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軸承故障
一。 緒言
軸承的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測是機械設備故障診斷技術(shù)的重要內(nèi)容。
旋轉(zhuǎn)機械的故障中軸承的損壞故障約占30%。
軸承的運行質(zhì)量除軸承元件本身的加工質(zhì)量外，軸承的安裝及裝配質(zhì)量影響很大。
滾動軸承的失效形式:
疲勞點蝕 :  因受滾動壓應力
磨損: 因受壓力又有與內(nèi)外座圈的相對滑動    
腐蝕:  潤滑油中的水分幾其它化學物質(zhì)產(chǎn)生銹蝕
裂紋:   由于磨削或淬火時作用而產(chǎn)生
磨粒磨損:   由于磨屑作用而磨損
失效分析方法簡介:
      *判定失效形式
      *判定誘發(fā)失效的原因
分析程序：《以軸承為例》
1.了解情況
    1）了解工作條件
    2）載荷情況
    3）轉(zhuǎn)速情況
    4）潤滑情況
    5）溫度與介質(zhì)
二。滾動軸承的振動
隨機振動
由于滾動元件的不圓度及表面的粗糙度引起；
又由于軸承工作，使不圓度及    表面粗糙度增大。
2.受機器各種振動的激勵而引起滾動軸承各元件的諧振
1）    鋼球的諧振頻率FBR
         fbr=0.848/2r*(E/2ρ)1/2
               E—彈性模量 N/m2
               P—滾動元件材料密度 kg/m3
               R—滾動元件半徑 m
2  軸承座圈諧振頻率FRR
       Frr=K* (K2 –1)*a-2 ( EI／M) -2
             a—回轉(zhuǎn)軸線到中性軸半徑 m
             K—共振階數(shù)
             I—座圈繞中性軸的慣性矩 m4
            M—座圈的單位長度的質(zhì)量 kg/m

1.   內(nèi)圈有剝落fi=fo/2(1+dcosβ/D) Z
2.    外圈有剝落 fo= fo/2(1+dcosβ/D) Z
3.    滾動體剝落 fb= Dfo/d[1-(d/D)2cos2β]
4.    保持架有故障 fc=fo/2(1- dcosβ)m
Fo—軸承轉(zhuǎn)頻率
Z—滾珠個數(shù)
d—滾珠直徑（參閱左圖）
D—軸承滾道節(jié)徑
β—接觸角
m—斷裂數(shù)
*注：不論元件上剝落坑有多少，頻率不變。

4. 裂紋的擴展
裂紋的產(chǎn)生及在受載工作中繼續(xù)擴展，不但會引起振動，而且能量還會以熱和聲發(fā)射形式釋放出來。
三。 軸承各種振動在頻譜中的位置
Ⅰ— 各種故障頻率范圍（幾十—幾百 hz）
Ⅱ— 共振頻率范圍（幾十—幾k hz）
Ⅲ— 聲發(fā)射范圍（幾十—幾十k hz）
聲發(fā)射頻帶很寬，工程上都在比較高的頻段中來捕捉聲發(fā)射的信號
四 軸承監(jiān)測與故障診斷方法
1.    振動測試
2.    噪聲測試
3.    溫度測定
4.    油液分析（磨屑分析）
5.    軸承間隙測定
6.    油膜電阻測定
1。振動（噪聲）頻譜分析法
經(jīng)時域多段平均處理后
50HZ——軸頻
 36.1HZ——保持架通過頻率
 200.91HZ——外圈通過頻率
 380HZ——滾動體通過頻率
有故障的滾動軸承倒頻譜分析圖特征值
q1—9.470MS（105.60HZ）—
                                         滾珠故障頻率
q2—37.90MS（26.39HZ）——
                                         內(nèi)圈故障頻率
3、SPM（SHOCK PULSE METHOD）和IFD（INCIPIENT  FAILURE  DETECTION）法
原理：故障所引起的低頻（通常是數(shù)百HZ以內(nèi)）沖擊脈沖激起了高頻（數(shù)十倍于沖擊頻率）共振波形，對它進行包絡、檢波、低通濾波（即解調(diào)），會獲得一個對應于低頻沖擊的而又放大并展寬的共振解調(diào)波形。
共振解調(diào)波的優(yōu)點
1）剔除了低頻振動干擾
2）含有未知的故障信息（即S/N↑）
對于共振解調(diào)波后續(xù)處理方法不同，可分為SPM及IFD法
1）    SPM法
它是應用共振解調(diào)波的幅值來進行診斷。共振解調(diào)波通過峰值檢波、平均、保持、測得沖擊量值SV。
再用一經(jīng)驗公式獲得均一化沖擊量值

DBN=20log＊2000＊SV／n＊Do.6
 
SPM法沖擊判別值
0dB        正常狀態(tài)  顯示在綠框
20 dB     不好狀態(tài)  顯示在黃框
35dB      壞的狀態(tài)  顯示在紅框

2）   IFD法
該法既應用共振解調(diào)波的幅值又利用它的頻率信息，即對共振解調(diào)波進行FFT后做頻譜分析，尋找上節(jié)中提到的軸承各元件故障對應的頻率。
4、振動的簡易診斷法
可用簡易的測振儀來獲得軸承工況的信息。
可用多種參數(shù)，如波峰因素、峭度、歪度等。
可直接觀察時域 波形
五。   實例
1、某變速箱輸出軸后軸承（型號為50309）滾動體外圈有點蝕，
測試時發(fā)現(xiàn)：
                      時域信號出現(xiàn)調(diào)制峰群
輸入軸轉(zhuǎn)速為1484rpm時：
2258.3Hz為外圈共振頻率
故障調(diào)制頻率：
                      34.47Hz外圈故障
                      23.06Hz滾珠故障
2 同一減速機另一次測振時結(jié)果（中間軸軸承）（型號50308）
1）、2258.3Hz為外圈共振頻率
2）、34.32Hz為外圈故障通過頻率
3）、53.1Hz為內(nèi)圈故障通過頻率
第二部分 滑動軸承故障及其診斷
一.滑動軸承的故障
1.    潤滑不良
2.    間隙不當（間隙過大，間隙過?。?br />3.    軸瓦碰摩
二.潤滑不良引起的振動
1. 半速渦動 ωj=ω/ 2     ω—軸角頻率
        ωj—軸徑中心O’ 繞軸承中心旋轉(zhuǎn)角頻率，方向同。
一般ωj ≤ ω/ 2
2. 油膜振蕩
              當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速兩倍時，而
ωj= ω/2= ωr，此時會產(chǎn)生激 烈振動，振幅突然升高。
       ωr —諧振角頻率
3.油液不結(jié)會引起運轉(zhuǎn)不穩(wěn)
           指軸與軸瓦間不能形成穩(wěn)定油膜來支撐轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)
三. 滑動軸承軸瓦間隙不當引起的振動。
1.    間隙過小——不能形成穩(wěn)定的油膜層，有小的高頻的振動，間有低頻振動。
   * 可以通過瓦溫與回油溫度即可判別。
    2.    間隙過大——主振頻率為軸頻Fo（與不 平衡及平行不對中故障類似）徑向振動大。
    3.    * 不同處 A）單一方向定向振動（松動是上下的）
             B）振動隨負荷增大而增大
             C）降低油溫，振動會有下降
             D）頻譜圖上會出現(xiàn)高頻成分

四. 滑動軸承軸瓦碰摩引起振動
1.    產(chǎn)生高頻和分頻成分，但不是線性，幅值不穩(wěn)定
2.    與純間隙不當?shù)恼駝?，頻譜更豐富（包括高、低頻）
3.    碰摩愈重，1/2分頻越突出
五. 實例
1.    空壓機  額定轉(zhuǎn)速7560r/min，額定功率4170kW，五塊可傾徑向軸承。
問題：從7000r/min提升7050r/min，壓縮機兩端產(chǎn)生振動，主頻在1/3Fo，即使再降低轉(zhuǎn)速每明顯好轉(zhuǎn)。
處理：把油溫降低50C
反應：振動值下降從160μm降至150μm，主頻轉(zhuǎn)為Fo
判定：由于油膜不潔而不穩(wěn)定，引起軸瓦和軸徑干摩擦，潤滑不良
維修：把油過濾除去油中雜質(zhì)及水分
效果：一切正常
2.    空壓機
額定功率2500kW，額定轉(zhuǎn)速8290r/min，五塊可傾徑向軸承
問題：開車后發(fā)生間隔2小時的間歇振動，且振動循環(huán)周期越來越短，603ch達滿量程，主導頻率為軸頻F0，體現(xiàn)定向振動最后只得降負荷降轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。
   判定：軸瓦間隙不當（過大）
3.    富氧壓縮機
額定轉(zhuǎn)速12552r/min
問題：汽輪機靠聯(lián)軸節(jié)端9號瓦振動偏高
分析及處理：在譜圖上除f0外，有f0的2.3……高倍頻成分，隨負荷增大，振動值明顯增大
判定：軸瓦間隙過大
解體觀察：9號軸瓦軸承座下面固定螺栓松脫，造成軸瓦松動，使間隙偏大
4.    循環(huán)機壓縮機
額定功率1860KW，額定轉(zhuǎn)速72094R/MIN，五塊可傾瓦徑向軸承

問題：
壓縮機曾進水并造成機組功率突然提高，排水后重新開車，振動惡化。
      在800ch，振值由4μm增到10μm
      在801ch，振值達滿量程
      但機組軸瓦溫度及潤滑油溫度沒變化
測定：
F0二陪頻振值明顯增大，在1/2 F0 處出現(xiàn)低值寬帶，但振值不穩(wěn)定，機組負荷由80%提高到85%時，全頻道振值增大，在1/2處振幅增大更明顯。
判定：
由于進水后，機組功率增大，造成轉(zhuǎn)子與末端軸瓦摩碰，使支撐油膜破壞引起激烈振動，隨負荷增加情況惡化。
開機檢查：五塊瓦均有不同程度研磨
六.實驗分析
用短時付氏變換
S(t.f）=∫-∝+∝x(t)h(t-?)e￣2j?f?d?
分析實驗結(jié)果：
1.    非接觸摩擦（有潤滑油）：大多分布在3KHz以下

2.    輕度摩擦
（停油，留有一定油量，軸承間油膜時有破裂，軸與軸承短暫接觸）無論頻率還是幅值波動較大，主頻大致在6KHZ到10KHZ
3.    嚴重摩擦
油膜完全破裂，軸與軸承持續(xù)接觸）
 由于軸與軸承連續(xù)接觸，接觸面較大，摩擦力的沖擊則較小且穩(wěn)定，所以振值反而比輕度摩擦微笑且平穩(wěn)，其主頻大致在6KHZ左右。
七. 小經(jīng)驗介紹：
1.    某廠在長年監(jiān)測基礎上得出了一條非常有效而實用的經(jīng)驗：在軸承座的鉛垂方向和水平方向同時監(jiān)測其振動值時，由于軸承座的水平方向剛性小，因此一般來講水平方向振動值大于鉛垂方向。
一旦鉛垂方向的振值>水平方向的振值時，則軸瓦振裂。
由于軸瓦振裂，間隙增大，剛性減小會出現(xiàn)各種振動頻率成分，并使整個振動振幅增大。

2.    軸承運轉(zhuǎn)聲音的診斷
設備開動，各部軸承都在飛速運轉(zhuǎn)，必然產(chǎn)生各種聲響。這些聲響中，有的屬于正常的聲響，有的則屬于異常聲響。異常的聲響表現(xiàn)為滾動軸承或滑動軸承的故障先兆或是故障正在形成，或已經(jīng)發(fā)生。因此，我們就要通過各種聲響，采取不同的辦法加以排除，以保證設備正常運行。
滾動軸承或滑動軸承在運轉(zhuǎn)中，其正常的工作狀態(tài)是：運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輕快、無停滯現(xiàn)象，發(fā)出的聲音和諧，而無任何雜音。如為“嘩嘩”聲音，均勻連續(xù)而無間斷，則為正常的聲響，亦說明潤滑良好。若有下列聲響者，就是潤滑不良的聲音或其他故障聲響：如“咝咝”的聲音：是軸承內(nèi)加脂量不夠，缺少油脂所致，正確的是油的粘度應高些，填充空隙在1/2~1/3之間，潤滑油面的高度一般不超過最低的一個鋼球的中心線。
“咝咝、沙沙”的聲音，是設備停機時間過長或是軸承徑向間隙過小，形成不了良好的潤滑油膜，應清洗調(diào)整。
     “嘩嘩”的聲音中有周期性的“嗬羅！嗬羅”聲音，則表明內(nèi)外圈滾道出現(xiàn)傷痕、溝槽、銹蝕斑點等現(xiàn)象。

“哽哽”聲音，且不連續(xù)，則說明滾動軸承保持架或內(nèi)外圈有裂紋，經(jīng)過運轉(zhuǎn)沖擊裂紋加深加大，是潤滑不良所致。
       “嚓嚓！”的聲音，且極規(guī)則，不均勻，則說明裝配時或保養(yǎng)中掉入雜物，即鐵屑、砂粒或潤滑油不干凈，加油時帶入的雜質(zhì)。
“沙沙！”的連續(xù)且不規(guī)則的聲音，有可能是內(nèi)圈有軸配合過松，或外圈與軸承孔配合過松所致。
      “刺耳的嘯叫”聲音，且設備振動也較大，則是潤滑不良，干摩擦，或滾動件局部接觸過緊，內(nèi)外滾道偏斜，軸承外圈配合過緊等引起。

“咯吧、咯吧！”的尖叫聲，則說明滾珠或滾棒破裂，破壞了正常潤滑所致。
       “哐當、哐當！”的敲擊聲，是滑動軸承與軸之間的間隙過大，機器運轉(zhuǎn)時，在交變力的作用下，軸在軸承中跳動，潤滑油流失較快，不能形成適當?shù)挠湍に?br />“咣！咣！咣！”的聲音，滑動軸承停機時間過長，軸承潤滑油流失，在啟動時的瞬間潤滑油未形成一個完整的具有流體壓力的油膜，未將軸“托”起來，使軸頸與軸承沒有足夠的油膜完全隔開，相互接觸的緣故