測振儀軸承故障--測振儀系列知識講座十八

測振儀軸承故障一、滾動軸承

滾動軸承的早期故障主要是：滾子和滾道剝落、凹痕、破裂、腐蝕和雜物嵌入。產生原因包括搬運粗心、安裝不當、不對中、軸承傾斜、軸承選用不正確、潤滑不足或密封失效、負載不合適以及制造缺陷。另外，新購的軸承有可能存在質量低劣的狀況，因此也要引起我們的注意。

這些故障在下圖中可以看到：

1）徑向振動在軸承故障特征頻率及其低倍頻處有峰。若有多個同類故障（內滾道、外滾道、滾子……），則在故障特征頻率的低倍頻處有較大的峰。

2）內滾道故障特征頻率處有邊帶，邊帶間隔為1×轉頻。

3）滾動體故障特征頻率處有邊帶，邊帶間隔為保持架故障特征頻率。

4）在加速度頻譜的中高頻區(qū)域若有峰群突然生出，表明有疲勞故障。

5）徑向振動時域波形有重復沖擊跡象（有軸向負載時，軸向振動波形與徑向相同），或者其峰值指標大于5，表明故障產生了高頻沖擊現(xiàn)象。

                           a—正常軸承；b—外圈疲勞；c—鋼球疲勞；d—內圈疲勞

                                               軸承疲勞時的加速度頻譜

測振儀軸承故障二、故障分析

1）頻域

①確認故障特征頻率處有峰，表明存在該種故障，若還有明顯的倍頻成分，表明故障嚴重。

②確認內滾道特征頻率處不但有峰，還有間隔為1×轉頻的邊頻，表明有內滾道故障。

③確認滾子特征頻率處不但有峰，還有邊頻，表明有滾子故障。

④確認高頻區(qū)域有峰群出現(xiàn)，表明軸承有疲勞故障。

⑤若軸向有負載，則可注意軸向滾動。與徑向振動有類似特征。

2）時域

可能有重復沖擊現(xiàn)象，但很小。重復率等于故障特征頻率。

測振儀軸承故障三、 滾動軸承頻率結構

當滾動體和滾道接觸處碰到一個局部缺陷時，就會產生一個沖擊脈沖。缺陷在不同的元件上，接觸點通過缺陷時產生的沖擊脈沖頻率是不同的，這個頻率就稱之為特征頻率。那么，只要檢測到這個特征頻率，就能夠確定元件缺陷部位。

滾動軸承有通過頻率和固有頻率兩類特征頻率，其計算分別介紹如下：

1．通過頻率：（設：外滾道固定，內滾道與軸一起處于轉動的狀態(tài)）

1）內滾道（環(huán)）通過頻率f_i：

            

2）外滾道（環(huán)）通過頻率f_o：

               

3）保持架通過頻率f_c：

① 保持架碰內滾道（環(huán)）的通過頻率f_ci：（即：保持架的轉速頻率）

             

② 保持架碰外滾道（環(huán)）的通過頻率f_co：

               

4）滾動體（滾子）通過頻率f_b：

① 滾動體沖擊單側滾道通過頻率f_b1：（即：滾動體的自轉頻率）

               

② 滾動體沖擊兩側滾道通過頻率f_b2：

                 

式中：

f_r—— 滾動軸承內滾道的回轉頻率，f_r= n / 60（Hz），n為內滾道的回轉的轉速（r/min）；

d—— 滾動體直徑（mm）；

D_m—— 軸承平均直徑（mm），=（滾動軸承外徑+滾動軸承內徑）/ 2，見圖4-25所示；

z—— 滾動體個數(shù)；

α—— 接觸角，對于止推軸承α= 90°、對于滾動體是球形軸承一般取α= 0° 。

2. 滾動體固有頻率的計算：

 （Hz）             

3．內、外滾道固有頻率的計算：

        

公式中：

E—— 材料的彈性模數(shù)，Pa，鋼材為2100 GPa ；

I—— 滾道縱向截面的慣性矩，m⁴；

g—— 重力加速度，1g= 9.8m/s²；

—— 材料的密度，kg/m³；

A—— 滾道縱向截面面積，A= bh，m²；

h—— 滾道厚度；m²；

b—— 滾道寛度；m²；

D_m—— 軸承平均直徑，m²；

r —— 滾動體的半徑，m ；

n —— 振動階數(shù)，n=2、3、…。

          

                       滾動軸承徑向、軸向彎曲振動                                                 徑向滾動軸承幾何尺寸

 

4．滾道與滾動體波紋度引起振動的故障特征頻率：

                                           內滾道波紋峰數(shù)與外滾道徑向振動關系示意圖

滾動軸承的內、外滾道是經(jīng)過精加工的，雖然明顯的起伏加工波紋并不存在，但是一些微小的加工波紋也會引起軸承的振動，其振動頻率與波紋的數(shù)目N有關，其波峰數(shù)等于：N×z 。

在上圖中，滾動體的數(shù)目z = 8 (個)，波紋的數(shù)目N = 1(個)。那么波峰數(shù)就等于：N×z = 8×1 = 8，則8個波峰都同時與8個滾動體相接觸，這樣外滾道就不會產生徑向移動。當波峰數(shù)等于（N×z）±1時，波峰數(shù)= 7或9的情況，可以看見滾動體 ① 和 ⑤ 對稱位置上內滾道的波峰不同（① 在波峰而 ⑤ 在波谷）引起。此時在 ① 處由于內滾道的波峰將會使外滾道產生如圖中箭頭所指方向的位移，引起了內滾道的振動。顯然，外滾道、滾動體都在振動。其振動頻率（即故障特征頻率）如下表所述。

表  軸承滾動面波峰數(shù)與故障特征頻率計算公式關系表

 

軸承元件	波峰數(shù)		振動頻率
	徑向或角度方向	軸向	徑向或角度方向	軸向
內滾道	Nz±1	Nz	Nzfi±1	Nzfi
外滾道	Nz±1	Nz	Nzfo	Nzfo
滾動體滾動面	2N	2N	2Nfb±1	2Nfb±1

注：N為正整數(shù)（N=1，2，3，…），z 為滾動體個數(shù)，其余見前面所述。

 

5．滾動體大小不均勻和內、外滾道偏心振動頻率計算

1）滾動體大小不均勻和內、外滾道偏心振動頻率計算：

nf_c ± f (n=1，2，3，…)                    (4-10)

2）外滾道偏心振動頻率計算：

nf_r ( f_r為軸轉頻，n=1，2，3，…)               (4-11)

 

測振儀軸承故障四、滑動軸承

滑動軸承可能有多種故障，其中包括間隙過大，油膜渦動和油膜振蕩以及摩擦。造成這些故障的原因是裝配不當，潤滑不良，負荷欠妥，長久磨損及軸承設計不當。

1. 間隙過大（無渦動）

軸與軸承間隙過大，這種情況類似于不對中和機械松動，應注意其區(qū)別。其頻譜和波形特征如下：

               滑動軸承間隙過大振動頻譜

1）徑向振動較大，特別是垂直方向：

① 有穩(wěn)定的l×、2×或3×轉頻分量；

② 可能有明顯的高次諧波分量（4～10）×轉頻。

2）可能有較大的軸向振動，特別對于止推軸承：

① 有穩(wěn)定的l×、2×或3×轉頻分量；

② 可能有較高次諧波分量。

3）徑向和軸向時域波形為穩(wěn)定的周期波形占優(yōu)勢，每轉一圈有1、2或3個峰值。沒有較大的加速度的沖擊現(xiàn)象。若軸向振動與徑向振動大小相近，表明問題嚴重。

故障診斷：

1）確認頻譜中有穩(wěn)定的1×、2×或3×轉頻分量并占優(yōu)勢。垂直方向比水平方向振動更大。相對較小的（4～10）倍頻成分，但可能仍較顯著。

2）檢查軸向振動，可能與徑向頻譜類似。若與徑向振動大小相近，表明問題嚴重。

3）確認時域波形中穩(wěn)定的周期波形占優(yōu)勢，每轉一圈有1、2或3個峰值。沒有較大的加速度的沖擊現(xiàn)象。

說明：

l）間隙過大與不對中的區(qū)分可根據(jù)以下兩點：

① 間隙過大時垂直方向振動比水平方向更大；而不對中時垂直與水平方向振動相同；

② 間隙過大時（4～10）×轉頻分量較顯著，類似于機械松動的現(xiàn)象；而不對中時高次諧波小。

2）間隙過大與機械松動的區(qū)分可根據(jù)以下兩點：

① 間隙過大時其時域波形為穩(wěn)定的周期波形占優(yōu)勢，且沒有大的沖擊現(xiàn)象；而機械松動時其時域波形較雜亂，有明顯的非周期性信號使波形不穩(wěn)定；

② 間隙過大時軸向振動可能較大，特別是止推軸承；而機械松動時軸向振動較小或正常。

3）一般應在排除了機械松動的可能性之后再確認間隙過大。

2. 油膜渦動和油膜振蕩

在軸與軸承間隙太大或機組熱態(tài)不對中等引起較大振動的情況下，若加之軸承設計不當、潤滑不良或由于載荷、轉速的突變破壞了正常潤滑狀態(tài)，可能產生油膜渦動。在此情況下，如果轉速高于軸系一階臨界轉速的兩倍，則渦動可能發(fā)展成更危險的油膜振蕩。其頻譜、和波形特征如下。

1）較大的徑向振動。頻譜中有明顯而穩(wěn)定的渦動頻率分量——（0.42～0.48）×轉頻分量?？赡苡懈叽沃C波分量。

2）軸向振動在渦動頻率處的分量較小。

3）若在一階臨界轉速頻率處出現(xiàn)顯著峰值，則表明已出現(xiàn)油膜振蕩。

4）時域波形中穩(wěn)定的周期信號確占優(yōu)勢，每轉一周少于一個振蕩時的頻譜、波形

峰值，沒有較大的加速度沖擊。

                   a—頻譜；b—波形

                                    滑動軸承油膜渦動或油膜

3. 故障診斷

1）確認徑向振動頻譜中有顯著而穩(wěn)定的（0.42～0.48）×轉頻分量（看起來象是1/2×轉頻分量，須仔細分辨）?？赡苡休^大的高次諧波分量。

2）確認軸向振動的渦動頻率處分量較小。

3）確認時域以穩(wěn)定的周期波形為主，每轉一周少于一個峰值。沒有較大的加速度沖擊。

說明：

1）為了區(qū)分渦動頻率（0.42～0.48）×轉頻分量與機械松動或軸承摩擦產生的1/2×轉頻分量，須使用高分辨力頻譜和峰值標記。為此，應設置足夠多的譜線數(shù)、使頻率分辨力達到轉速的（2～5）%。如機器轉速為7500r/min，分析頻率2000Hz，要求分辨力達到2%轉頻=7500/60×2% =2.5Hz，則譜線數(shù)N=2000/2.5=800（條）。 若分析頻率改為1000Hz，則譜線數(shù)N=1000/2.5=400（條）。

2）機器起動過程中，如果達到臨界轉速時油膜渦動開始出現(xiàn)，則當轉速超過臨界轉速后渦動仍會存在，當轉速超過臨界轉速的兩倍時，油膜振蕩有可能出現(xiàn)。一旦出現(xiàn)油膜振蕩，振幅急劇增大，即使再提高轉速，振幅也不會減小。

3）渦動頻率與軸和軸承間隙有關，間隙增大時渦動頻率減小。摩擦有可能激發(fā)渦動。

4）具有導向軸承的長垂直軸容易發(fā)生渦動，部分原因是由于軸上靜載小。由其它液體潤滑軸承時也容易出現(xiàn)渦動，例如，具有水潤滑導向軸承垂直提升泵。

 

測振儀軸承故障五、摩擦

軸頸與軸承表面直接接觸就發(fā)生磨擦，摩擦可以是間斷的或連續(xù)的。引起摩擦的原因是潤滑不足，間隙不適當，載荷不正確或其它故障造成的較大振動。摩擦往往造成軸的反向渦動。其頻譜和波形特征如下：

1）對于間斷性摩擦：

① 徑向振動較大，有不穩(wěn)定的1/2、1/3或1/4×轉頻分量，類似于機械松動引起的1/2×轉頻分量；

② 時域波形中有不穩(wěn)定的沖擊信號占優(yōu)勢，軸每轉一圈只有少于一個的峰值；

③ 軸向振動小。

2）對于連續(xù)摩擦：

① 徑向振動大（止推軸承除外），高頻部分能量較大；

② 時域波形中有不穩(wěn)定的“噪聲”信號；

③ 軸向振動?。▽τ谥雇戚S承，有摩擦時其軸向振動大于徑向振動）。

故障診斷：

l）確認徑向振動大（止推軸承除外）：

① 若頻譜中有不穩(wěn)定的1/2、1/3或1/4×轉頻分量，則可能是間斷性摩擦；

② 若頻譜中高頻部分能量大，則可能是連續(xù)性摩擦。

2）若時域波形有不穩(wěn)定的沖擊信號占優(yōu)勢，軸每一轉只有少于一個的峰值，則可能是間斷性摩擦；若時域波形中有不穩(wěn)定的“噪聲”信號，則可能是連續(xù)性摩擦。

3）確認軸向振動?。ㄖ雇戚S承的軸向振動大于徑向振動）。

說明：

1）摩擦可激發(fā)結構共振，共振頻率在高頻范圍。由于連續(xù)摩擦造成的共振較大，所以其高頻能量大。

2）為了確認連續(xù)摩擦時的高頻振動能量大，也可在低頻10～1000Hz和高頻100～10 000Hz范圍內分別測量其振動有效值并進行比較。

注：測振儀系列知識講座為連載文章，希望大家繼續(xù)關注。閱讀本文的用戶還對以下文章感興趣：
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