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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用摘 要：本文对轴承滚动轴承的常见故障形式进行了解析，并通过振动频谱分析的技术对滚动轴承产生故障的部位特征频率、不同阶段的频率特征进行了阐述。并将通过频谱分析技术较好应用到了实际的滚动轴承故障诊断过程，提高了现场故障诊断水平，满足了生产维护检修的需要。关键词： 滚动轴承 故障形式 特征频率 一、前 言滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件，是轴及其他旋转构件的重要支承，是最早采用专业化大批量生产的机械基础件之一，在日常的使用与维修中发现，轴承同时也是最容易产生故障的零件。根不完全据统计，在使用滚动轴承的转动
2、设备中，大约有30%的机械故障都是由于滚动轴承而引起的；而在镇海炼化的所有转动设备故障维修统计当中，滚动轴承的故障率甚至在这个数字之上。二、滚动轴承的常见故障：由于滚动轴承在实际应用的广泛，其产生的故障现象也多种多样，常见的有以下几种形式：1、疲劳点蚀：疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式，由于滚动轴承在工作时，滚动体和滚道之间为点接触或线接触，在交变载荷的作用下，表面间存在着极大的循环接触应力，容易在表面处形成疲劳源，由疲劳源生成微裂纹，微裂纹因材质硬度高、脆性大，难以向纵深发展，便成小颗粒状剥落，表面出现细小的麻点，这就是疲劳点蚀。严重时，表面成片状剥落，形成凹坑；若轴承继续运转，
3、将形成大面积的剥落。2、磨 损：由于轴承的工作环境的不同，难免存在润滑不良，外界尘粒等异物侵入，转配不当等原因的存在，都会加剧滚动轴承表面之间的磨损。磨损的程度严重时，轴承游隙增大，表面粗糙度增加，不仅降低了轴承的运转精度，而且也会设备的振动和噪声随之增大。3、胶合：胶合是一个表面上的金属粘附到另一个表面上去的现象。其产生的主要原因是缺油、缺脂下的润滑不足，以及重载、高速、高温，滚动体与滚道在接触处发生了局部高温下的金属熔焊现象。通常，轻度的胶合又称为划痕，重度的胶合又称为烧轴承。胶合为严重故障，发生后立即会导致振动和噪声急剧增大，多数情况下设备难以继续运转。4、断裂：轴承零件的裂纹和断裂是最
4、危险的一种故障形式，这主要是由于轴承材料有缺陷和热处理不当以及严重超负荷运行所引起的；此外，装配过盈量太大、轴承组合设计不当，以及缺油、断油下的润滑丧失也都会引起裂纹和断裂。5、锈蚀：锈蚀是由于外界的水分带入轴承中；或者设备停用时，轴承温度在露点以下，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承表面上；以及设备在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承表面产生早期剥落，同时也加剧了磨损。6、电蚀：电蚀主要是转子带电，电流击穿油膜而形成电火化放电，使表面局部熔焊，在轴承工作表面形成密集的电流凹坑或波纹状的凹凸不平。7.、塑性变形（凹坑及压痕）：对于转速极低（n1 r/min）的
5、轴承，或间歇摆动的轴承，其故障形式主要是永久性塑性变形，即在滚道上受力最大处形成凹坑。发生塑性变形，主要与过大的挤压应力有关，例如，工作载荷过重，冲击载荷过大，热变形影响等。轴承出现凹坑后，会产生很大的振动和噪声。此外，当硬颗粒从外界进入滚动体与滚道之间时，会在滚道表面形成压痕。8、保持架损坏：润滑不良会使保持架与滚动体或座圈发生磨损、碰撞。装配不当所造成的保持架变形，会使保持架与滚动体或座圈之间产生卡涩，从而加速了保持架的磨损。保持架磨损后，间隙变大，与滚动体之间的撞击力增大，以致使保持架断裂。滚动轴承的严重损坏时，往往会造成设备停运，甚至造成相关部件的损坏，如发生烧轴承故障，会损坏到主轴、
6、轴承箱等，甚至影响到生产装置的稳定运行。但是轴承的损坏大部分都不是短时间内完成的，而是需要一个时间的累积过程，伴随损坏程度的加剧过程，往往会有温度、躁声、振动等参数的变化，随着设备维修体制的不断演化，预知性维修模式的应用渐趋广泛，由此对滚动轴承运行状态的监测和故障的诊断的重要性也日趋突出。应用的方法也有多种，例如振动分析法、油液分析法（磁性法、铁谱法、光谱法）、声发射分析法、光纤诊断法等，各种方法都有自己的特点，其中振动分析法是一线生产中较为实用和相对简单方便，应用最为广泛，主要是针对振动频谱进行针对性的分析。三、 轴承失效的特征频率分析滚动轴承的失效过程根据一些著名制造厂家的分析一般可分为四
7、个阶段，而且各个阶段内所产生主要特征频率并不相同，其主要的成分进行了归类与分析后如右图所示：第一阶段（超声频率）：轴承最早期出现的问题表现在超声频率的异常，其频率范围开始为250350kHz。此后随故障发展，频率范围下移到2060kHz，此阶段的振动频谱图中显示较为“干净” ，即除了工频、二倍频等常规振动频率外，轴承故障的各特征频率均无显现。所以一般在实际的应用中，会发现轴承的温度比较正常，运行声音也比较均匀，说明轴承在这个阶段基本上没有缺陷存在。 第二阶段（轴承固有频率）：轴承产生轻微缺陷，缺陷产生的冲击激起了轴承元件固有频率的振动或轴承支承部件的共振，其频率范围一般为500Hz20kHz。
8、到第二阶段末期，在固有频率的周围开始出现边频带；此阶段的振动频谱图里仅显现出轴承的固有频率成分，随着缺陷的逐渐严重，到二阶段后期在轴承的固有频率前后出现一定边频带。第三阶段（轴承缺陷间隔频率及其倍频）：初期，轴承缺陷间隔频率开始显现；随着故障缺陷的发展，更多的缺陷间隔频率的倍频出现，围绕这些间隔频率及其倍频以及固有频率的边频带的数量也逐步增多，其中不同设备不同轴承的缺陷间隔频率也不尽相同，主要的间隔频率的计算公式见下表所示：式中，D滚动体中心圆（节圆）直径，mm； d滚动体直径，mm； 接触角，角度或弧度； z滚动体的个数； n轴的转速，r/min。除转速n外，D、d、z均可根据轴承型号由轴承
9、样本查出随着缺陷不断显化，频谱中缺陷间隔频率周围的也会出现许多清晰可见边频带；通过实践证明这时的轴承缺陷已经已肉眼可见，也传递出这样的信息：此轴承已经到要检修更换的阶段，如果再运行就会存在一定的风险；在日常的诊断或巡检过程中测量到这样的特征频谱，就应该安排此设备的检修。当然，一般情况下，此时的轴承运行温度会比正常高，运行的噪音会增大，而且存在声音不均匀有杂音。第四阶段（随机宽带振动）：此阶段的滚动轴承失效已经接近尾声，工频也受影响而明显增大，并产生许多倍频成分，特别是原先为离散的、幅值较突出的缺陷间隔频率和固有频率及其倍频开始“消失” ，会出现很多随机的宽带高频“噪声振动” ，而且能量较大。这
10、一阶段对设备来说风险是很大的，极有可能会发生烧轴承、轴承部件开放性断裂这类破坏性故障，造成设备主轴、轴承箱等其他部件的损坏，所以实际的设备管理中应避免这样情况的出现。在实际现场中，对于滚动轴承的运转状况，人们往往并不关心具体元件（如内圈、外圈、滚动体、保持架）个体的缺陷状况，而是关注整个轴承的总体状况，特别是故障缺陷的程度如何，该不该更换。因此，根据轴承失效的四个阶段内的主要特征频率成分，来判断滚动轴承当前的状况，是非常的简单与实用。四、实际应用 某泵轴承箱部位在运行过程当中振动超标，经过采样得到如图1的振动频谱图。图1：定位轴承端的振动频谱图该泵运行的工作转速1481 r/min，后端定位轴
11、承型号为SKF 7315B。通过查阅轴承样本并计算可以得出该轴承的部件特征频率：主轴的工频频率：f工=n/60=1481/60=24.68Hz轴承的内圈间隔频率：f内=174.11 Hz轴承的外圈间隔频率：f外=122.08 Hz倍数 频率f工f内f外f外1倍频24.68174.11122.0852.162倍频49.36348.22244.16104.323倍频74.04522.33366.24156.484倍频98.72696.44488.32208.645倍频123.4870.55610.4260.8轴承的滚动体的间隔频率：f外=52.16 Hz则可能出现的倍频: 单位: Hz再从频谱图的
12、谱线分布来看，振幅大的频率值与内圈的缺陷特征频率值及其倍频值很接近， 由此可以判断该轴承的内圈已经出现了缺陷；再从频谱图中出现了已经出现了多个倍频，而且边频带清晰可见，另外工频的谐波成分也增多、增大，因此表明已进入第三阶段的后期，应该安排更换轴承。后来在检修针对性的对该轴承内圈进行了检查，发现受力侧轴承的内圈已经出现了很明显的疲劳磨损痕迹（见图2），事实证实了频谱判断的准确性。图2：疲劳磨损后的轴承内圈图当然,轴承的部件损坏可能几个部件同时出现,共同作用产生我们所能检测到的振动频谱.只要对照轴承的特征频率,进行分析就可以得出准确的结果.如重油催化装置的泵306.泵型号为250Ys-150C,
13、开始表现为轴承箱驱动端振动偏大,经频谱采样得到如图3所示的频谱图,图3：P306驱动端轴承箱振动频谱图（上图为水平方向，下图为垂直方向）由频谱图可以看出：最大振速(mm/s)对应的频率(Hz)水平平方向上5.0585.98垂直方向上6.10171.20根据该泵的运行转速RPM=2975,驱动端所用的滚动轴承型号为SKF的7314B,经查轴承样本可得轴承的滚动体特征频率为104.2Hz,保持架的特征频率为20.42 Hz,由此可以看出,此轴承的保持架与滚动体已经同时出现了缺陷.产生了同作用的频率出现在实际的频谱图.对实际轴承的运行情况进行了其他参数的检查,也证实判断的可靠性,因为现场运行过程中轴
14、承的运行声音不均匀,存在冲击声,温度比平常值高，达到了85（当时气温约在20左右）,最后从检修的情况来看,正如频谱所显示的信息一样，该轴承的部分滚动体已经出现较为明显的疲劳磨损麻点（见图4）,保持架也受到了不同程度的磨损。图4：出现明显疲劳磨损麻点的滚动体这样的利用频谱诊断故障指导检修的例子在日常的设备维护过程中的应用还有很多，从总体的准确度来看，是比较高的，大大提高了对滚动轴承故障的判断有效性与准确性，从而也提高了日常可靠性维护的程度。五、结束语滚动轴承的故障诊断只是整个设备故障诊断的一个方面,设备的诊断技术是一门不断更新发展的科学,随着各种故障诊断技术、电子诊断系统的不断完善与进步，对设备故障诊断的全面性，准确性将不断的提高，对于滚动轴承的故障诊断技术也同样会获得同步的提升，但振动频谱分析技术是一个基础的技术理论与方法，在日常的设备维护，检修计划的制定将会不断的发挥着重要的作用。参考文献：1、 机械故障诊断学. 钟秉林.黄仁主编.机械工业出版社。1997.122、 滚动轴承应用，刘泽九 贺士荃 刘晖 编著 机械工业出版社 2007.52009年度技术论文振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用何宗旺建安公司机修一车间【精品文档】第 6 页