技术检测中心论文(滚动轴承的故障机理及诊断)

滚动轴承的故障机理及诊断 朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 吐哈油田公司技术监测中心 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

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。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。 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。 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。 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。 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。 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。其故障频率分别为：

内 环： 02)cos1(fBPFIDdn 外 环： 02)cos1(fBPFODdn 滚动体： 022])cos(1[fBSFDddD 保持架： 021)cos1(fFTFD

d

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°。 有时难以测量轴承的几何尺寸，在知道滚动体数目的情况下，可以用以下公式估算轴承的故障频率：

内 环：02)2.1(fBPFIn 外 环：02

)2.1(fBPFOn

滚动体：02.1221)(fBPFInn 保持架：02.121)(fFTFn 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

⒈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。 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。 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。 Fourier Spectrum(Vib) - Input (Magnitude)Working : Input : Input : FFT Analyzer02k4k6k8k10k12k0400m800m1.21.622.42.8[Hz][m/s^2]

5.40KHz

图1、传感器的安装谐振频率 ⒊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 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绕引起的。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。 Fourier Spectrum(Vib) - Input (Magnitude)[Hz]Working : Input : Input : FFT Analyzer4080120160200240280320360012345678[m/s^2]

5.0Hz43.0Hz87.0Hz

130.0Hz260.0Hz

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。

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。