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摘 要：從工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用介紹滾動(dòng)軸承故障發(fā)生過程及故障發(fā)展中各階段的特征，應(yīng)用振動(dòng)頻譜診斷技術(shù)對滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行診斷的方法和經(jīng)驗(yàn)。
滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用廣泛，同時(shí)也是易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的許多故障都與滾動(dòng)軸承有關(guān)，軸承的工作好壞對機(jī)械的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞設(shè)備。對滾動(dòng)軸承進(jìn)行正確的狀態(tài)監(jiān)測及診斷，是現(xiàn)代化企業(yè)的設(shè)備優(yōu)化管理及預(yù)知維修的一個(gè)重要方面。
一、滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的四個(gè)階段
對應(yīng)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)組成，滾動(dòng)軸承有4種故障頻率：滾動(dòng)軸承保持架故障頻率（FTF），滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體故障頻率（BSF），滾動(dòng)軸承外圈故障頻率（BPFO），滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障頻率（BPFI）。對于這些軸承故障頻率的求取，有專門的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，不過在實(shí)際工作中計(jì)算比較麻煩，較方便的方法是利用專門的軟件獲得，如美國羅克韋爾自動(dòng)化ENTEK公司的Odyssey軟件中就帶有該功能插件，只要輸入軸承型號及生產(chǎn)廠家等信息，就可得到對應(yīng)的各種軸承故障頻率。
一般把滾動(dòng)軸承故障的發(fā)展分為4個(gè)階段（圖1）：
第一階段，即軸承開始出現(xiàn)故障的萌芽階段，這時(shí)溫度正常，噪聲正常，振動(dòng)速度總量及頻譜正常，但尖峰能量總量及頻譜有所征兆，反映軸承故障的初始階段。這時(shí)真正的軸承故障頻率出現(xiàn)在超聲段大約20～60kHz范圍。
第二階段，溫度正常，噪聲略增大，振動(dòng)速度總量略增大，振動(dòng)頻譜變化不明顯，但尖峰能量有大的增加，頻譜也更加突出。這時(shí)的軸承故障頻率出現(xiàn)在大約500Hz～2kHz范圍。
第三階段，溫度略升高，可耳聽到噪聲，振動(dòng)速度總量有大的增加，且振動(dòng)速度頻譜上清晰可見軸承故障頻率及其諧波和邊帶，另振動(dòng)速度頻譜上“噪聲地平”明顯升高，尖峰能量總量相比第二階段變得更大、頻譜也更加突出。這時(shí)的軸承故障頻率出現(xiàn)在大約0～1kHz范圍。建議于第三階段后期予以更換軸承，那么此時(shí)應(yīng)該已經(jīng)出現(xiàn)肉眼可以看到的磨損等滾動(dòng)軸承故障特征。
第四階段，溫度明顯升高，噪聲強(qiáng)度明顯改變，振動(dòng)速度總量和振動(dòng)位移總量明顯增大，振動(dòng)速度頻譜上軸承故障頻率開始消失，被更大的隨機(jī)的寬帶高頻“噪聲地平”取代；尖峰能量總量迅速增大，并可能出現(xiàn)一些不穩(wěn)定的變化。絕不能讓軸承在故障發(fā)展的第四階段中運(yùn)轉(zhuǎn)，否則將可能發(fā)生災(zāi)難性破壞。
根據(jù)研究結(jié)果，一般的，如果滾動(dòng)軸承的整個(gè)使用壽命是L10，那么從軸承安裝投入使用時(shí)計(jì)起，在它的前80%L10。壽命時(shí)間段內(nèi)，軸承是一切正常的。而接下來對應(yīng)滾動(dòng)軸承故障發(fā)展，其剩余壽命在第一階段為10%～20%L10，第二階段為5%～10%L10，第三階段為1%～5%L10，第四階段約為1h或者1%L10。因此，在實(shí)際工作中面臨軸承問題時(shí)，考慮到軸承故障發(fā)展的第四階段具有不可預(yù)見的突發(fā)危害性，建議于第三階段后期予以更換軸承，這樣既可以避免故障的擴(kuò)大和更嚴(yán)重事故的發(fā)生，又能盡量保證滾動(dòng)軸承的使用壽命，并且根據(jù)此時(shí)軸承上也已經(jīng)出現(xiàn)肉眼可以看到的磨損、零部件損壞等滾動(dòng)軸承故障特征，比較有說服力。至于軸承故障發(fā)展的第三階段后期的識別，則需要依據(jù)上述理論特征再結(jié)合實(shí)際的溫度、噪聲、速度譜、尖峰能量譜、速度和尖峰能量的總量趨勢及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)予以綜合考慮。經(jīng)本廠實(shí)踐證明，該診斷方法行之有效，診斷的成功率較高。
二、診斷實(shí)例
使用美國羅克韋爾自動(dòng)化ENTEK公司的 DP1500數(shù)據(jù)采集器采集現(xiàn)場振動(dòng)數(shù)據(jù)（主要是振動(dòng)速度、尖峰能量的總量和頻譜），回傳到計(jì)算機(jī)相應(yīng)的軟件，在軟件中進(jìn)行趨勢、頻譜的分析診斷。
1．滾動(dòng)軸承外圈故障
2003年6月5日在定期檢測中發(fā)現(xiàn)4#循環(huán)水泵外側(cè)軸承振動(dòng)與前次測值相比增大很多，并已超過標(biāo)準(zhǔn)，于是對其進(jìn)行進(jìn)一步分析診斷。該泵電機(jī)功率250kW，轉(zhuǎn)速994r/min，簡支結(jié)構(gòu)，外側(cè)軸承型號為ZXN316。
從圖2中趨勢圖可看出，振動(dòng)值比正常時(shí)增長了近3倍，達(dá)到了16.2mm/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。從頻譜圖可看出，在常規(guī)的0～1kHz范圍內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的軸承外圈故障頻率及其2、3、4、5、6倍諧波，且每次諧波兩邊都有多級轉(zhuǎn)速邊帶（在瀑布圖上之前的相同位置并未出現(xiàn)）。結(jié)合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承的外圈出現(xiàn)故障，并已處于滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的第三階段后期，為避免故障擴(kuò)大損壞設(shè)備應(yīng)該予以更換。
解體檢查結(jié)果證明判斷準(zhǔn)確，外圈滾道確有嚴(yán)重剝落損傷，另外其內(nèi)圈也損傷嚴(yán)重（這說明有時(shí)候頻譜上反映軸承某元件有較明顯的故障頻率，實(shí)際檢查時(shí)會發(fā)現(xiàn)該軸承其他元件有更嚴(yán)重?fù)p傷，但對于使用企業(yè)而言，主要是準(zhǔn)確判斷了滾動(dòng)軸承故障，無論該軸承哪個(gè)元件有故障，其處理結(jié)果都是一樣的）。
2．滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障
2003年6月香海熱電廠2#機(jī)1#凝結(jié)水泵泵外側(cè)軸承于運(yùn)行中振動(dòng)逐漸變大，并出現(xiàn)時(shí)有時(shí)無的異音，經(jīng)過一段時(shí)間的跟蹤監(jiān)測，該泵振動(dòng)一直呈上升趨勢。該泵電機(jī)功率37kW，轉(zhuǎn)速為3000r/min，懸臂結(jié)構(gòu)，兩軸承型號均為ZWZ6310。
從圖3中可看出振動(dòng)值一直呈上升趨勢，內(nèi)側(cè)軸承水平振動(dòng)達(dá)到7.2mm/s，比正常時(shí)增長了近3倍，超過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。另外從外側(cè)軸承的垂直方向尖峰能量總量趨勢圖（圖4）上也可以看到尖峰能量也在不斷上升。
從頻譜圖（圖5）中，可看出在常規(guī)的0～1kHz范圍內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的軸承內(nèi)圈故障頻率及其2、3、4倍諧波，每次諧波兩邊都有多級轉(zhuǎn)速邊帶，且有一個(gè)鮮明的特點(diǎn)是內(nèi)圈故障頻率沒有其倍數(shù)諧波大，倍數(shù)諧波沒有其zui近的轉(zhuǎn)速邊帶大，所有的頻率分量以軸承內(nèi)圈故障頻率的4倍諧波的右屬第一條轉(zhuǎn)速邊帶強(qiáng)。結(jié)合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承的內(nèi)圈出現(xiàn)故障，并已處于滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的第三階段后期，為避免故障擴(kuò)大損壞設(shè)備應(yīng)該予以更換。
經(jīng)檢修解體檢查確認(rèn)，內(nèi)圈滾道確有兩處明顯的滾動(dòng)碾壓剝落損傷，另外該軸承保持架上一鉚釘脫落、保持架一處斷裂、三個(gè)滾珠有明顯大疤。事實(shí)證明判斷準(zhǔn)確，故障的起因就是保持架鉚釘脫落，然后進(jìn)入軸承內(nèi)圈滾道碾壓。
3．滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體故障
2006年9月香海熱電廠3#中繼水泵軸承室振動(dòng)噪聲明顯較大，水平振動(dòng)達(dá)到了17.4mm/s，遠(yuǎn)超過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，垂直振動(dòng)則處于不穩(wěn)定狀態(tài)，振動(dòng)測量瞬間值有時(shí)很高。該泵電機(jī)功率160kW，轉(zhuǎn)速為3000r/min，懸臂結(jié)構(gòu)，泵軸承分別為ZWZ7312和ZWZ316。
在常規(guī)速度頻譜上并未發(fā)現(xiàn)明顯的故障頻率，在水平方向的速度頻譜圖（圖6）上振動(dòng)相對穩(wěn)定，但振動(dòng)總量超標(biāo)達(dá)到了17.4mm/s；而在垂直方向的速度頻譜（圖7）上出現(xiàn)了低頻不穩(wěn)定的頻譜成分，它使得振動(dòng)速度和振動(dòng)位移的測量值都不穩(wěn)定，有時(shí)的瞬間測量值更是高得離譜，認(rèn)為它是軸承內(nèi)產(chǎn)生的一種低頻摩擦，與噪聲相關(guān)。在尖峰能量頻譜（圖8）上，則可清晰地看到了ZWZ7312軸承的滾動(dòng)體故障頻率和它的2、3、4、5、6多次諧波。綜合考慮振動(dòng)大小、噪聲情況、溫度變化及振動(dòng)變化率等多方面因素，可以得出結(jié)論：ZWZ7312軸承的滾動(dòng)體產(chǎn)生了損傷故障，引起了摩擦，已不適合繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)停泵檢查更換，以避免故障擴(kuò)大。
檢修解體檢查，確實(shí)是滾動(dòng)體產(chǎn)生了較嚴(yán)重的損傷尊”落，經(jīng)更換軸承后運(yùn)行測試，振動(dòng)恢復(fù)正常。
4．滾動(dòng)軸承外圈松動(dòng)（即跑外圈）故障
2005年11月10日在定期檢測中發(fā)現(xiàn)2#機(jī)1#射水泵的電機(jī)軸承振動(dòng)出現(xiàn)異常變化，并已超過振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還伴有異音。該泵電機(jī)功率75kW，轉(zhuǎn)速1500r/min，簡支結(jié)構(gòu)，其電機(jī)軸承型號為ZWZ6317o
從該電機(jī)軸承軸向振動(dòng)頻譜、瀑布、趨勢綜合圖（圖9）的趨勢圖上可看出振動(dòng)值一直呈上升趨勢，達(dá)到9.4mm/s，遠(yuǎn)超過了振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；另外從該電機(jī)軸承水平振動(dòng)尖峰能量頻譜、瀑布、趨勢綜合圖（圖10）可以看到尖峰能量也出現(xiàn)了上升趨勢。
從圖9、圖10頻譜上，都出現(xiàn)了明顯的多次轉(zhuǎn)速諧波，這是明顯的松動(dòng)特征。結(jié)合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承出現(xiàn)的是外圈松動(dòng)（即跑外圈）故障，根據(jù)異音程度及振動(dòng)速度的有效值比較大超過振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，為避免故障擴(kuò)大損壞設(shè)備應(yīng)該予以停機(jī)檢查。
經(jīng)檢修解體檢查確認(rèn)，電機(jī)內(nèi)滾動(dòng)軸承外圈表面有滾動(dòng)創(chuàng)傷及滾動(dòng)痕跡，對應(yīng)電機(jī)端蓋內(nèi)表面有砂眼及臺階狀滾磨痕跡，且軸承與端蓋之間間隙較大充滿油污?？紤]到電機(jī)內(nèi)端蓋尺寸改變，只更換軸承是不能解決松動(dòng)問題的，于是將電機(jī)端蓋進(jìn)行內(nèi)表面噴涂加工，同時(shí)更換電機(jī)內(nèi)滾動(dòng)軸承。振動(dòng)恢復(fù)為
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