滾動軸承故障

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發表于 2008-6-30 00:34:53 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

滾動軸承故障
現代工業通用機械都配備了相當數量的滾動軸承。一般說來，滾動軸承都是機器中最精密的部件。通常情況下，它們的公差都保持在機器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經驗表明，只有10%以下的軸承能夠運行到設計壽命年限。而大約40%的軸承失效是由于潤滑引起的故障，30%失效是由于不對中或“卡住”等裝配失誤，還有20%的失效是由過載使用或制造上缺陷等其它原因所致。
如果機器都進行了精確對中和精確平衡，不在共振頻率附近運轉，并且軸承潤滑良好，那么機器運行就會非常可*。機器的實際壽命也會接近其設計壽命。然而遺憾的是，大多數工業現場都沒有做到這些。因此有很多軸承都因為磨損而永久失效。你的工作是要檢測出早期癥狀并估計故障的嚴重程度。振動分析和磨損顆粒分析都是很好的診斷方法。
1、頻譜特征
故障軸承會產生與1X基頻倍數不完全相同的振動分量——換言之，它們不是同步的分量。對振動分析人員而言，如果在振動頻譜中發現不同步分量那么極有可能是軸承出現故障的警告信號。振動分析人員應該馬上診斷并排除是否是其它故障引起的這些不同步分量。

如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關。如果同時還有諧波和邊頻帶出現，那么軸承磨損的可能性就非常大——這時候你甚至不需要再去了解軸承準確的擾動頻率。
2、擾動頻率計算
有四個與軸承相關的擾動頻率：球過內圈頻率（BPI）、球過外圈頻率（BPO）、保持架頻率（FT）和球的自旋頻率（BS）。軸承的四個物理參數：球的數量、球的直徑、節徑和接觸角。其中，BPI和BPO的和等于滾珠/滾柱的數量。例如，如果BPO等于3.2 X，BPI等于4.8 X，那么滾珠/滾柱的數量必定是8。

軸承擾動頻率的計算公式如下：

注意：BS的值可能會加倍，因為所給的公式針對的是球撞擊內圈或外圈的情況。如果有庇點的滾球/滾柱同時撞擊內圈和外圈，那么其頻率值應該加倍。
需要說明的是由于受到各種實際情況如滑動、打滑、磨損、軸承各參數的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，我們所計算出來的頻率值可能會與真實值有小范圍的差異。
在檢查過程中你可能會經常涉及到滾珠的數目，對于軸承而言你所能了解到的信息可能只有滾珠（或滾柱）的數目。如果能夠根據頻譜（或其它地方）確定其中一個的擾動頻率，我們就可以根據它計算出其它的頻率。
對于四個擾動頻率計算還有一個近似的經驗公式可供參考。對于8～12個滾珠/滾柱的軸承：BPO通常等于滾珠數量的0.4倍，BPI是滾珠數量的0.6倍，而FT等于0.4 X。

3、軸承失效的九個階段
有人把軸承失效劃分為四個階段，在此我們為了描述得更加詳細將它細分為九個階段。
第一階段：
在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20 KHz～60 KHz之間——或更高。有多種電子設備可以用來檢測這些頻率，包括峰值能量、 HFD、沖擊脈沖、 SEE等超音頻測量裝置。在這個階段，普通的頻譜上不會出現任何顯示。
第二階段：
由于軸承上的庇點增大，使它在共振（固有）頻率處發出鈴叫聲。同時該頻率還作為載波頻率調制軸承的故障頻率。

第三階段：
出現軸承故障頻率。開始的時候我們只能觀察到這個頻率本身。圖中所示為軸承內圈故障時的頻譜顯示。當軸承磨損進一步加劇后，在故障頻率（例子中的BPI）處的波峰值將會升高。大多數情況下波峰值將隨著時間線性增加。

第四階段：
隨著故障的發展，故障頻率將產生諧波。這表明發生了一定程度的沖擊。故障頻率的諧波有時可能會比基頻波峰更早被發現。因此，我們首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對應的時域波形中同時也會出現沖擊脈沖的顯示。
故障頻率及其諧波的幅值在開始階段都比較低。如果你僅僅通過線性坐標圖表來查看數據，很容易錯過這些重要的故障信號。因此，建議結合對數坐標來進行分析，從而及時發現軸承故障的早期顯示。

如果你想要進行軸承的早期故障預報，那么就應該使用加速度為單位來采集高頻時域波形（使用加速度傳感器）——也就是說，不要進行積分。加速度能突出信號中的高頻成分，這對于我們的應用來說是很理想的方法。
第五階段：
隨著故障狀態的惡化，軸承的損壞更加嚴重，振動級將繼續升高，同時出現更多的諧波。由于故障自身的性質，這時還會出現邊頻帶。時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過測量尖峰間的時間間隔來計算故障頻率。高頻率的軸承檢測，如峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢都在持續上升。

此時引起調制的原因有二個：第一種情形是當內圈出現故障時，如果它位于加載區域時，產生的沖擊會更加劇烈，從而產生更高的振幅。當內圈故障位置移出加載區后，其振幅又會降低，并在軸承頂部達到最小值。在這種情況下內圈的故障頻率將被（內圈的）旋轉頻率所調制，于是我們可以在頻譜中看到1 X邊頻帶出現。

如果滾珠出現問題，也會因相同的原因，產生調制。當滾珠運轉在載荷區會產生比運轉在非載荷區更強烈的沖擊。越接近載荷區，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動。該頻率低于1 X——典型的FT大約等于0.4 X。
當我們能夠從頻譜中觀察到諧波，特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經能夠用肉眼觀察到了。這時候，你就可以建議更換軸承了。