中心论文滚动轴承的故障机理及诊断004

三、轴承故障的发展历程
第三阶段： 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： 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。
图3、损坏的轴承内圈滚道 、
七、结束语
了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故 障是十分必要的。掌握轴承故障诊断的分析原理和方法是准确诊断 轴承故障的前提。
请各位专家给予批评指正!
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
第四阶段 轴承故障频率的谐波开始出 现，边频带数目逐渐增多 第三阶段 轻微的轴承故障开始激 起轴承元件的固有频段 第二阶段 故障频率出现在超声频段 第一阶段
二、滚动轴承的故障形式
Байду номын сангаас
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： 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： 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。
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(Shock Pulse Method)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 (Spike Energy)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。
200 [Hz]
240
280
320
360
图2、故障轴承的包络谱 、
停泵检查发现，轴承外侧内圈滚道已经磨成搓板状（如图3所示）。这与 包络谱显示的滚动体故障频率不一致，原因是内圈滚道整体剥落，如同滚子损 伤。另外，内圈高频振动传递需通过内圈与滚子，滚子与外圈、外圈与轴承座 的交界面，振幅衰减为基底噪声。
六、测试分析方法 4.轴承故障分析 图2是一台三柱塞注水泵轴承的包络谱。泵转速335rpm，排出压力 25MPa，流量16m3/h， 驱动电机功率132KW，电机转速985rpm，电机与泵 通过皮带传动。泵轴承为双排球面滚子轴承，型号22330。 根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下： 内圈故障频率BPIR=49.6Hz 外圈故障频率BPOR=34.2Hz 滚动体BSF=14.7Hz 保持架FTF=2.3Hz 曲轴转频f0=335rpm/60s=5.58Hz
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
六、测试分析方法
经过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜动等频率都 被滤掉了，只用考虑轴承故障和泵进排液阀冲击。而进排液阀产生的冲击 频率是泵转频的1、3、6 倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、 130Hz、260Hz，不是转频5.58Hz的倍频分量，由此断定故障不是由泵进 排液阀窜扰引起的。当轴承跑内圆或轴承磨损使间隙增大时也会在包络谱 上产生转频及其谐波分量。经过比对，这些频率分量是滚动体故障频率 14.7Hz的3、6、9、18倍频，表明滚动体出现故障，并且很严重。
六、测试分析方法 ⒉测试参数选取 带通滤波器的中心频率应选在传感器安装谐振频率的中心，谐振频率通 过现场测试确定，图1所示是磁座安装的加速度传感器的谐振频率，上限频率 选在10KHz之上。 包络谱的谱线数一般选800条或1600条，谱线数多则频率分辨率好。 ⒊判断标准 转速对轴承包络谱幅值的影响很大，转速越高，幅值越大。因此，不同 转速的轴承，其判断标准也是不同的。最好的判断标准，是对同一类设备，在 相同工况下，比较其包络谱幅值；或者同一台设备，不同时段的包络谱幅值趋 势。
六、测试分析方法
1、传感器放置 滚动轴承的故障检测主要采用加速度传感器，电涡流位移传感 器和磁电式速度传感器不适用于滚动轴承的故障检测。加速度传感 器的固定方法通常有双头螺栓、磁座、探针。以Entek-IRD公司的 970i传感器为例，在安放稳固的情况下，双头螺栓的安装谐振频率 大约在27KHz附近，磁座安装的谐振频率约在7KHz附近，探针安装 的谐振频率大约在1.6KHz附近。前两种安装方式都适用滚动轴承的 故障检测，探针安装方式不但谐振频率低，而且对高频振动衰减较 大，不适宜滚动轴承故障的检测。
[m/s^2]
Fourier Spectrum(Vib) - Input (Magnitude) Working : Input : Input : FFT Analyzer
2.8
2.4
2 5.40KHz 1.6
1.2
800m
400m 0 0 2k 4k 6k [Hz] 8k 10k 12k
图1、传感器的安装谐振频率 、
一、引言
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。
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。
四、轴承故障频率计算 1969年，Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体 在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，该研究 奠定了这方面的理论基础。 内环滚动，外环固定，这是滚动轴承最常见的安装方式。其故障频率分 d 别为：内 环： BPFI= n (1+ D cosθ) × f0 2 n d 外 环： BPFO= 2 (1 D cosθ ) × f0 d 滚动体： = 2Dd [1 ( D cosθ )2 ]× f0 BSF d 保持架：FTF= 1 (1 D cosθ) × f0 2 式中： n——滚动体数目 d——滚动体直径 D——轴承节径，即外环内径与内环外径的平均值 θ——接触角 对于推力轴承，接触角θ为90°。
对于滚动体数目在6～12个的轴承，误差较小。
五、包络分析原理 轴承故障会产生周明性的冲击振动信号，通常是高频低幅值信号，在故障 的早期和中期，因不平衡、不对中、松动等故障的幅值较高，在常规速度谱和 加速度谱难以观察到轴承的故障频率。现场使用最多的是带磁座的压电加速度 传感器，对常规振动通常取传感器安装共振频率的1/3，以保证所测谱线幅值在 线性范围之内。包络分析采用带通滤波器，通常选取以加速度传感器安装共振 频率为中心的频带做为载波频率，使微弱的轴承故障信号搭载在高幅值的谐振 频段传递出来，否则高频低幅的轴承故障信号在多个界面经过反射、衰减之后， 传感器很难拾取。再对所测信号进行绝对值处理，之后采用低通滤波，即可获 得调制信号的包络线，然后进行快速傅立叶变换FFT，便可得到轴承的包络谱， 这个过程也称为共振解调。
六、测试分析方法
加速度传感器一般安装在轴承承受载荷的方向，对于水平放置 联轴器传动的设备，传感器安放在轴承座下方；对于皮带传动的设 备，传感器安放在两皮带轮连线方向轴承座内侧。在测试之前，一 定要了解轴承座的结构，避免把轴承安放的轴承座空腔处，这样轴 承的高频信号衰减很大。采用磁座方装方式，需清理掉不平或过厚 的油漆。
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。