軸承故障
一。 緒言
軸承的故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測是機械設(shè)備故障診斷技術(shù)的重要內(nèi)容。
旋轉(zhuǎn)機械的故障中軸承的損壞故障約占30%。
軸承的運行質(zhì)量除軸承元件本身的加工質(zhì)量外,軸承的安裝及裝配質(zhì)量影響很大。
滾動軸承的失效形式:
疲勞點蝕 : 因受滾動壓應(yīng)力
磨損: 因受壓力又有與內(nèi)外座圈的相對滑動
腐蝕: 潤滑油中的水分幾其它化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生銹蝕
裂紋: 由于磨削或淬火時作用而產(chǎn)生
磨粒磨損: 由于磨屑作用而磨損
失效分析方法簡介:
*判定失效形式
*判定誘發(fā)失效的原因
分析程序:《以軸承為例》
1.了解情況
1)了解工作條件
2)載荷情況
3)轉(zhuǎn)速情況
4)潤滑情況
5)溫度與介質(zhì)
二。滾動軸承的振動
隨機振動
由于滾動元件的不圓度及表面的粗糙度引起;
又由于軸承工作,使不圓度及 表面粗糙度增大。
2.受機器各種振動的激勵而引起滾動軸承各元件的諧振
1) 鋼球的諧振頻率FBR
fbr=0.848/2r*(E/2ρ)1/2
E—彈性模量 N/m2
P—滾動元件材料密度 kg/m3
R—滾動元件半徑 m
2 軸承座圈諧振頻率FRR
Frr=K* (K2 –1)*a-2 ( EI/M) -2
a—回轉(zhuǎn)軸線到中性軸半徑 m
K—共振階數(shù)
I—座圈繞中性軸的慣性矩 m4
M—座圈的單位長度的質(zhì)量 kg/m
1. 內(nèi)圈有剝落fi=fo/2(1+dcosβ/D) Z
2. 外圈有剝落 fo= fo/2(1+dcosβ/D) Z
3. 滾動體剝落 fb= Dfo/d[1-(d/D)2cos2β]
4. 保持架有故障 fc=fo/2(1- dcosβ)m
Fo—軸承轉(zhuǎn)頻率
Z—滾珠個數(shù)
d—滾珠直徑(參閱左圖)
D—軸承滾道節(jié)徑
β—接觸角
m—斷裂數(shù)
*注:不論元件上剝落坑有多少,頻率不變。
4. 裂紋的擴展
裂紋的產(chǎn)生及在受載工作中繼續(xù)擴展,不但會引起振動,而且能量還會以熱和聲發(fā)射形式釋放出來。
三。 軸承各種振動在頻譜中的位置
Ⅰ— 各種故障頻率范圍(幾十—幾百 hz)
Ⅱ— 共振頻率范圍(幾十—幾k hz)
Ⅲ— 聲發(fā)射范圍(幾十—幾十k hz)
聲發(fā)射頻帶很寬,工程上都在比較高的頻段中來捕捉聲發(fā)射的信號
四 軸承監(jiān)測與故障診斷方法
1. 振動測試
2. 噪聲測試
3. 溫度測定
4. 油液分析(磨屑分析)
5. 軸承間隙測定
6. 油膜電阻測定
1。振動(噪聲)頻譜分析法
經(jīng)時域多段平均處理后
50HZ——軸頻
36.1HZ——保持架通過頻率
200.91HZ——外圈通過頻率
380HZ——滾動體通過頻率
有故障的滾動軸承倒頻譜分析圖特征值
q1—9.470MS(105.60HZ)—
滾珠故障頻率
q2—37.90MS(26.39HZ)——
內(nèi)圈故障頻率
3、SPM(SHOCK PULSE METHOD)和IFD(INCIPIENT FAILURE DETECTION)法
原理:故障所引起的低頻(通常是數(shù)百HZ以內(nèi))沖擊脈沖激起了高頻(數(shù)十倍于沖擊頻率)共振波形,對它進行包絡(luò)、檢波、低通濾波(即解調(diào)),會獲得一個對應(yīng)于低頻沖擊的而又放大并展寬的共振解調(diào)波形。
共振解調(diào)波的優(yōu)點
1)剔除了低頻振動干擾
2)含有未知的故障信息(即S/N↑)
對于共振解調(diào)波后續(xù)處理方法不同,可分為SPM及IFD法
1) SPM法
它是應(yīng)用共振解調(diào)波的幅值來進行診斷。共振解調(diào)波通過峰值檢波、平均、保持、測得沖擊量值SV。
再用一經(jīng)驗公式獲得均一化沖擊量值
DBN=20log*2000*SV/n*Do.6
SPM法沖擊判別值
0dB 正常狀態(tài) 顯示在綠框
20 dB 不好狀態(tài) 顯示在黃框
35dB 壞的狀態(tài) 顯示在紅框
2) IFD法
該法既應(yīng)用共振解調(diào)波的幅值又利用它的頻率信息,即對共振解調(diào)波進行FFT后做頻譜分析,尋找上節(jié)中提到的軸承各元件故障對應(yīng)的頻率。
4、振動的簡易診斷法
可用簡易的測振儀來獲得軸承工況的信息。
可用多種參數(shù),如波峰因素、峭度、歪度等。
可直接觀察時域 波形
五。 實例
1、某變速箱輸出軸后軸承(型號為50309)滾動體外圈有點蝕,
測試時發(fā)現(xiàn):
時域信號出現(xiàn)調(diào)制峰群
輸入軸轉(zhuǎn)速為1484rpm時:
2258.3Hz為外圈共振頻率
故障調(diào)制頻率:
34.47Hz外圈故障
23.06Hz滾珠故障
2 同一減速機另一次測振時結(jié)果(中間軸軸承)(型號50308)
1)、2258.3Hz為外圈共振頻率
2)、34.32Hz為外圈故障通過頻率
3)、53.1Hz為內(nèi)圈故障通過頻率
第二部分 滑動軸承故障及其診斷
一.滑動軸承的故障
1. 潤滑不良
2. 間隙不當(間隙過大,間隙過?。?br />3. 軸瓦碰摩
二.潤滑不良引起的振動
1. 半速渦動 ωj=ω/ 2 ω—軸角頻率
ωj—軸徑中心O’ 繞軸承中心旋轉(zhuǎn)角頻率,方向同。
一般ωj ≤ ω/ 2
2. 油膜振蕩
當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到第一臨界轉(zhuǎn)速兩倍時,而
ωj= ω/2= ωr,此時會產(chǎn)生激 烈振動,振幅突然升高。
ωr —諧振角頻率
3.油液不結(jié)會引起運轉(zhuǎn)不穩(wěn)
指軸與軸瓦間不能形成穩(wěn)定油膜來支撐轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)
三. 滑動軸承軸瓦間隙不當引起的振動。
1. 間隙過小——不能形成穩(wěn)定的油膜層,有小的高頻的振動,間有低頻振動。
* 可以通過瓦溫與回油溫度即可判別。
2. 間隙過大——主振頻率為軸頻Fo(與不 平衡及平行不對中故障類似)徑向振動大。
3. * 不同處 A)單一方向定向振動(松動是上下的)
B)振動隨負荷增大而增大
C)降低油溫,振動會有下降
D)頻譜圖上會出現(xiàn)高頻成分
四. 滑動軸承軸瓦碰摩引起振動
1. 產(chǎn)生高頻和分頻成分,但不是線性,幅值不穩(wěn)定
2. 與純間隙不當?shù)恼駝?,頻譜更豐富(包括高、低頻)
3. 碰摩愈重,1/2分頻越突出
五. 實例
1. 空壓機 額定轉(zhuǎn)速7560r/min,額定功率4170kW,五塊可傾徑向軸承。
問題:從7000r/min提升7050r/min,壓縮機兩端產(chǎn)生振動,主頻在1/3Fo,即使再降低轉(zhuǎn)速每明顯好轉(zhuǎn)。
處理:把油溫降低50C
反應(yīng):振動值下降從160μm降至150μm,主頻轉(zhuǎn)為Fo
判定:由于油膜不潔而不穩(wěn)定,引起軸瓦和軸徑干摩擦,潤滑不良
維修:把油過濾除去油中雜質(zhì)及水分
效果:一切正常
2. 空壓機
額定功率2500kW,額定轉(zhuǎn)速8290r/min,五塊可傾徑向軸承
問題:開車后發(fā)生間隔2小時的間歇振動,且振動循環(huán)周期越來越短,603ch達滿量程,主導(dǎo)頻率為軸頻F0,體現(xiàn)定向振動最后只得降負荷降轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。
判定:軸瓦間隙不當(過大)
3. 富氧壓縮機
額定轉(zhuǎn)速12552r/min
問題:汽輪機靠聯(lián)軸節(jié)端9號瓦振動偏高
分析及處理:在譜圖上除f0外,有f0的2.3……高倍頻成分,隨負荷增大,振動值明顯增大
判定:軸瓦間隙過大
解體觀察:9號軸瓦軸承座下面固定螺栓松脫,造成軸瓦松動,使間隙偏大
4. 循環(huán)機壓縮機
額定功率1860KW,額定轉(zhuǎn)速72094R/MIN,五塊可傾瓦徑向軸承
問題:
壓縮機曾進水并造成機組功率突然提高,排水后重新開車,振動惡化。
在800ch,振值由4μm增到10μm
在801ch,振值達滿量程
但機組軸瓦溫度及潤滑油溫度沒變化
測定:
F0二陪頻振值明顯增大,在1/2 F0 處出現(xiàn)低值寬帶,但振值不穩(wěn)定,機組負荷由80%提高到85%時,全頻道振值增大,在1/2處振幅增大更明顯。
判定:
由于進水后,機組功率增大,造成轉(zhuǎn)子與末端軸瓦摩碰,使支撐油膜破壞引起激烈振動,隨負荷增加情況惡化。
開機檢查:五塊瓦均有不同程度研磨
六.實驗分析
用短時付氏變換
S(t.f)=∫-∝+∝x(t)h(t-?)e ̄2j?f?d?
分析實驗結(jié)果:
1. 非接觸摩擦(有潤滑油):大多分布在3KHz以下
2. 輕度摩擦
(停油,留有一定油量,軸承間油膜時有破裂,軸與軸承短暫接觸)無論頻率還是幅值波動較大,主頻大致在6KHZ到10KHZ
3. 嚴重摩擦
油膜完全破裂,軸與軸承持續(xù)接觸)
由于軸與軸承連續(xù)接觸,接觸面較大,摩擦力的沖擊則較小且穩(wěn)定,所以振值反而比輕度摩擦微笑且平穩(wěn),其主頻大致在6KHZ左右。
七. 小經(jīng)驗介紹:
1. 某廠在長年監(jiān)測基礎(chǔ)上得出了一條非常有效而實用的經(jīng)驗:在軸承座的鉛垂方向和水平方向同時監(jiān)測其振動值時,由于軸承座的水平方向剛性小,因此一般來講水平方向振動值大于鉛垂方向。
一旦鉛垂方向的振值>水平方向的振值時,則軸瓦振裂。
由于軸瓦振裂,間隙增大,剛性減小會出現(xiàn)各種振動頻率成分,并使整個振動振幅增大。
2. 軸承運轉(zhuǎn)聲音的診斷
設(shè)備開動,各部軸承都在飛速運轉(zhuǎn),必然產(chǎn)生各種聲響。這些聲響中,有的屬于正常的聲響,有的則屬于異常聲響。異常的聲響表現(xiàn)為滾動軸承或滑動軸承的故障先兆或是故障正在形成,或已經(jīng)發(fā)生。因此,我們就要通過各種聲響,采取不同的辦法加以排除,以保證設(shè)備正常運行。
滾動軸承或滑動軸承在運轉(zhuǎn)中,其正常的工作狀態(tài)是:運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輕快、無停滯現(xiàn)象,發(fā)出的聲音和諧,而無任何雜音。如為“嘩嘩”聲音,均勻連續(xù)而無間斷,則為正常的聲響,亦說明潤滑良好。若有下列聲響者,就是潤滑不良的聲音或其他故障聲響:如“咝咝”的聲音:是軸承內(nèi)加脂量不夠,缺少油脂所致,正確的是油的粘度應(yīng)高些,填充空隙在1/2~1/3之間,潤滑油面的高度一般不超過最低的一個鋼球的中心線。
“咝咝、沙沙”的聲音,是設(shè)備停機時間過長或是軸承徑向間隙過小,形成不了良好的潤滑油膜,應(yīng)清洗調(diào)整。
“嘩嘩”的聲音中有周期性的“嗬羅!嗬羅”聲音,則表明內(nèi)外圈滾道出現(xiàn)傷痕、溝槽、銹蝕斑點等現(xiàn)象。
“哽哽”聲音,且不連續(xù),則說明滾動軸承保持架或內(nèi)外圈有裂紋,經(jīng)過運轉(zhuǎn)沖擊裂紋加深加大,是潤滑不良所致。
“嚓嚓!”的聲音,且極規(guī)則,不均勻,則說明裝配時或保養(yǎng)中掉入雜物,即鐵屑、砂粒或潤滑油不干凈,加油時帶入的雜質(zhì)。
“沙沙!”的連續(xù)且不規(guī)則的聲音,有可能是內(nèi)圈有軸配合過松,或外圈與軸承孔配合過松所致。
“刺耳的嘯叫”聲音,且設(shè)備振動也較大,則是潤滑不良,干摩擦,或滾動件局部接觸過緊,內(nèi)外滾道偏斜,軸承外圈配合過緊等引起。
“咯吧、咯吧!”的尖叫聲,則說明滾珠或滾棒破裂,破壞了正常潤滑所致。
“哐當、哐當!”的敲擊聲,是滑動軸承與軸之間的間隙過大,機器運轉(zhuǎn)時,在交變力的作用下,軸在軸承中跳動,潤滑油流失較快,不能形成適當?shù)挠湍に?br />“咣!咣!咣!”的聲音,滑動軸承停機時間過長,軸承潤滑油流失,在啟動時的瞬間潤滑油未形成一個完整的具有流體壓力的油膜,未將軸“托”起來,使軸頸與軸承沒有足夠的油膜完全隔開,相互接觸的緣故