滾動(dòng)軸承實(shí)用診斷技術(shù)及案例

      1. 概述

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械部件，也是很易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的許多故障都與滾動(dòng)軸承有關(guān)，滾動(dòng)軸承工作性能的好壞直接影響到整臺(tái)機(jī)器的工作性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于滾動(dòng)軸承損壞而引起的故障約占30%。因此，對(duì)滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及其故障診斷技術(shù)的研究工作越來越受到人們的重視。

2. 實(shí)用的滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)

（1）FFT頻譜分析

滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于軸承的旋轉(zhuǎn)，滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈之間滾動(dòng)，如果滾動(dòng)表面發(fā)生損傷，滾動(dòng)體在這些表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生一種交變的激振力，由此產(chǎn)生的低頻振動(dòng)成分，其頻率是有規(guī)律的，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和軸承的幾何尺寸求得。損傷發(fā)生在內(nèi)、外圈、滾動(dòng)體或保持架上時(shí)該故障頻率會(huì)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(gè)與軸承相關(guān)的擾動(dòng)頻率：球過內(nèi)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(jì)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(diǎn)，更適合處理穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)。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(hào)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(shí)域波形

時(shí)域波形是原始的振動(dòng)信息，因此也是真實(shí)、直觀的反映振動(dòng)形態(tài)和振動(dòng)大小的工具。時(shí)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(duì)于軸承缺陷，時(shí)域波形上會(huì)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

·       波形圖上會(huì)周期性的出現(xiàn)短暫（高頻）的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)峰值較高，但反映在振動(dòng)總量上并不高

·       有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)振幅調(diào)制的現(xiàn)象

下圖反映的就是兩個(gè)典型的軸承缺陷

典型的外圈劃痕故障 

典型的內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障

（3）自相關(guān)技術(shù)

CSI提供的軟件中包括很多有用的分析工具，自相關(guān)就是其中一項(xiàng)。

相關(guān)性是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)術(shù)語(yǔ)，表明兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)的相互關(guān)系，一個(gè)典型的表現(xiàn)是：一個(gè)變量會(huì)隨著另一個(gè)變量變化。相關(guān)又會(huì)分成正相關(guān)和負(fù)相關(guān)兩種情況。舉例說明，下雪外面就會(huì)變冷，這是正相關(guān)。出太陽(yáng)就不會(huì)下雨，這是負(fù)相關(guān)。通常用-1到+1之間的小數(shù)度量?jī)烧咧g的相關(guān)性，+1表示當(dāng)一個(gè)信號(hào)增加時(shí)，另一個(gè)信號(hào)會(huì)成比例地增加，而相反的，-1則表示當(dāng)一個(gè)信號(hào)增加時(shí)，另一個(gè)信號(hào)會(huì)成比例的降低。

作為振動(dòng)分析的一個(gè)振動(dòng)工具，自相關(guān)將波形的其中一半與另外一半進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較。因此，當(dāng)時(shí)域波形中出現(xiàn)任何周期性的信號(hào)時(shí)，兩組信號(hào)的相關(guān)性將使得到的波形中周期性信號(hào)更加明顯，達(dá)到削弱非周期性沖擊的目的。應(yīng)用自相關(guān)時(shí)要注意，采集的時(shí)域波形的長(zhǎng)度至少是2個(gè)轉(zhuǎn)速周期以上。通常4-10個(gè)轉(zhuǎn)速周期比較合適。

（4）PeakVue軸承診斷技術(shù)

相比于gSE或包絡(luò)解調(diào)而言，PeakVue是一種監(jiān)測(cè)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(yīng)力波信號(hào)。應(yīng)力波是一種非常短暫的連續(xù)性脈沖訊號(hào)（百萬(wàn)分之一秒到千分之一秒的范圍）。滾動(dòng)軸承如出現(xiàn)故障，當(dāng)滾珠通過缺陷區(qū)時(shí)，由于油膜中斷會(huì)使金屬直接碰撞，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波屬于低能量信號(hào)，隱藏在振動(dòng)頻譜底層的背景能量中，用常規(guī)的振動(dòng)信號(hào)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(yīng)力波，并且加強(qiáng)信號(hào)，使其高于頻譜的背景能量信號(hào)，從而能更明顯地診斷損壞根源。

3. 滾動(dòng)軸承故障案例

案例為一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)（3B）。電機(jī)轉(zhuǎn)速為四極異步電機(jī)，軸承為滾動(dòng)軸承FAG22226EAS。采用加速度傳感器分別測(cè)量電機(jī)和風(fēng)機(jī)兩個(gè)軸承的軸承座外殼水平(H)、垂直(V)和軸向(A)方向的振動(dòng)量，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)位置如下圖所示。

自2008-1-9日起，時(shí)域波形中發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊信號(hào)，沖擊水平（峰峰值）達(dá)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(shí)周圍還有1倍頻邊帶，符合滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障，查找軸承型號(hào)并計(jì)算故障頻率，發(fā)現(xiàn)該諧波與內(nèi)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(duì)其密切關(guān)注。

2008年7月14日，對(duì)其采集振動(dòng)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)時(shí)域波形上的峰峰值已達(dá)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(shí)內(nèi)圈故障已經(jīng)發(fā)展到比較嚴(yán)重的程度。（此時(shí)振動(dòng)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(shí)域波形圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，基本上會(huì)呈現(xiàn)一組類似的波形，而在每個(gè)周期內(nèi)，則會(huì)有多組高頻沖擊信號(hào)，且幅值會(huì)有較大變化。這是由于滾動(dòng)體隨著內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)出負(fù)載區(qū)所形成的振幅調(diào)制的現(xiàn)象。經(jīng)過自相關(guān)處理后，我們甚至可以清晰看見兩個(gè)較高脈沖之間的相等的時(shí)間間隔（如下圖所示），0.00391s，換算成頻率正是滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈故障頻率：257.71Hz（10.41倍頻）。

停機(jī)檢修時(shí)拆下的軸承照片

4. 結(jié)論

（1）FFT頻譜分析依然是比較有效的滾動(dòng)軸承故障診斷手段，缺點(diǎn)是比較難發(fā)現(xiàn)早期的故障，同時(shí)也有可能遺漏某些軸承故障

（2）需結(jié)合時(shí)域波形、自相關(guān)、PeakVue等多種分析手段，增加判斷的準(zhǔn)確性。

（3）趨勢(shì)分析對(duì)于準(zhǔn)確判斷軸承故障的發(fā)展?fàn)顩r非常有效。