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滾動軸承實用診斷技術及案例
滾動軸承實用診斷技術及案例
1. 概述
滾動軸承是各種旋轉機械中應用非常廣泛的一種機械部件，也是很易損壞的元件之一。旋轉機械的許多故障都與滾動軸承有關,，滾動軸承工作性能的好壞直接影響到整臺機器的工作性能。據(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉機械中，由于滾動軸承損壞而引起的故障約占30%,。因此，對滾動軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測及其故障診斷技術的研究工作越來越受到人們的重視,。
2. 實用的滾動軸承故障診斷技術
（1）FFT頻譜分析
滾動軸承運轉過程中,，由于軸承的旋轉，滾動體在內,、外圈之間滾動,，如果滾動表面發(fā)生損傷，滾動體在這些表面轉動時,，便產生一種交變的激振力,，由此產生的低頻振動成分，其頻率是有規(guī)律的,，可以根據(jù)轉速和軸承的幾何尺寸求得,。損傷發(fā)生在內、外圈,、滾動體或保持架上時該故障頻率會有所不同,。這些頻率稱為故障特征頻率，此頻率是故障診斷的重要依據(jù),。
有四個與軸承相關的擾動頻率：球過內圈頻率（BPFI）、球過外圈頻率（BPFO）,、保持架頻率（FTF）和球的自旋頻率（BSF）,，它們的計算公式很容易找到，我這里就不一一列舉了,。
由于FFT自身的特點,，更適合處理穩(wěn)定的振動信號,。而軸承缺陷，特別是早期缺陷,，引起的沖擊往往是短暫的,，低能量的，容易被背景信號所“淹沒”,。因此,，通過故障頻率發(fā)現(xiàn)的故障往往是中期到晚期的軸承故障。
（2）時域波形
時域波形是原始的振動信息,，因此也是真實,、直觀的反映振動形態(tài)和振動大小的工具。時域波形一般適合如低速拍頻,、短暫沖擊,、瞬態(tài)、軸承缺陷等情況,。對于軸承缺陷,，時域波形上會呈現(xiàn)以下特點：
· 波形圖上會周期性的出現(xiàn)短暫（高頻）的脈沖信號，脈沖信號峰值較高,，但反映在振動總量上并不高
· 有時候會出現(xiàn)振幅調制的現(xiàn)象
下圖反映的就是兩個典型的軸承缺陷
典型的外圈劃痕故障
典型的內圈點蝕故障
（3）自相關技術
CSI提供的軟件中包括很多有用的分析工具,，自相關就是其中一項。
相關性是一個統(tǒng)計學術語,，表明兩個隨機信號的相互關系,，一個典型的表現(xiàn)是：一個變量會隨著另一個變量變化。相關又會分成正相關和負相關兩種情況,。舉例說明,，下雪外面就會變冷，這是正相關,。出太陽就不會下雨,，這是負相關。通常用-1到+1之間的小數(shù)度量兩者之間的相關性,，+1表示當一個信號增加時,，另一個信號會成比例地增加，而相反的,，-1則表示當一個信號增加時,，另一個信號會成比例的降低。
作為振動分析的一個振動工具,，自相關將波形的其中一半與另外一半進行關聯(lián)比較,。因此，當時域波形中出現(xiàn)任何周期性的信號時,，兩組信號的相關性將使得到的波形中周期性信號更加明顯,，達到削弱非周期性沖擊的目的,。應用自相關時要注意，采集的時域波形的長度至少是2個轉速周期以上,。通常4-10個轉速周期比較合適,。
（4）PeakVue軸承診斷技術
相比于gSE或包絡解調而言，PeakVue是一種監(jiān)測軸承故障的新方法,。該方法著眼于分析由于金屬與金屬之間的沖擊或摩擦形成的應力波信號,。應力波是一種非常短暫的連續(xù)性脈沖訊號（百萬分之一秒到千分之一秒的范圍）。滾動軸承如出現(xiàn)故障,，當滾珠通過缺陷區(qū)時,，由于油膜中斷會使金屬直接碰撞，從而產生應力波,。應力波屬于低能量信號,，隱藏在振動頻譜底層的背景能量中，用常規(guī)的振動信號采集和頻譜分析難以發(fā)現(xiàn),。PeakVue專注于尋找和分離這些高頻,、低能量的應力波，并且加強信號,，使其高于頻譜的背景能量信號,，從而能更明顯地診斷損壞根源。
3. 滾動軸承故障案例
案例為一臺一次風機（3B）,。電機轉速為四極異步電機,，軸承為滾動軸承FAG22226EAS。采用加速度傳感器分別測量電機和風機兩個軸承的軸承座外殼水平(H),、垂直(V)和軸向(A)方向的振動量,，共12個測點。測點位置如下圖所示,。
自2008-1-9日起,，時域波形中發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊信號，沖擊水平（峰峰值）達到3g左右,，而頻譜圖中也開始出現(xiàn)10.41倍頻及其諧波,，同時周圍還有1倍頻邊帶，符合滾動軸承內圈故障,，查找軸承型號并計算故障頻率,，發(fā)現(xiàn)該諧波與內圈故障頻率基本一致（下圖中的D即故障頻率成分），確定為軸承故障,。開始對其密切關注,。
2008年7月14日，對其采集振動數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)時域波形上的峰峰值已達6g以上，而頻譜圖中也反映10.41倍頻及其諧波,、1倍頻邊帶成分更加明顯，表明此時內圈故障已經(jīng)發(fā)展到比較嚴重的程度,。（此時振動總量并未上升,，一直維持在警告線以下，只有1.339mm/s）
從上面的時域波形圖中,，我們可以發(fā)現(xiàn)轉子每旋轉一周,，基本上會呈現(xiàn)一組類似的波形，而在每個周期內,，則會有多組高頻沖擊信號,，且幅值會有較大變化。這是由于滾動體隨著內圈旋轉時進出負載區(qū)所形成的振幅調制的現(xiàn)象,。經(jīng)過自相關處理后,，我們甚至可以清晰看見兩個較高脈沖之間的相等的時間間隔（如下圖所示），0.00391s,，換算成頻率正是滾動軸承的內圈故障頻率：257.71Hz（10.41倍頻）,。
停機檢修時拆下的軸承照片
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4. 結論
（1）FFT頻譜分析依然是比較有效的滾動軸承故障診斷手段，缺點是比較難發(fā)現(xiàn)早期的故障,，同時也有可能遺漏某些軸承故障
（2）需結合時域波形,、自相關、PeakVue等多種分析手段,，增加判斷的準確性,。
（3）趨勢分析對于準確判斷軸承故障的發(fā)展狀況非常有效。