中心論文滾動軸承的故障機理及診斷002

1、朱榮乾朱榮乾 楊濤楊濤 劉光勇劉光勇 陳建宇陳建宇 中國石油吐哈油田公司技術(shù)監(jiān)測中心吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD朱榮乾朱榮乾 楊濤楊濤 劉光勇劉光勇 陳建宇陳建宇 中國石油吐哈油田公司技術(shù)監(jiān)測中心吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 摘要：本文介紹了滾動軸承的故障類型和發(fā)展歷程，軸承故障頻率的計算公式和包絡(luò)分析的原理，并通過實例介紹了滾動軸承的診斷方法。 關(guān)鍵詞：軸承；故障；診斷；包絡(luò) 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD一、引言一、引言 旋轉(zhuǎn)

2、設(shè)備約有30%的故障是因滾動軸承引起的，因滾動軸承抱軸、保持架散落造成轉(zhuǎn)子嚴(yán)重?fù)p壞給設(shè)備造成的損失是巨大的。最初的軸承故障診斷是靠有經(jīng)驗的設(shè)備管理和維修人員利用聽音棒來判斷，只能發(fā)現(xiàn)處于晚期的故障，不能及時發(fā)現(xiàn)處于早、中期的軸承故障，從而造成設(shè)備故障的擴展，并延緩維修時間。隨著設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)的發(fā)展，各種信號分析與處理技術(shù)被用于軸承的故障診斷。 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 振動加速度信號的波峰因數(shù)是指時域波形的峰值與均方根值之比，這種方法只適用于軸承點蝕故障的診斷；沖擊脈沖技術(shù)(Shock Pulse Method)是瑞典SKF公司多年

3、對軸承故障機理研究的基礎(chǔ)上發(fā)明的，它依據(jù)滾動軸承在出現(xiàn)疲勞剝落、裂紋、磨損時產(chǎn)生的脈沖性振動強弱判斷軸承故障，這種方法受使用者經(jīng)驗、設(shè)備干擾因素影響較大。美國Entek-IRD公司的峰值能量(Spike Energy)技術(shù)通過檢測高頻振動的尖峰診斷軸承的故障；CSI公司的PeakVue技術(shù)通過檢測軸承產(chǎn)生的應(yīng)力波診斷軸承故障，對低速軸承故障信號也有良好的響應(yīng)；這兩種技術(shù)診斷準(zhǔn)確，但是儀器價格偏高。包絡(luò)分析是采用共振解調(diào)技術(shù)診斷滾動軸承故障，應(yīng)用廣泛，效果也不錯，許多監(jiān)測儀器采用這一技術(shù)。 一、引言一、引言吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD二、滾

4、動軸承的故障形式二、滾動軸承的故障形式 滾動軸承在正常情況下，長時間運轉(zhuǎn)也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損。而制造缺陷、對中偏差大、轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動、潤滑油變質(zhì)等因素會加速軸承的損壞。滾動軸承的主要故障形式與原因如下。疲勞剝落 滾動軸承的內(nèi)外滾道和滾動體交替進(jìn)入和退出承載區(qū)域，這些部件因長時間承受交變載荷的作用，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面在表層產(chǎn)生點狀剝落，逐步發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動軸承失效的主要原因，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD磨損 長時

5、間運轉(zhuǎn)使軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面不可避免地產(chǎn)生磨損，持續(xù)地磨損使軸承間隙增大，振動和噪聲增加。潤滑不良和硬質(zhì)顆粒進(jìn)入滾道會加速軸承的磨損。斷裂 當(dāng)軸承所受載荷、振動過大時，內(nèi)外圈的缺陷位置在滾動體的反復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴展而斷裂。銹蝕 水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有軸電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。 二、滾動軸承的故障形式二、滾動軸承的故障形式吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 擦傷 由于軸承內(nèi)外滾道和滾動體接觸表面上的微觀凸起或硬質(zhì)顆粒使接觸面受力不均，在潤滑不

6、良、高速重載工況下，因局部摩擦產(chǎn)生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合，嚴(yán)重時表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點從基體上撕裂。 二、滾動軸承的故障形式二、滾動軸承的故障形式吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD三、軸承故障的發(fā)展歷程三、軸承故障的發(fā)展歷程 軸承失效通常劃分為四個階段： 第一階段：在軸承失效的初始階段，故障頻率出現(xiàn)在超聲頻段。有多種信號處理手段能夠檢測到這些頻率，如峰值能量gSE、應(yīng)力波PeakVue、包絡(luò)譜ESP、沖擊脈沖SPM等。此時，軸承故障頻率在加速度譜和速度頻譜圖上均無顯示。 第二階段：輕微的軸承故障開始激起

7、軸承元件的固有頻段，一般在5002KHz范圍內(nèi)。同時該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。起初只能觀察到這個頻率本身，后期表現(xiàn)為在固有頻率附近出現(xiàn)邊頻。此時，軸承仍可安全運轉(zhuǎn)。 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 第三階段：軸承故障頻率的諧波開始出現(xiàn)，邊頻帶數(shù)目逐漸增多。諧波有時會比基頻更早被發(fā)現(xiàn)。峰值能量gSE、應(yīng)力波PeakVue、包絡(luò)譜ESP、沖擊脈沖SPM所測故障頻率幅值顯著升高。加速度頻譜圖上也可能觀察到軸承故障的高次諧波。此時需要停機檢修。 第四階段：在加速度和速度頻譜圖上均能看到軸承故障頻率的基頻和高次諧波，并伴隨有轉(zhuǎn)速頻率的邊

8、頻帶，各種手段所測頻譜圖的基底噪音水平升高，繼而軸承故障頻率開始消失被隨機振動或噪音代替。能明顯聽到故障軸承產(chǎn)生的噪聲。此時軸承已處于危險狀態(tài)。 三、軸承故障的發(fā)展歷程三、軸承故障的發(fā)展歷程 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD四、軸承故障頻率計算四、軸承故障頻率計算 1969年，Balderston根據(jù)滾動軸承的運動分析得出了滾動軸承的滾動體在內(nèi)外滾道上的通過頻率和滾動體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計算公式，該研究奠定了這方面的理論基礎(chǔ)。 內(nèi)環(huán)滾動，外環(huán)固定，這是滾動軸承最常見的安裝方式。其故障頻率分別為： 內(nèi) 環(huán)： 外 環(huán)： 滾動體： 保持架： 式中

9、： n滾動體數(shù)目 d滾動體直徑 D軸承節(jié)徑，即外環(huán)內(nèi)徑與內(nèi)環(huán)外徑的平均值 接觸角 對于推力軸承，接觸角為90。02)cos1 (fBPFIDdn02)cos1 (fBPFODdn022)cos(1 fBSFDddD021)cos1 (fFTFDd吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 有時難以測量軸承的幾何尺寸，在知道滾動體數(shù)目的情況下，可以用以下公式估算軸承的故障頻率： 內(nèi) 環(huán)： 外 環(huán)： 滾動體： 保持架： 對于滾動體數(shù)目在612個的軸承，誤差較小。 02)2 . 1(fBPFIn02)2 . 1(fBPFOn02 . 1221)(fBPFIn

10、n02 . 121)(fFTFn四、軸承故障頻率計算四、軸承故障頻率計算 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD五、包絡(luò)分析原理五、包絡(luò)分析原理 軸承故障會產(chǎn)生周明性的沖擊振動信號，通常是高頻低幅值信號，在故障的早期和中期，因不平衡、不對中、松動等故障的幅值較高，在常規(guī)速度譜和加速度譜難以觀察到軸承的故障頻率?，F(xiàn)場使用最多的是帶磁座的壓電加速度傳感器，對常規(guī)振動通常取傳感器安裝共振頻率的1/3，以保證所測譜線幅值在線性范圍之內(nèi)。包絡(luò)分析采用帶通濾波器，通常選取以加速度傳感器安裝共振頻率為中心的頻帶做為載波頻率，使微弱的軸承故障信號搭載在高幅值的諧振

11、頻段傳遞出來，否則高頻低幅的軸承故障信號在多個界面經(jīng)過反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對所測信號進(jìn)行絕對值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調(diào)制信號的包絡(luò)線，然后進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，便可得到軸承的包絡(luò)譜，這個過程也稱為共振解調(diào)。 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD六、測試分析方法六、測試分析方法 1、傳感器放置 滾動軸承的故障檢測主要采用加速度傳感器，電渦流位移傳感器和磁電式速度傳感器不適用于滾動軸承的故障檢測。加速度傳感器的固定方法通常有雙頭螺栓、磁座、探針。以Entek-IRD公司的970i傳感器為例，在安放穩(wěn)固的情況下，雙頭螺栓的安

12、裝諧振頻率大約在27KHz附近，磁座安裝的諧振頻率約在7KHz附近，探針安裝的諧振頻率大約在1.6KHz附近。前兩種安裝方式都適用滾動軸承的故障檢測，探針安裝方式不但諧振頻率低，而且對高頻振動衰減較大，不適宜滾動軸承故障的檢測。吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 加速度傳感器一般安裝在軸承承受載荷的方向，對于水平放置聯(lián)軸器傳動的設(shè)備，傳感器安放在軸承座下方；對于皮帶傳動的設(shè)備，傳感器安放在兩皮帶輪連線方向軸承座內(nèi)側(cè)。在測試之前，一定要了解軸承座的結(jié)構(gòu)，避免把軸承安放的軸承座空腔處，這樣軸承的高頻信號衰減很大。采用磁座方裝方式，需清理掉不平或過厚

13、的油漆。 六、測試分析方法六、測試分析方法 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 測試參數(shù)選取 帶通濾波器的中心頻率應(yīng)選在傳感器安裝諧振頻率的中心，諧振頻率通過現(xiàn)場測試確定，圖1所示是磁座安裝的加速度傳感器的諧振頻率，上限頻率選在10KHz之上。 包絡(luò)譜的譜線數(shù)一般選800條或1600條，譜線數(shù)多則頻率分辨率好。 判斷標(biāo)準(zhǔn) 轉(zhuǎn)速對軸承包絡(luò)譜幅值的影響很大，轉(zhuǎn)速越高，幅值越大。因此，不同轉(zhuǎn)速的軸承，其判斷標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。最好的判斷標(biāo)準(zhǔn)，是對同一類設(shè)備，在相同工況下，比較其包絡(luò)譜幅值；或者同一臺設(shè)備，不同時段的包絡(luò)譜幅值趨勢。 六、測試分析方法六、測

14、試分析方法 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD圖圖1、傳感器的安裝諧振頻率、傳感器的安裝諧振頻率Fourier Spectrum (Vi b) - I nput (M agni tude)W orking : I npu t : I nput : FFT A nal yzer02k4k6k8k10k12k0400m800m1. 21. 622. 42. 8H zm /s 2Fourier Spectrum (Vi b) - I nput (M agni tude)W orking : I npu t : I nput : FFT A nal y

15、zer02k4k6k8k10k12k0400m800m1. 21. 622. 42. 8H zm /s 25.40KHz吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 4.軸承故障分析 圖2是一臺三柱塞注水泵軸承的包絡(luò)譜。泵轉(zhuǎn)速335rpm，排出壓力25MPa，流量16m3/h， 驅(qū)動電機功率132KW，電機轉(zhuǎn)速985rpm，電機與泵通過皮帶傳動。泵軸承為雙排球面滾子軸承，型號22330。 根據(jù)軸承尺寸計算的軸承故障頻率如下： 內(nèi)圈故障頻率BPIR=49.6Hz 外圈故障頻率BPOR=34.2Hz 滾動體BSF=14.7Hz 保持架FTF=2.3Hz 曲軸

16、轉(zhuǎn)頻f0=335rpm/60s=5.58Hz六、測試分析方法六、測試分析方法 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 經(jīng)過包絡(luò)處理之后，不平衡、松動、皮帶輪偏斜、軸向竄動等頻率都被濾掉了，只用考慮軸承故障和泵進(jìn)排液閥沖擊。而進(jìn)排液閥產(chǎn)生的沖擊頻率是泵轉(zhuǎn)頻的1、3、6 倍，包絡(luò)譜中主要頻率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是轉(zhuǎn)頻5.58Hz的倍頻分量，由此斷定故障不是由泵進(jìn)排液閥竄擾引起的。當(dāng)軸承跑內(nèi)圓或軸承磨損使間隙增大時也會在包絡(luò)譜上產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻及其諧波分量。經(jīng)過比對，這些頻率分量是滾動體故障頻率14.7Hz的3、6、9、18倍頻，

17、表明滾動體出現(xiàn)故障，并且很嚴(yán)重。六、測試分析方法六、測試分析方法 吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD圖圖2、故障軸承的包絡(luò)譜、故障軸承的包絡(luò)譜Fourier Spectrum (Vi b) - I nput (M agni tude)W orking : I npu t : I nput : FFT A nal yzer4080120160200240280320360012345678H zm /s 2Fourier Spectrum (Vi b) - I nput (M agni tude)W orking : I npu t : I nput : FFT A nal yzer4080120160200240280320360012345678H zm /s 25.0Hz43.0Hz87.0Hz130.0Hz260.0Hz吐哈油田分公司吐哈油田分公司TUHA OIL FIELDTUHA OIL FIELD 停泵檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外側(cè)內(nèi)圈滾道已經(jīng)磨成搓板狀（如圖3所示）。這與包絡(luò)譜顯示的滾動體故障頻