電機滾動軸承故障分析

1、電機滾動軸承的故障分析判斷軸承在機械中主要是起支撐及減少摩擦的作用, 因此軸承的精度、 噪聲等都 直接關(guān)系到機械的使用及壽命。 滾動軸承在設(shè)備中的應用非常廣泛, 滾動軸承狀 態(tài)好壞直接影響旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運行狀態(tài), 尤其在連續(xù)性大型生產(chǎn)企業(yè), 大量應用于 大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備重要部位。 因此實際生產(chǎn)中作好滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是搞 好設(shè)備維修與管理的重要環(huán)節(jié)。 我們經(jīng)過長期實踐與摸索, 積累了一些滾動軸承 實際故障診斷的實用技巧。本文將主要對滾動軸承常見的故障診斷并做出分析。一、滾動軸承故障診斷的方式及要點滾動軸承的早期故障是滾子和滾道剝落、凹坑、破裂、腐蝕和雜物嵌入。產(chǎn) 生的原因包括搬運粗心,安裝不當

2、、不對中、軸承傾斜、軸承選型不正確、潤滑 不足或密封失效、 負載不合適以及制造缺陷。 根據(jù)經(jīng)驗, 對滾動軸承進行狀態(tài)監(jiān) 測和故障診斷的實用方法是振動分析。 振動分析對于滾動軸承的診斷是將由加速 度傳感器獲得的加速度信號,經(jīng)過 1 kHz 的高通濾波器去除低頻信號后,對其進 行包絡處理, 將調(diào)制信號移至低頻, 最后進行頻譜分析, 以便找出信號的特征頻 率。根據(jù)滾動軸承的結(jié)構(gòu)特點、 使用條件不同, 它所引起的振動可能是頻率約為 1 kHz以下的低頻脈動 (通過振動 ,也可能是頻率在 1 kHz以上,數(shù)千赫乃至數(shù) 十千赫的高頻振動 (固有振動 , 通常情況下是同時包含了上述兩種振動成分。 因 此檢測

3、滾動軸承振動速度和加速度信號時應同時覆蓋或分別覆蓋上述兩個頻帶, 必要時可以采用濾波器取出需要的頻率成分?？紤]到滾動軸承多用于中小型機 械, 其結(jié)構(gòu)通常比較輕薄, 因此傳感器的尺寸和重量都應盡可能地小, 以免對被 測對象造成影響,改變其振動頻率和振幅大小。滾動軸承的振動屬于高頻振動, 對于高頻振動的測量, 傳感器的固定采用手 持式方法顯然不合適, 一般也不推薦磁性座固定, 建議采用鋼制螺栓固定, 這樣 不僅諧振頻率高,可以滿足要求,而且定點性也好,對于衰減較大的高頻振動, 可以避免每次測量的偏差,使數(shù)據(jù)具有可比性。實用中需注意選擇測點的位置和采集方法。 要想真實準確反映滾動軸承振動 狀態(tài),必須

4、注意采集的信號要準確真實,因此要在離軸承最近的地方安排測點, 在電機自由端一般有后風扇罩,其測點選擇在風扇罩固定螺絲處有較好監(jiān)測效 果。 另外必須注意對振動信號進行多次采集和分析、 綜合進行比較, 才能得到準 確結(jié)論。1 滾動軸承故障的頻譜和波形特征(1徑向振動在軸承故障特征頻率及其低倍頻處有波峰,若有多個同類型故 障 (內(nèi)滾道、外滾道等 ,則在故障特征頻率的低倍頻處有較大的峰值;(2內(nèi)滾道故障特征頻率有邊帶,邊帶間隔為 l 倍頻的倍數(shù);(3滾動體特征頻率處的邊帶,邊帶間隔為保持架故障特征頻率;(4在加速度頻譜的中高區(qū)域若有峰群突然生出,表明有疲勞故障;(5徑向診斷時域波形有垂直復沖擊跡象 (

5、有軸向負載時, 軸向振動波形與徑 向相同,或者其波峰系數(shù)大于 5,表明故障產(chǎn)生了高頻沖擊現(xiàn)象 。2 滾動軸承的故障診斷方法滾動軸承的振動信號分析故障診斷方法分為簡易診斷和精密診斷兩種。 簡易 診斷的目的是初步判斷被列為診斷對象的滾動軸承是否出現(xiàn)了故障; 精密診斷的 目的是要判斷在簡易診斷中被認為是出現(xiàn)故障軸承的故障類別及原因。 由于滾動 軸承自身的特點, 一旦損壞普通維修很難修復, 大多采用更換的維修方式進行處 理; 而精密診斷的主要作用是理論研究和在特殊場合 (例如無配件的情況下 判定 設(shè)備能夠堅持運行的時間, 提高設(shè)備的使用效率。 所以一般情況我們采用軸承簡 易診斷方法就可以滿足日常設(shè)備維

6、護的需要。 下面對軸承的常見故障以及軸承的 簡易診斷法作重點介紹。二、滾動軸承常見故障分析1. 滾道聲滾道聲是由于軸承旋轉(zhuǎn)時滾動體在滾道中滾動而激發(fā)出一種平穩(wěn)且連續(xù)性 的噪聲, 只有當其聲壓級或聲調(diào)極大時才引起人們注意。 其實滾道聲所激發(fā)的聲 能是有限的,如在正常情況下,優(yōu)質(zhì)的 6203軸承滾道聲為 25 dB27 dB。這種 噪聲以承受徑向載荷的單列深溝球軸承為最典型,它有以下特點:(1噪聲、振動具有隨機性;(2振動頻率在 1 kHz以上;(3不論轉(zhuǎn)速如何變化, 噪聲主頻率幾乎不變而聲壓級則隨轉(zhuǎn)速增加而提高;(4當徑向游隙增大時,聲壓級急劇增加;(5軸承座剛性增大,總聲壓級越低,即使轉(zhuǎn)速升高

7、,其總聲壓級也增加不 大;(6潤滑劑粘度越高,聲壓級越低,但對于脂潤滑,其粘度、皂纖維的形狀 大小均能影響噪聲值。滾道聲產(chǎn)生源于受到載荷后的套圈固有振動所致。 由于套圈和滾動體的彈性 接觸構(gòu)成非線性振動系統(tǒng)。 當潤滑或加工精度不高時就會激發(fā)與此彈性特征有關(guān) 的固有振動, 傳遞到空氣中則變?yōu)樵肼暋?眾所周知, 即使是采用了當代最高超的制造技術(shù)加工軸承零件, 其工作表面總會存在程度不一的微小幾何誤差, 從而使 滾道與滾動體間產(chǎn)生微小波動激發(fā)振動系統(tǒng)固有振動。盡管它是不可避免的, 然而可采取高精度加工零件工作表面, 正確選用軸承及精確使用軸承 使之降噪減振。2. 落體滾動聲該噪聲一般情況下, 都出現(xiàn)

8、在低轉(zhuǎn)速下且承受徑向載荷的大型軸承。 當軸承 在徑向載荷下運轉(zhuǎn), 軸承內(nèi)分為載荷區(qū)與非載荷區(qū), 若軸承具有一定徑向游隙時, 非載荷區(qū)的滾動體與內(nèi)滾道不接觸, 但因離心力的作用則可能與外圈接觸。 因此, 在低轉(zhuǎn)速下, 當離心力小于滾動體自重時, 滾動體會落下并與內(nèi)滾道或保持架碰 撞且激發(fā)軸承的固有振動和噪聲,并且有以下特點:(1脂潤滑時易產(chǎn)生,油潤滑時不易產(chǎn)生。當用劣質(zhì)潤滑脂時更易產(chǎn)生;(2冬季常常發(fā)生;(3對于只作用徑向載荷且徑向游隙較大時也易產(chǎn)生;(4在某特定范圍內(nèi)也會產(chǎn)生,且不同尺寸的軸承其速度范圍也不同;(5可能是連續(xù)聲亦可能是斷續(xù)聲;(6該強迫振動常激發(fā)外圈的二階、三階彎曲固有振動,從

9、而發(fā)出該噪聲。 通過采用預載荷方法可有效降低該噪聲, 減少裝機后軸承工作徑向游隙, 選用良 好潤滑劑亦能有所改善, 有些國外企業(yè)采用輕型滾動體, 如陶瓷滾子或空心滾子 等技術(shù)措施來防止這種噪聲的產(chǎn)生。3. 尖鳴聲尖鳴聲是金屬間滑動摩擦產(chǎn)生相當劇烈的尖叫聲,盡管此時軸承溫升不高, 對軸承壽命和潤滑脂壽命也無多大影響,也不影響旋轉(zhuǎn),但不悅耳聲令人不安, 尤其是承受徑向載荷的大型短圓柱滾子軸承常有此噪聲,其特點為:(1軸承徑向游隙大時易產(chǎn)生;(2通常出現(xiàn)在脂潤滑中,油潤滑則較罕見;(3隨著軸承尺寸增大而減小,且常在某轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn);(4冬季時常出現(xiàn);(5它的出現(xiàn)是無規(guī)則的和不可預知的,且與填脂量及性

10、能、安裝運轉(zhuǎn)條件 有關(guān)。這種噪聲可采用減少軸承徑向游隙和采用淺度外圈滾道結(jié)構(gòu)來防止。4. 保持架聲在軸承旋轉(zhuǎn)過程中保持架的自由振動以及它與滾動體或套圈相撞擊就會發(fā) 出此噪聲。 它在各類軸承中都可能出現(xiàn), 但其聲壓級不太高且是低頻率的。 其特 點是:(1沖壓保持架及塑料保持架均可產(chǎn)生;(2不論是稀油還是脂潤滑均會出現(xiàn);(3當外圈承受彎矩時最易發(fā)生;(4徑向游隙大時容易出現(xiàn)。保持架兜孔間隙及保持架與套圈間隙在軸承成品中不可避免的存在, 因此徹 底消除保持架聲十分困難, 但可通過減少裝配誤差, 優(yōu)選合理的間隙和保持架竄 動量來改善。另一種保持架特殊聲是由于保持架與其他軸承零件引導面間的摩擦引發(fā)保 持

11、架的自激振動而發(fā)生的喧囂聲。 深溝球軸承的沖壓保持架較薄, 在徑向和軸向 平面內(nèi)的彎曲剛度較低, 整體穩(wěn)定性差, 軸承高速旋轉(zhuǎn)時就會因彎曲變形而產(chǎn)生 自激振動,引起“蜂鳴聲”。當軸承在徑向載荷作用下且油脂性能差的情況下,運轉(zhuǎn)初期會聽到“咔嚓、 咔嚓”的噪聲, 這主要是由于滾動體在離開載荷區(qū)后, 滾動體突然加速而與保持 架相撞發(fā)出的噪聲,這種撞擊聲不可避免,但隨著運轉(zhuǎn)一段時間后會消失。防止保持架噪聲措施如下:(1為使保持架公轉(zhuǎn)運動穩(wěn)定,應盡量采用套圈引導方式并注意給予引導面 的充分潤滑。 對高速工況下的圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)給予改進, 將滾子引導的 L 型保 持架改為套圈擋邊引導的 Z 型保持架;(2

12、軸承高速旋轉(zhuǎn)時,兜孔間隙大的軸承其保持架振動振幅遠大于兜孔間隙 小的保持架振動振幅,因此兜孔間隙取值尤為重要;(3要注意盡量減小徑向游隙;(4盡量提高保持架制造精度,改善保持架表面質(zhì)量,有利于減小滾動體與 保持架發(fā)生碰撞或摩擦產(chǎn)生的噪聲;(5積極采用先進的清洗技術(shù),對零配件和合套后的產(chǎn)品進行有效徹底的清 洗,提高軸承的潔凈度。5. 滾動體通過振動當軸承在徑向載荷作用下運轉(zhuǎn), 其內(nèi)部只有若干個滾動體承受載荷, 由于與 套圈的彈性接觸構(gòu)成的“彈簧”支承使?jié)L動體在通過徑向載荷作用線產(chǎn)生了周 期性振動,而轉(zhuǎn)軸中心因此會上下垂直移動或做水平方向移動,同時引發(fā)噪聲。 這類振動稱之為滾動體通過振動, 尤其是

13、在低速運轉(zhuǎn)時表現(xiàn)更為明顯。 而其振幅 則與軸承類型、徑向載荷、徑向游隙及滾動體數(shù)目有關(guān)。通常該振幅較小,若振 幅大時才形成危害,因此常采用減小徑向游隙或施加適當?shù)念A載荷來降低。三、滾動軸承正常運行的特點與實用診斷技巧在長期生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn),滾動軸承在其使用過程中表現(xiàn)出很強的規(guī)律 性,并且重復性非常好。正常優(yōu)質(zhì)軸承在開始使用時,振動和噪聲均比較小,但 頻譜有些散亂, 幅值都較小, 可能是由于制造過程中的一些缺陷, 如表面毛刺等 所致。運動段時間后,振動和噪聲維持一定水平,頻譜非常單一,僅出現(xiàn)一、二 倍頻。極少出現(xiàn)三倍工頻以上頻譜,軸承狀態(tài)非常穩(wěn)定,進入穩(wěn)定工作期。繼續(xù)運行后進入使用后期, 軸承

14、振動和噪聲開始增大, 有時出現(xiàn)異響, 但振 動增大的變化較緩慢, 軸承峭度值開始突然達到一定數(shù)值。 我們認為, 此時軸承 即表現(xiàn)為初期故障。 這時就要求對該軸承進行嚴密監(jiān)測, 密切注意其變化。 此后, 軸承峭度值又開始快速下降, 并接近正常值, 而振動和噪聲開始顯著增大, 其增 大幅度開始加快,當振動超過振動標準時 (如 ISO 2372標準 ,其軸承峭度值也 開始快速增大,當即超過振動標準,又超過峭度正常值 (可參照峭度相對標準 時,我們認為軸承已進入晚期故障階段,需及時檢修設(shè)備,更換滾動軸承。軸承表現(xiàn)出晚期故障特征到出現(xiàn)嚴重故障 (一般為軸承損壞如抱軸、燒傷、 沙架散裂、滾道、珠粒磨損等

15、時間大都不超過一周,設(shè)備容量越大,轉(zhuǎn)速越快, 其間隔時間越短。因此,在實際滾動軸承故障診斷中,一旦發(fā)現(xiàn)晚期故障特征, 應果斷判斷軸承存在故障,盡快安排檢修。滾動軸承簡易診斷法:(1振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值 XP 、平均值 X(對于滾動軸承來講,應是加 1 K高 通后測得的值 。峰值反映的是某時刻振幅的最大值,因而它使用像表面點蝕損 傷之類的具有瞬時沖擊的故障。另外,對于轉(zhuǎn)速較低的情況 (如 300 rpm以下 , 也常采用峰值進行診斷。 從參數(shù)的選取上來講, 一般的檢測儀器的峰值測量都采 用加速度峰值。均值是對時間平均的, 它的診斷效果與峰值基本一樣, 其優(yōu)點是測量值比較 穩(wěn)定; 因

16、而它適用于像缺油、 磨損之類的振幅隨時間緩慢變化的故障診斷。 一般 用于轉(zhuǎn)速較高的情況,參數(shù)一般都選擇加速度均值。(2波形指標診斷法波形指標定義為峰值與均值之比(XP/X。 該值用于滾動軸承簡易診斷的有效 指標之一。當 XP/X 過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；而 XP/X 值過小時，則有 可能發(fā)生了磨損。 (3峰值指標診斷法 峰值指標定義為峰值與均方根值之比(XP/Xrms。該值用于滾動軸承簡易診 斷的優(yōu)點在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器變化 的影響。該值用于點蝕類故障的診斷，通過對峰值指標隨時間變化趨勢的檢測， 可以有效地對滾動軸承進行早期預報，并能反應故障的發(fā)展變化趨勢。當滾動軸 承無故障時，峰值指標為一個較小的穩(wěn)定值，一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖 擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚明顯的增大，故 XP/Xrms 增大； 故當故障不斷擴展，峰值逐漸達到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms 逐 步減小，直至恢復