此:

其中，n=1、2… 系数，fr—转轴频率，f内—内圈频率。

由上式可以看出，390.45 Hz是轴承内圈频率121.9 的倍频，并且 415.11 Hz、513.3 Hz分别为其倍频谐波并且以转轴频率fr=24.66 Hz进行振幅调制，因此诊断轴承内圈出现点蚀或偏心。

维修人员对其进行了检修，更换轴承后泵运转正常，更换下的轴承清洗后明显看见轴承内圈点蚀(见图8)。

在实际状态监测中，往往只需判断滚动轴承好坏，能用多长时间，而精密分析及诊断中诊断轴承某个部位故障往往实用性不大。由于实用中精密诊断受复杂工况、设备参数不全等因素影响，时常找不出滚动轴承对应的特征频率，故须通过长期跟踪记录的振动速度数值，结合轴承频谱进行综合诊断。笔者单位重点设备增压泵虽经大修但运行不到2个月就发现泵体晃动，伴有摩擦声，现场采集数据，发现齿轮箱输出端的振动值为2.3 mm/s，符合振动标准值。对泵体进行加固支撑消除晃动后不久又发现齿轮箱输出端轴承有杂音且局部温度较高，现场测量振动值2.8 mm/s，也未超出标准要求(见图9)。 现场进行数据采集，图谱如下(见图10)。

如图9所示，增压泵齿轮箱输出端振动基本平稳，幅值没有大幅上升，说明故障情况未见恶化;如图10图谱所示，主要为输入轴频率及其倍频扰动，齿轮不存在缺陷，由于缺少齿轮及轴承的参数，轴承的频率无法计算，谱图中45.8 Hz及其倍频91.6 Hz无法确定是否为轴承频率而且频率幅值较小，所以初步诊断即使是轴

承频率，从图谱显示的趁势看，短期内失效的可能性很小。故继续组织生产，并严格监控增压泵的运行状态，未发生运行故障。直到两个月后停车检修，分解检查齿轮箱，发现之前故障的原因是输出轴承间隙偏大，运转过程中轴承偏心产生振动所致。由此可见，通过滚动轴承故障诊断技术，可预测故障发生率，充分提高设备利用率。

实际生产中设备的种类繁多，故障也千差万别，机械振动的分析诊断是非常复杂的。只有通过大量的数据采集积累，各种振动分析技术的实践和运用，才能不断为设备的预知维修提供参考，充分发挥设备的潜力，提高设备利用率，降低设备维护检修的费用，为实际生产增加效益。

【相关文献】

［1］肖述兵.滚动轴承振动故障诊断实践［M］.轴承，2006，3.

［2］郑传桥.浅析振动分析技术在滚动轴承故障诊断中的应用［J］.中国工控网，2005. ［3］易良榘.简易振动诊断技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［4］韩业锋，仲涛，石磊.基于包络谱分析的滚动轴承故障诊断分析［J］.机械研究与应用，2010.