测振仪轴承故障--测振仪系列知识讲座十八

测振仪轴承故障--测振仪系列知识讲座十八

测振仪轴承故障一、滚动轴承

滚动轴承的早期故障主要是：滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。产生原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。另外，新购的轴承有可能存在质量低劣的状况，因此也要引起我们的注意。

这些故障在下图中可以看到：

1）径向振动在轴承故障特征频率及其低倍频处有峰。若有多个同类故障（内滚道、外滚道、滚子……），则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰。

2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1×转频。

3）滚动体故障特征频率处有边带，边带间隔为保持架故障特征频率。

4）在加速度频谱的中高频区域若有峰群突然生出，表明有疲劳故障。

5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径向相同），或者其峰值指标大于5，表明故障产生了高频冲击现象。

                           a—正常轴承；b—外圈疲劳；c—钢球疲劳；d—内圈疲劳

                                               轴承疲劳时的加速度频谱

测振仪轴承故障二、故障分析

1）频域

①确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障，若还有明显的倍频成分，表明故障严重。

②确认内滚道特征频率处不但有峰，还有间隔为1×转频的边频，表明有内滚道故障。

③确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。

④确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。

⑤若轴向有负载，则可注意轴向滚动。与径向振动有类似特征。

2）时域

可能有重复冲击现象，但很小。重复率等于故障特征频率。

测振仪轴承故障三、 滚动轴承频率结构

当滚动体和滚道接触处碰到一个局部缺陷时，就会产生一个冲击脉冲。缺陷在不同的元件上，接触点通过缺陷时产生的冲击脉冲频率是不同的，这个频率就称之为特征频率。那么，只要检测到这个特征频率，就能够确定元件缺陷部位。

滚动轴承有通过频率和固有频率两类特征频率，其计算分别介绍如下：

1．通过频率：（设：外滚道固定，内滚道与轴一起处于转动的状态）

1）内滚道（环）通过频率f_i：

            

2）外滚道（环）通过频率f_o：

               

3）保持架通过频率f_c：

① 保持架碰内滚道（环）的通过频率f_ci：（即：保持架的转速频率）

             

② 保持架碰外滚道（环）的通过频率f_co：

               

4）滚动体（滚子）通过频率f_b：

① 滚动体冲击单侧滚道通过频率f_b1：（即：滚动体的自转频率）

               

② 滚动体冲击两侧滚道通过频率f_b2：

                 

式中：

f_r—— 滚动轴承内滚道的回转频率，f_r= n / 60（Hz），n为内滚道的回转的转速（r/min）；

d—— 滚动体直径（mm）；

D_m—— 轴承平均直径（mm），=（滚动轴承外径+滚动轴承内径）/ 2，见图4-25所示；

z—— 滚动体个数；

α—— 接触角，对于止推轴承α= 90°、对于滚动体是球形轴承一般取α= 0° 。

2. 滚动体固有频率的计算：

 （Hz）             

3．内、外滚道固有频率的计算：

        

公式中：

E—— 材料的弹性模数，Pa，钢材为2100 GPa ；

I—— 滚道纵向截面的惯性矩，m⁴；

g—— 重力加速度，1g= 9.8m/s²；

—— 材料的密度，kg/m³；

A—— 滚道纵向截面面积，A= bh，m²；

h—— 滚道厚度；m²；

b—— 滚道寛度；m²；

D_m—— 轴承平均直径，m²；

r —— 滚动体的半径，m ；

n —— 振动阶数，n=2、3、…。

          

                       滚动轴承径向、轴向弯曲振动                                                 径向滚动轴承几何尺寸

 

4．滚道与滚动体波纹度引起振动的故障特征频率：

                                           内滚道波纹峰数与外滚道径向振动关系示意图

滚动轴承的内、外滚道是经过精加工的，虽然明显的起伏加工波纹并不存在，但是一些微小的加工波纹也会引起轴承的振动，其振动频率与波纹的数目N有关，其波峰数等于：N×z 。

在上图中，滚动体的数目z = 8 (个)，波纹的数目N = 1(个)。那么波峰数就等于：N×z = 8×1 = 8，则8个波峰都同时与8个滚动体相接触，这样外滚道就不会产生径向移动。当波峰数等于（N×z）±1时，波峰数= 7或9的情况，可以看见滚动体 ① 和 ⑤ 对称位置上内滚道的波峰不同（① 在波峰而 ⑤ 在波谷）引起。此时在 ① 处由于内滚道的波峰将会使外滚道产生如图中箭头所指方向的位移，引起了内滚道的振动。显然，外滚道、滚动体都在振动。其振动频率（即故障特征频率）如下表所述。

表  轴承滚动面波峰数与故障特征频率计算公式关系表

 

轴承元件	波峰数		振动频率
	径向或角度方向	轴向	径向或角度方向	轴向
内滚道	Nz±1	Nz	Nzfi±1	Nzfi
外滚道	Nz±1	Nz	Nzfo	Nzfo
滚动体滚动面	2N	2N	2Nfb±1	2Nfb±1

注：N为正整数（N=1，2，3，…），z 为滚动体个数，其余见前面所述。

 

5．滚动体大小不均匀和内、外滚道偏心振动频率计算

1）滚动体大小不均匀和内、外滚道偏心振动频率计算：

nf_c ± f (n=1，2，3，…)                    (4-10)

2）外滚道偏心振动频率计算：

nf_r ( f_r为轴转频，n=1，2，3，…)               (4-11)

 

测振仪轴承故障四、滑动轴承

滑动轴承可能有多种故障，其中包括间隙过大，油膜涡动和油膜振荡以及摩擦。造成这些故障的原因是装配不当，润滑不良，负荷欠妥，长久磨损及轴承设计不当。

1. 间隙过大（无涡动）

轴与轴承间隙过大，这种情况类似于不对中和机械松动，应注意其区别。其频谱和波形特征如下：

               滑动轴承间隙过大振动频谱

1）径向振动较大，特别是垂直方向：

① 有稳定的l×、2×或3×转频分量；

② 可能有明显的高次谐波分量（4～10）×转频。

2）可能有较大的轴向振动，特别对于止推轴承：

① 有稳定的l×、2×或3×转频分量；

② 可能有较高次谐波分量。

3）径向和轴向时域波形为稳定的周期波形占优势，每转一圈有1、2或3个峰值。没有较大的加速度的冲击现象。若轴向振动与径向振动大小相近，表明问题严重。

故障诊断：

1）确认频谱中有稳定的1×、2×或3×转频分量并占优势。垂直方向比水平方向振动更大。相对较小的（4～10）倍频成分，但可能仍较显着。

2）检查轴向振动，可能与径向频谱类似。若与径向振动大小相近，表明问题严重。

3）确认时域波形中稳定的周期波形占优势，每转一圈有1、2或3个峰值。没有较大的加速度的冲击现象。

说明：

l）间隙过大与不对中的区分可根据以下两点：

① 间隙过大时垂直方向振动比水平方向更大；而不对中时垂直与水平方向振动相同；

② 间隙过大时（4～10）×转频分量较显着，类似于机械松动的现象；而不对中时高次谐波小。

2）间隙过大与机械松动的区分可根据以下两点：

① 间隙过大时其时域波形为稳定的周期波形占优势，且没有大的冲击现象；而机械松动时其时域波形较杂乱，有明显的非周期性信号使波形不稳定；

② 间隙过大时轴向振动可能较大，特别是止推轴承；而机械松动时轴向振动较小或正常。

3）一般应在排除了机械松动的可能性之后再确认间隙过大。

2. 油膜涡动和油膜振荡

在轴与轴承间隙太大或机组热态不对中等引起较大振动的情况下，若加之轴承设计不当、润滑不良或由于载荷、转速的突变破坏了正常润滑状态，可能产生油膜涡动。在此情况下，如果转速高于轴系一阶临界转速的两倍，则涡动可能发展成更危险的油膜振荡。其频谱、和波形特征如下。

1）较大的径向振动。频谱中有明显而稳定的涡动频率分量——（0.42～0.48）×转频分量。可能有高次谐波分量。

2）轴向振动在涡动频率处的分量较小。

3）若在一阶临界转速频率处出现显着峰值，则表明已出现油膜振荡。

4）时域波形中稳定的周期信号确占优势，每转一周少于一个振荡时的频谱、波形

峰值，没有较大的加速度冲击。

                   a—频谱；b—波形

                                    滑动轴承油膜涡动或油膜

3. 故障诊断

1）确认径向振动频谱中有显着而稳定的（0.42～0.48）×转频分量（看起来象是1/2×转频分量，须仔细分辨）。可能有较大的高次谐波分量。

2）确认轴向振动的涡动频率处分量较小。

3）确认时域以稳定的周期波形为主，每转一周少于一个峰值。没有较大的加速度冲击。

说明：

1）为了区分涡动频率（0.42～0.48）×转频分量与机械松动或轴承摩擦产生的1/2×转频分量，须使用高分辨力频谱和峰值标记。为此，应设置足够多的谱线数、使频率分辨力达到转速的（2～5）%。如机器转速为7500r/min，分析频率2000Hz，要求分辨力达到2%转频=7500/60×2% =2.5Hz，则谱线数N=2000/2.5=800（条）。 若分析频率改为1000Hz，则谱线数N=1000/2.5=400（条）。

2）机器起动过程中，如果达到临界转速时油膜涡动开始出现，则当转速超过临界转速后涡动仍会存在，当转速超过临界转速的两倍时，油膜振荡有可能出现。一旦出现油膜振荡，振幅急剧增大，即使再提高转速，振幅也不会减小。

3）涡动频率与轴和轴承间隙有关，间隙增大时涡动频率减小。摩擦有可能激发涡动。

4）具有导向轴承的长垂直轴容易发生涡动，部分原因是由于轴上静载小。由其它液体润滑轴承时也容易出现涡动，例如，具有水润滑导向轴承垂直提升泵。

 

测振仪轴承故障五、摩擦

轴颈与轴承表面直接接触就发生磨擦，摩擦可以是间断的或连续的。引起摩擦的原因是润滑不足，间隙不适当，载荷不正确或其它故障造成的较大振动。摩擦往往造成轴的反向涡动。其频谱和波形特征如下：

1）对于间断性摩擦：

① 径向振动较大，有不稳定的1/2、1/3或1/4×转频分量，类似于机械松动引起的1/2×转频分量；

② 时域波形中有不稳定的冲击信号占优势，轴每转一圈只有少于一个的峰值；

③ 轴向振动小。

2）对于连续摩擦：

① 径向振动大（止推轴承除外），高频部分能量较大；

② 时域波形中有不稳定的“噪声”信号；

③ 轴向振动小（对于止推轴承，有摩擦时其轴向振动大于径向振动）。

故障诊断：

l）确认径向振动大（止推轴承除外）：

① 若频谱中有不稳定的1/2、1/3或1/4×转频分量，则可能是间断性摩擦；

② 若频谱中高频部分能量大，则可能是连续性摩擦。

2）若时域波形有不稳定的冲击信号占优势，轴每一转只有少于一个的峰值，则可能是间断性摩擦；若时域波形中有不稳定的“噪声”信号，则可能是连续性摩擦。

3）确认轴向振动小（止推轴承的轴向振动大于径向振动）。

说明：

1）摩擦可激发结构共振，共振频率在高频范围。由于连续摩擦造成的共振较大，所以其高频能量大。

2）为了确认连续摩擦时的高频振动能量大，也可在低频10～1000Hz和高频100～10 000Hz范围内分别测量其振动有效值并进行比较。

注：测振仪系列知识讲座为连载文章，希望大家继续关注。阅读本文的用户还对以下文章感兴趣：
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