滾動軸承間隙大的振動診斷及應用

商孝鵬，高太智，陳鑫

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

滾動軸承間隙大的振動診斷及應用

商孝鵬，高太智，陳鑫

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

針對滾動軸承間隙大這種旋轉(zhuǎn)部件配合松動故障，結(jié)合振動機理，提出了該故障的具體振動特征，同時對現(xiàn)場案例進行了振動分析。結(jié)果表明，使用該方法可對此故障進行較為準確的診斷，能夠滿足工程生產(chǎn)實際的需要。

滾動軸承；間隙大；振動特征

滾動軸承是工程應用中最常用的零件，也是最易出現(xiàn)故障的易損件，在實際生產(chǎn)中滾動軸承間隙大的問題普遍存在，因此開展?jié)L動軸承的故障診斷和預防工作，對大型企業(yè)的關鍵設備采取預知、預防維修策略具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

旋轉(zhuǎn)機械設備的松動故障分基礎松動和旋轉(zhuǎn)部件配合松動兩大類，滾動軸承內(nèi)部間隙大屬旋轉(zhuǎn)部件配合松動的范疇。對于旋轉(zhuǎn)部件的配合松動故障，各類文獻對其振動特征概括如下：振動頻譜中存在多個轉(zhuǎn)頻的諧波頻率，有時出現(xiàn)轉(zhuǎn)速1/2、1/3間隔的頻率，振幅不穩(wěn)定等［1］。但在工程實踐中，滾動軸承間隙大這種旋轉(zhuǎn)部件配合松動故障還會出現(xiàn)某些其它的具體振動特征，本文結(jié)合理論及實例對此進行具體論述。

1　旋轉(zhuǎn)部件配合松動振動機理

旋轉(zhuǎn)機械設備的振動大小是由激勵力和機械阻尼共同決定的。圖1是旋轉(zhuǎn)機械配合松動的轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。

當其右端的軸承配合間隙Δ較大時，若不考慮轉(zhuǎn)軸質(zhì)量的影響，可將此間隙折算到轉(zhuǎn)子中部的簡化圓盤處，記為C0，在忽略阻尼力的情況下，則轉(zhuǎn)子的運動方程為：

令轉(zhuǎn)速比為：

式中，w為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，弧度/s；wn為轉(zhuǎn)子固有頻率，Hz。

轉(zhuǎn)子偏心率為：

式中，e為偏心距，mm；Cb為轉(zhuǎn)子靜變形，mm，Cb=mg/k；g為重力加速度，9.8m/s2；間隙比β=C0/Cb，令間隙比β在0～1范圍內(nèi)取值，外力Qx為離心激勵力mew2，即可求解此轉(zhuǎn)子運動方程。

為進行諧波分析，將Qx做傅立葉展開后代入轉(zhuǎn)子運動方程并求解。關于此狀態(tài)下的振動響應，目前國內(nèi)外實驗研究資料有以下定性結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)速的變化是影響系統(tǒng)運動特性的主要因素，即以臨界轉(zhuǎn)速為界，分兩個階段考慮。當工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速時，支撐松動引起的振動較大，穩(wěn)定性較差；而當工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速時，松動引起的振幅反而減?。?］。

（2）轉(zhuǎn)子支撐部件松動的振動特征為：臨界轉(zhuǎn)速以下，振動速度頻譜中轉(zhuǎn)頻及高次諧波幅值明顯，有時出現(xiàn)1/2、1/3等分數(shù)倍轉(zhuǎn)頻的幅值，其振動頻譜將呈梳狀［3］，振動信號軸心軌跡紊亂，振動幅值隨轉(zhuǎn)速及負荷變化明顯等；臨界轉(zhuǎn)速以上，振動響應主要以轉(zhuǎn)頻幅值為主，轉(zhuǎn)頻諧波的幅值較小［2］。

2　滾動軸承間隙大的振動特征

2.1滾動軸承外圈有損傷的振動特征

當滾動軸承外圈有損傷時，如剝落、裂紋、點蝕等，在滾動體通過時會產(chǎn)生沖擊振動。由于點蝕的位置與載荷方向的相對位置關系固定不變，因此其振動的時域波形，即滾動軸承外圈損傷的振動波形如圖2所示。

圖2中的軸承外圈故障特征頻率f0為：

式中，fr為轉(zhuǎn)子基頻，Hz；Z為滾動體個數(shù)；T0為振動周期，s。

該公式的物理意義是軸每轉(zhuǎn)動一圈，有約0.4×Z個滾動體通過外圈內(nèi)滾道上某個點。軸承在此狀態(tài)下的受載運行過程中，損傷點會撞擊其它元件表面而產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于此沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含軸外圈、傳感器等的固有頻率，從而激起整個檢測系統(tǒng)的高頻固有振動［4］。對于軸承外圈的這種損傷故障，通過共振解調(diào)技術可對此沖擊所激起的高頻共振波形進行包絡檢波（即解調(diào)）和低通濾波，從而獲得一個相對于低頻沖擊放大并展寬了的共振解調(diào)波［5］，其共振解調(diào)譜中的外圈故障特征頻率及諧波的幅值將非常明顯。

2.2滾動軸承間隙大的振動特征

當軸承的徑向間隙過大時，必將出現(xiàn)上述旋轉(zhuǎn)部件配合松動故障的振動頻譜。對于滑動軸承的軸瓦間隙過大而言，根據(jù)前述理論，其振動頻譜中的轉(zhuǎn)頻及諧波的幅值將較為突出。而考慮到滾動軸承的具體結(jié)構，當其徑向間隙過大、外圈內(nèi)滾道上也無明顯的損傷點時，如將滾動軸承的內(nèi)圈、保持架及滾動體簡化為一個整體，外圈與軸承座看成一體，在不平衡等激勵力的作用下，軸每轉(zhuǎn)動一圈，將有0.4×Z個滾動體碰撞軸承外圈的內(nèi)滾道表面，從而形成豐富的外圈故障特征頻率f0及諧波的幅值。而此時軸承的外圈無明顯損傷點，即該狀態(tài)將不會激起系統(tǒng)的高頻固有頻率振動，振動頻譜中高頻段的振動幅值會較小，其共振解調(diào)譜中軸承外圈故障特征頻率及諧波的幅值也將不明顯。

3　故障診斷實例

3.1采集數(shù)據(jù)

2014年4月期間，鞍鋼鲅魚圈煉鋼白灰區(qū)域1#除塵風機的振動現(xiàn)象較為異常，具體表現(xiàn)為風機啟動過程中振值逐漸增大，但非常不穩(wěn)定。當轉(zhuǎn)速達到500r/min時，振值達到最大值4 mm/s左右。此后轉(zhuǎn)速上升至600r/min（最高工作轉(zhuǎn)速）后，振值降至2.2 mm/s，驅(qū)動端軸承有明顯的嗡嗡異音，且振感強烈。該風機為雙吸兩端支撐結(jié)構，轉(zhuǎn)子兩側(cè)均為國產(chǎn)軸承支撐，型號為22232。使用CSI2130振動分析儀采集風機在500r/min下的振動統(tǒng)計數(shù)據(jù)，詳見表1。

表1　風機在500 r/min風速下各測點振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2頻譜分析

驅(qū)動端垂直方向500r/min振動速度頻譜見圖3所示。

風機驅(qū)動端垂直方向振動頻譜中振動烈度為4.1 mm/s，圖3中振動頻率幾乎全部為59.74 Hz及其諧波的幅值。因無法查取國產(chǎn)軸承的故障特征頻率，查SKF同型號軸承的故障特征頻率表，計算出其外圈故障頻率為63.00 Hz，初步估計59.74 Hz為軸承外圈故障頻率。此測點高頻段振動速度譜中，仍以頻率59.74 Hz及諧波幅值為主，并無能量較大的峰群，風機驅(qū)動端垂直方向振動速度高頻段頻譜見圖4。

此測點的PEAKVUE頻譜中，加速度時域值不大，峰值為3 g，頻譜中59.74 Hz及諧波幅值略突出，風機驅(qū)動端垂直方向PEAKVUE頻譜及時域波形見圖5。

采用的PEAKVUE軸承故障檢測方法是CSI2130振動分析儀的一項專利技術，其本質(zhì)是一種改進的包絡解調(diào)算法，該技術對于滾動軸承的缺陷故障程度判斷具有相當高的準確率［6］。結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，初步判斷該滾動軸承外圈的損傷故障并不明顯，僅略有輕微的外圈損傷缺陷。

風機在其它轉(zhuǎn)速下的低頻段振動速度譜中，其頻譜結(jié)構中均明顯存在與轉(zhuǎn)速相關的非同步頻率幅值及諧波，且與轉(zhuǎn)頻非同步的頻率與轉(zhuǎn)頻之比接近于7.2這一常數(shù)，不同轉(zhuǎn)速下風機驅(qū)動端軸承座垂直方向振動數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)前述公式，軸承外圈故障特征頻率是轉(zhuǎn)速的0.4×Z倍，即這個始終與轉(zhuǎn)速成比例出現(xiàn)的頻率及諧波就是該軸承外圈故障特征頻率及諧波。

表2　不同轉(zhuǎn)速下風機驅(qū)動端軸承座垂直方向振動數(shù)據(jù)

3.3診斷結(jié)果及故障驗證

通常旋轉(zhuǎn)機械設備的振動若出現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大并再降低的現(xiàn)象，首先應考慮是否為一階固有頻率下的振動，但該風機的振動速度頻譜中出現(xiàn)的是與轉(zhuǎn)頻嚴格成比例的頻率及諧波幅值，因此，可排除一階臨界轉(zhuǎn)速共振的可能性。再將所有可能導致風機振動大的原因全部列出并逐一排查，包括不平衡、不對中、基礎松動、滾動軸承、聯(lián)軸器故障、渦流、動靜碰磨等，這些故障中只有松動類故障最為符合該風機的上述振動特征，而測量該軸承座底腳及各層基礎臺板的振動，其數(shù)值及差值均較小，據(jù)此基礎松動故障可排除。那么只有旋轉(zhuǎn)部件的配合松動故障不能排除，再結(jié)合前述理論中旋轉(zhuǎn)部件配合松動故障的振幅將隨轉(zhuǎn)速變化較明顯，判斷該風機的異常振動現(xiàn)象是由軸承外圈故障引起的，但軸承外圈的損傷缺陷（如剝落、裂紋、點蝕等）不明顯，異常振動及嗡嗡聲應來自軸承過度磨損而導致的配合松動。因生產(chǎn)任務緊迫，且軸承損傷缺陷故障不嚴重，2個月左右后有一次定修，所以在定修前這段時間需控制風機轉(zhuǎn)速在400 r/min左右并持續(xù)跟蹤監(jiān)測風機運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在此期間，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化不大，風機狀態(tài)維持得較穩(wěn)定。2個月后更換軸承后，風機該測點振值在轉(zhuǎn)速為585 r/min時僅為0.2 mm/s，振動速度頻譜中轉(zhuǎn)頻的非同步頻率及諧波幅值消失。原軸承下機前，用塞尺檢查軸承徑向間隙接近250 μm，遠大于此軸承的原始游隙值（75～110 μm）。原軸承下機后，檢查軸承外圈并未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的明顯缺陷。

4　結(jié)語

對于滾動軸承內(nèi)部間隙大且無明顯其它元件損傷的這種故障，本文通過理論及實例進行了說明，其振動特征應滿足下述幾個方面：

（1）振動速度譜中出現(xiàn)豐富的軸承外圈故障特征頻率及諧波的幅值，高頻段（故障特征頻率幾十倍）并無能量較大的峰群；

（2）振動幅值隨轉(zhuǎn)速變化較明顯；

（3）相比于滾動軸承元件的損傷缺陷，其共振解調(diào)譜中的振動加速度幅值較小。

該滾動軸承間隙大振動診斷方法可為同行業(yè)提供參考。

［1］趙興華，趙黎輝，興成宏.基于故障征兆的機械松動故障診斷［J］.風機技術，2009（6）：78-80.

［2］李殿起，韋茵，姜彤，等.帶有支承松動故障的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動［J］.沈陽工業(yè)大學學報，2005（4）：134-137.

［3］楊國安.機械設備故障診斷實用技術［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［4］肖永國，常慶偉，宮家宏，等.一臺吸風機軸承故障分析診斷與處理［C］//中國動力工程學會2010年電站自動化信息化學術和技術交流年會.江蘇江陰:中國動力工程學會自控專業(yè)委員會，2010.

［5］高立新，王大鵬，劉保華，等.軸承故障診斷中共振解調(diào)技術的應用研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2007（1）：1-5.

［6］徐英博，韓東方，朱善安.基于Peakvue技術的軸承故障檢測［M］.傳感器與微系統(tǒng)，2010（7）：115-117.

（編輯賀英群）

Vibration Diagnosis Technology for Large Gap Between Rolling Bearings and Application of Technology

Shang Xiaopeng，Gao Taizhi，Chen Xin
（Bayuquan Iron＆amp;Steel Subsidiary Company of Angang Steel Co.，Ltd.，Yingkou 115007，Liaoning，China）

With regard to the loose trouble of the rolling bearings with large gap，the concrete vibration characteristics for the trouble was proposed based on the vibration mechanism and then the vibration analysis for the rolling bearings was done on the site.The analytical results show that the relatively accurate diagnosis for this kind of troubles according to the vibration mechanism can be carried out，by which the trouble-shooting work can be done during the actual operations on the site.

rolling bearing；large gap；vibration characteristics

TH17

A

1006-4613（2015）06-0052-05

2015-04-02

商孝鵬，碩士，工程師，2005年畢業(yè)于上海交通大學機械設計及理論專業(yè)。E-mail:sxp1580@163.com