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轴承故障
一。 绪言
轴承的故障诊断与状态监测是机械设备故障诊断技术的重要内容。
旋转机械的故障中轴承的损坏故障约占30%。
轴承的运行质量除轴承元件本身的加工质量外，轴承的安装及装配质量影响很大。
滚动轴承的失效形式:
疲劳点蚀 : 因受滚动压应力
磨损: 因受压力又有与内外座圈的相对滑动
腐蚀: 润滑油中的水分几其它化学物质产生锈蚀
裂纹: 由于磨削或淬火时作用而产生
磨粒磨损: 由于磨屑作用而磨损
失效分析方法简介:
*判定失效形式
*判定诱发失效的原因
分析程序：《以轴承为例》
1.了解情况
1）了解工作条件
2）载荷情况
3）转速情况
4）润滑情况
5）温度与介质
二。滚动轴承的振动
随机振动
由于滚动元件的不圆度及表面的粗糙度引起；
又由于轴承工作，使不圆度及 表面粗糙度增大。
2.受机器各种振动的激励而引起滚动轴承各元件的谐振
1） 钢球的谐振频率FBR
fbr=0.848/2r*(E/2ρ)1/2
E—弹性模量 N/m2
P—滚动元件材料密度 kg/m3
R—滚动元件半径 m
2 轴承座圈谐振频率FRR
Frr=K* (K2 –1)*a-2 ( EI／M) -2
a—回转轴线到中性轴半径 m
K—共振阶数
I—座圈绕中性轴的惯性矩 m4
M—座圈的单位长度的质量 kg/m
1. 内圈有剥落fi=fo/2(1+dcosβ/D) Z
2. 外圈有剥落 fo= fo/2(1+dcosβ/D) Z
3. 滚动体剥落 fb= Dfo/d[1-(d/D)²cos²β]
4. 保持架有故障 fc=fo/2(1- dcosβ)m
Fo—轴承转频率
Z—滚珠个数
d—滚珠直径（参阅左图）
D—轴承滚道节径
β—接触角
m—断裂数
*注：不论元件上剥落坑有多少，频率不变。
4. 裂纹的扩展
裂纹的产生及在受载工作中继续扩展，不但会引起振动，而且能量还会以热和声发射形式释放出来。
三。 轴承各种振动在频谱中的位置
Ⅰ— 各种故障频率范围（几十—几百 hz）
Ⅱ— 共振频率范围（几十—几k hz）
Ⅲ— 声发射范围（几十—几十k hz）
声发射频带很宽，工程上都在比较高的频段中来捕捉声发射的信号
四 轴承监测与故障诊断方法
1. 振动测试
2. 噪声测试
3. 温度测定
4. 油液分析（磨屑分析）
5. 轴承间隙测定
6. 油膜电阻测定
1。振动（噪声）频谱分析法
经时域多段平均处理后
50HZ——轴频
36.1HZ——保持架通过频率
200.91HZ——外圈通过频率
380HZ——滚动体通过频率
有故障的滚动轴承倒频谱分析图特征值
q1—9.470MS（105.60HZ）—
滚珠故障频率
q2—37.90MS（26.39HZ）——
内圈故障频率
3、SPM（SHOCK PULSE METHOD）和IFD（INCIPIENT FAILURE DETECTION）法
原理：故障所引起的低频（通常是数百HZ以内）冲击脉冲激起了高频（数十倍于冲击频率）共振波形，对它进行包络、检波、低通滤波（即解调），会获得一个对应于低频冲击的而又放大并展宽的共振解调波形。
共振解调波的优点
1）剔除了低频振动干扰
2）含有未知的故障信息（即S/N↑）
对于共振解调波后续处理方法不同，可分为SPM及IFD法
1） SPM法
它是应用共振解调波的幅值来进行诊断。共振解调波通过峰值检波、平均、保持、测得冲击量值SV。
再用一经验公式获得均一化冲击量值
DBN=20log＊2000＊SV／n＊Dº.6
SPM法冲击判别值
0dB 正常状态 显示在绿框
20 dB 不好状态 显示在黄框
35dB 坏的状态 显示在红框
2） IFD法
该法既应用共振解调波的幅值又利用它的频率信息，即对共振解调波进行FFT后做频谱分析，寻找上节中提到的轴承各元件故障对应的频率。
4、振动的简易诊断法
可用简易的测振仪来获得轴承工况的信息。
可用多种参数，如波峰因素、峭度、歪度等。
可直接观察时域 波形
五。 实例
1、某变速箱输出轴后轴承（型号为50309）滚动体外圈有点蚀，
测试时发现：
时域信号出现调制峰群
输入轴转速为1484rpm时：
2258.3Hz为外圈共振频率
故障调制频率：
34.47Hz外圈故障
23.06Hz滚珠故障
2 同一减速机另一次测振时结果（中间轴轴承）（型号50308）
1）、2258.3Hz为外圈共振频率
2）、34.32Hz为外圈故障通过频率
3）、53.1Hz为内圈故障通过频率
第二部分 滑动轴承故障及其诊断
一.滑动轴承的故障
1. 润滑不良
2. 间隙不当（间隙过大，间隙过小）
3. 轴瓦碰摩
二.润滑不良引起的振动
1. 半速涡动 ωj=ω/ 2 ω—轴角频率
ωj—轴径中心O’ 绕轴承中心旋转角频率，方向同。
一般ωj ≤ ω/ 2
2. 油膜振荡
当转子转速升高到第一临界转速两倍时，而
ωj= ω/2= ωr，此时会产生激 烈振动，振幅突然升高。
ωr —谐振角频率
3.油液不结会引起运转不稳
指轴与轴瓦间不能形成稳定油膜来支撑转子运转
三. 滑动轴承轴瓦间隙不当引起的振动。
1. 间隙过小——不能形成稳定的油膜层，有小的高频的振动，间有低频振动。
* 可以通过瓦温与回油温度即可判别。
2. 间隙过大——主振频率为轴频Fo（与不 平衡及平行不对中故障类似）径向振动大。
3. * 不同处 A）单一方向定向振动（松动是上下的）
B）振动随负荷增大而增大
C）降低油温，振动会有下降
D）频谱图上会出现高频成分
四. 滑动轴承轴瓦碰摩引起振动
1. 产生高频和分频成分，但不是线性，幅值不稳定
2. 与纯间隙不当的振动，频谱更丰富（包括高、低频）
3. 碰摩愈重，1/2分频越突出
五. 实例
1. 空压机 额定转速7560r/min，额定功率4170kW，五块可倾径向轴承。
问题：从7000r/min提升7050r/min，压缩机两端产生振动，主频在1/3Fo，即使再降低转速每明显好转。
处理：把油温降低50C
反应：振动值下降从160μm降至150μm，主频转为Fo
判定：由于油膜不洁而不稳定，引起轴瓦和轴径干摩擦，润滑不良
维修：把油过滤除去油中杂质及水分
效果：一切正常
2. 空压机
额定功率2500kW，额定转速8290r/min，五块可倾径向轴承
问题：开车后发生间隔2小时的间歇振动，且振动循环周期越来越短，603ch达满量程，主导频率为轴频F0，体现定向振动最后只得降负荷降转速运转。
判定：轴瓦间隙不当（过大）
3. 富氧压缩机
额定转速12552r/min
问题：汽轮机靠联轴节端9号瓦振动偏高
分析及处理：在谱图上除f0外，有f0的2.3……高倍频成分，随负荷增大，振动值明显增大
判定：轴瓦间隙过大
解体观察：9号轴瓦轴承座下面固定螺栓松脱，造成轴瓦松动，使间隙偏大
4. 循环机压缩机
额定功率1860KW，额定转速72094R/MIN，五块可倾瓦径向轴承
问题：
压缩机曾进水并造成机组功率突然提高，排水后重新开车，振动恶化。
在800ch，振值由4μm增到10μm
在801ch，振值达满量程
但机组轴瓦温度及润滑油温度没变化
测定：
F0二陪频振值明显增大，在1/2 F0 处出现低值宽带，但振值不稳定，机组负荷由80%提高到85%时，全频道振值增大，在1/2处振幅增大更明显。
判定：
由于进水后，机组功率增大，造成转子与末端轴瓦摩碰，使支撑油膜破坏引起激烈振动，随负荷增加情况恶化。
开机检查：五块瓦均有不同程度研磨
六.实验分析
用短时付氏变换
S(t.f）=∫-∝+∝x(t)h(t-)e‾2jfd
分析实验结果：
1. 非接触摩擦（有润滑油）：大多分布在3KHz以下
2. 轻度摩擦
（停油，留有一定油量，轴承间油膜时有破裂，轴与轴承短暂接触）无论频率还是幅值波动较大，主频大致在6KHZ到10KHZ
3. 严重摩擦
油膜完全破裂，轴与轴承持续接触）
由于轴与轴承连续接触，接触面较大，摩擦力的冲击则较小且稳定，所以振值反而比轻度摩擦微笑且平稳，其主频大致在6KHZ左右。
七. 小经验介绍：
1. 某厂在长年监测基础上得出了一条非常有效而实用的经验：在轴承座的铅垂方向和水平方向同时监测其振动值时，由于轴承座的水平方向刚性小，因此一般来讲水平方向振动值大于铅垂方向。
一旦铅垂方向的振值>水平方向的振值时，则轴瓦振裂。
由于轴瓦振裂，间隙增大，刚性减小会出现各种振动频率成分，并使整个振动振幅增大。
2. 轴承运转声音的诊断
设备开动，各部轴承都在飞速运转，必然产生各种声响。这些声响中，有的属于正常的声响，有的则属于异常声响。异常的声响表现为滚动轴承或滑动轴承的故障先兆或是故障正在形成，或已经发生。因此，我们就要通过各种声响，采取不同的办法加以排除，以保证设备正常运行。
滚动轴承或滑动轴承在运转中，其正常的工作状态是：运转平稳、轻快、无停滞现象，发出的声音和谐，而无任何杂音。如为“哗哗”声音，均匀连续而无间断，则为正常的声响，亦说明润滑良好。若有下列声响者，就是润滑不良的声音或其他故障声响：如“咝咝”的声音：是轴承内加脂量不够，缺少油脂所致，正确的是油的粘度应高些，填充空隙在1/2~1/3之间，润滑油面的高度一般不超过最低的一个钢球的中心线。
“咝咝、沙沙”的声音，是设备停机时间过长或是轴承径向间隙过小，形成不了良好的润滑油膜，应清洗调整。
“哗哗”的声音中有周期性的“嗬罗！嗬罗”声音，则表明内外圈滚道出现伤痕、沟槽、锈蚀斑点等现象。
“哽哽”声音，且不连续，则说明滚动轴承保持架或内外圈有裂纹，经过运转冲击裂纹加深加大，是润滑不良所致。
“嚓嚓！”的声音，且极规则，不均匀，则说明装配时或保养中掉入杂物，即铁屑、砂粒或润滑油不干净，加油时带入的杂质。
“沙沙！”的连续且不规则的声音，有可能是内圈有轴配合过松，或外圈与轴承孔配合过松所致。
“刺耳的啸叫”声音，且设备振动也较大，则是润滑不良，干摩擦，或滚动件局部接触过紧，内外滚道偏斜，轴承外圈配合过紧等引起。
“咯吧、咯吧！”的尖叫声，则说明滚珠或滚棒破裂，破坏了正常润滑所致。
“哐当、哐当！”的敲击声，是滑动轴承与轴之间的间隙过大，机器运转时，在交变力的作用下，轴在轴承中跳动，润滑油流失较快，不能形成适当的油膜所致
“咣！咣！咣！”的声音，滑动轴承停机时间过长，轴承润滑油流失，在启动时的瞬间润滑油未形成一个完整的具有流体压力的油膜，未将轴“托”起来，使轴颈与轴承没有足够的油膜完全隔开，相互接触的缘故
