振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用.docx
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振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用
振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用
振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用
摘要:
本文对轴承滚动轴承的常见故障形式进行了解析,并通过振动频谱分析的技术对滚动轴承产生故障的部位特征频率、不同阶段的频率特征进行了阐述。
并将通过频谱分析技术较好应用到了实际的滚动轴承故障诊断过程,提高了现场故障诊断水平,满足了生产维护检修的需要。
关键词:
滚动轴承故障形式特征频率
一、前言
滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件,是轴及其他旋转构件的重要支承,是最早采用专业化大批量生产的机械基础件之一,在日常的使用与维修中发现,轴承同时也是最容易产生故障的零件。
根不完全据统计,在使用滚动轴承的转动设备中,大约有30%的机械故障都是由于滚动轴承而引起的;而在镇海炼化的所有转动设备故障维修统计当中,滚动轴承的故障率甚至在这个数字之上。
二、滚动轴承的常见故障:
由于滚动轴承在实际应用的广泛,其产生的故障现象也多种多样,常见的有以下几种形式:
1、疲劳点蚀:
疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式,由于滚动轴承在工作时,滚动体和滚道之间为点接触或线接触,在交变载荷的作用下,表面间存在着极大的循环接触应力,容易在表面处形成疲劳源,由疲劳源生成微裂纹,微裂纹因材质硬度高、脆性大,难以向纵深发展,便成小颗粒状剥落,表面出现细小的麻点,这就是疲劳点蚀。
严重时,表面成片状剥落,形成凹坑;若轴承继续运转,将形成大面积的剥落。
归类与分析后如右图所示:
第一阶段(超声频率):
轴承最早期出现的问题表现在超声频率的异常,其频率范围开始为250~350kHz。
此后随故障发展,频率范围下移到20~60kHz,此阶段的振动频谱图中显示较为“干净”,即除了工频、二倍频等常规振动频率外,轴承故障的各特征频率均无显现。
所以一般在实际的应用中,会发现轴承的温度比较正常,运行声音也比较均匀,说明轴承在这个阶段基本上没有缺陷存在。
第二阶段(轴承固有频率):
轴承产生轻微缺陷,缺陷产生的冲击激起了轴承元件固有频率的振动或轴承支承部件的共振,其频率范围一般为500Hz~20kHz。
到第二阶段末期,在固有频率的周围开始出现边频带;此阶段的振动频谱图里仅显现出轴承的固有频率成分,随着缺陷的逐渐严重,到二阶段后期在轴承的固有频率前后出现一定边频带。
第三阶段(轴承缺陷间隔频率及其倍频):
初期,轴承缺陷间隔频率开始显现;随着故
障缺陷的发展,更多的缺陷间隔频率的倍频出现,围绕这些间隔频率及其倍频以及固有
频率的边频带的数量也逐步增多,其中不同设备不同轴承的缺陷间隔频率也不尽相同,主要的间隔频率的计算公式见下表所示:
式中,D~滚动体中心圆(节圆)直径,[mm];
d~滚动体直径,[mm];
α~接触角,[角度或弧度];
z~滚动体的个数;
n~轴的转速,[r/min]。
除转速n外,D、d、α、z均可根据轴承型号由轴承样本查出
随着缺陷不断显化,频谱中缺陷间隔频率周围的也会出现许多清晰可见边频带;通过实践证明这时的轴承缺陷已经已肉眼可见,也传递出这样的信息:
此轴承已经到要检修更换的阶段,如果再运行就会存在一定的风险;在日常的诊断或巡检过程中测量到这样的特征频谱,就应该安排此设备的检修。
当然,一般情况下,此时的轴承运行温度会比正常高,运行的噪音会增大,而且存在声音不均匀有杂音。
第四阶段(随机宽带振动):
此阶段的滚动轴承失效已经接近尾声,工频也受影响而明显增大,并产生许多倍频成分,特别是原先为离散的、幅值较突出的缺陷间隔频率和固有频率及其倍频开始“消失”,会出现很多随机的宽带高频“噪声振动”,而且能量较大。
这一阶段对设备来说风险是很大的,极有可能会发生烧轴承、轴承部件开放性断裂这类破坏性故障,造成设备主轴、轴承箱等其他部件的损坏,所以实际的设备管理中应避免这样情况的出现。
在实际现场中,对于滚动轴承的运转状况,人们往往并不关心具体元件(如内圈、外圈、滚动体、保持架)个体的缺陷状况,而是关注整个轴承的总体状况,特别是故障缺陷的程度如何,该不该更换。
因此,根据轴承失效的四个阶段内的主要特征频率成分,来判断滚动轴承当前的状况,是非常的简单与实用。
四、实际应用
某泵轴承箱部位在运行过程当中振动超标,经过采样得到如图1的振动频谱图。
图1:
定位轴承端的振动频谱图
该泵运行的工作转速1481r/min,后端定位轴承型号为SKF7315B。
通过查阅轴承样本并计算可以得出该轴承的部件特征频率:
主轴的工频频率:
f工=n/60=1481/60=24.68Hz
轴承的内圈间隔频率:
f内=174.11Hz
轴承的外圈间隔频率:
f外=122.08Hz
倍数频率
f工
f内
f外
f外
1倍频
24.68
174.11
122.08
52.16
2倍频
49.36
348.22
244.16
104.32
3倍频
74.04
522.33
366.24
156.48
4倍频
98.72
696.44
488.32
208.64
5倍频
123.4
870.55
610.4
260.8
轴承的滚动体的间隔频率:
f外=52.16Hz
则可能出现的倍频:
单位:
Hz
再从频谱图的谱线分布来看,振幅大的频率值与内圈的缺陷特征频率值及其倍频值很接近,由此可以判断该轴承的内圈已经出现了缺陷;再从频谱图中出现了已经出现了多个倍频,而且边频带清晰可见,另外工频的谐波成分也增多、增大,因此表明已进入第三阶段的后期,应该安排更换轴承。
后来在检修针对性的对该轴承内圈进行了检查,发现受力侧轴承的内圈已经出现了很明显的疲劳磨损痕迹(见图2),事实证实了频谱判断的准确性。
图2:
疲劳磨损后的轴承内圈图
当然,轴承的部件损坏可能几个部件同时出现,共同作用产生我们所能检测到的振动频谱.只要对照轴承的特征频率,进行分析就可以得出准确的结果.如重油催化装置的泵306.泵型号为250YsⅡ-150C,开始表现为轴承箱驱动端振动偏大,经频谱采样得到如图3所示的频谱图,
图3:
P306驱动端轴承箱振动频谱图(上图为水平方向,下图为垂直方向)
由频谱图可以看出:
最大振速(mm/s)
对应的频率(Hz)
水平平方向上
5.05
85.98
垂直方向上
6.10
171.20
根据该泵的运行转速RPM=2975,驱动端所用的滚动轴承型号为SKF的7314B,经查轴承样本可得轴承的滚动体特征频率为104.2Hz,保持架的特征频率为20.42Hz,,由此可以看出,此轴承的保持架与滚动体已经同时出现了缺陷.产生了同作用的频率出现在实际的频谱图.对实际轴承的运行情况进行了其他参数的检查,也证实判断的可靠性,因为现场运行过程中轴承的运行声音不均匀,存在冲击声,温度比平常值高,达到了85℃(当时气温约在20℃左右),最后从检修的情况来看,正如频谱所显示的信息一样,该轴承的部分滚动体已经出现较为明显的疲劳磨损麻点(见图4),保持架也受到了不同程度的磨损。
图4:
出现明显疲劳磨损麻点的滚动体
这样的利用频谱诊断故障指导检修的例子在日常的设备维护过程中的应用还有很多,从总体的准确度来看,是比较高的,大大提高了对滚动轴承故障的判断有效性与准确性,从而也提高了日常可靠性维护的程度。
五、结束语
滚动轴承的故障诊断只是整个设备故障诊断的一个方面,设备的诊断技术是一门不断更新发展的科学,随着各种故障诊断技术、电子诊断系统的不断完善与进步,对设备故障诊断的全面性,准确性将不断的提高,对于滚动轴承的故障诊断技术也同样会获得同步的提升,但振动频谱分析技术是一个基础的技术理论与方法,在日常的设备维护,检修计划的制定将会不断的发挥着重要的作用。
参考文献:
1、机械故障诊断学.钟秉林.黄仁主编.机械工业出版社。
1997.12
2、滚动轴承应用,刘泽九贺士荃刘晖编著机械工业出版社2007.5
2009年度技术论文
振动频谱分析
在滚动轴承故障诊断中的应用
何宗旺
建安公司机修一车间
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- 振动 频谱 分析 滚动轴承 故障诊断 中的 应用