四点接触球轴承疲劳寿命与频域振动关系
2015-07-30朱亮李言姜国平马小华汤占岐
朱亮，李言，姜国平，马小华，汤占岐
(1.北方民族大学 化工学院，银川 750021； 2.西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048)
在机电工业中，滚动轴承的运行状况直接影响主机的运行质量[1]。四点接触球轴承广泛应用于旋转机械，30%的故障与其失效有关[2]。滚动轴承的失效必然导致机械装置运行不正常，甚至引发灾难性的后果[3]。因此，对滚动轴承的故障诊断至关重要。
下文以QJ304四点接触球轴承为例，在疲劳寿命试验中对其频域振动进行分析,对轴承故障的诊断与分析提供了有效的方法，减少了生产损失。
1 寿命试验原理及转动频率
1.1 试验设备及方法
被测轴承的安装方式如图1所示。
1，4—温度监测点；2—3#轴承；3—振动监测点；5—4#轴承；6—1#，2#轴承图1 轴承寿命试验示意图
图中，1#，2#轴承承受试验载荷，3#，4#轴承起支承作用，被测轴承为1#。对轴承进行常速恒定载荷疲劳寿命试验时，施加径向载荷Fr=3.2 kN，轴向载荷Fa=19.7 kN，转速300 r/min，将轴承转轴视为刚体。试验温度24 ℃，采用循环油润滑。QJ304轴承主要参数见表1。
表1 QJ304轴承主要参数
试验过程中轴承承受外载荷，润滑油的性能较好，轴承产生的振动加速度主要集中在径向，轴向可忽略不计[4]。根据轴承结构，轴承运转可能产生的振动原因主要有自身结构、制造或使用等因素，重点分析轴承磨损过程中的振动情况，其主要是由轴承各个接触表面缺陷所引起的，特征是：由钢球与内、外圈或保持架等之间的压痕、裂纹等缺陷引起振动，产生周期性噪声。
轴承疲劳寿命试验方法：由轴承温升及噪声检测时域内寿命(过程从略)；由振动幅值谱检测其频域内寿命；由时域寿命值和理论寿命值验证频域寿命值的正确性。
1.2 转动频率
试验转速为300 r/min，则内圈转动频率为5 Hz。根据QJ304轴承结构参数及相关理论可知[5]：内圈转1周，通过内圈固定点的钢球次数为4.723，因此，内圈理论故障特征频率值为23.615 Hz，外圈故障特征频率值为14.387 Hz，钢球故障特征频率值为10.968 Hz，上述3个频率值为QJ304轴承在试验工况下发生疲劳破坏的故障频率，其他部件的故障频率见表2。为了与试验状态保持一致，计算时假设外圈固定。
表2 轴承零件故障特征频率 Hz
2 轴承振动信号采集
轴承转动基频为5 Hz, 取振动信号采样周期为0.001 s。采用高灵敏度加速度传感器和数据采集仪对QJ304轴承振动加速度信号进行检测。为了精确检测振动加速度值的变化情况，在轴承座径向的3个不同位置安装加速度传感器，如图2所示。
图2 振动信号频域测试装置
在采集振动信号的过程中，把测试周期分为：轴承初始磨损阶段，对应时域为0～1 400 s；中期磨损阶段，对应时域为308 200～309 600 s；后期磨损阶段，对应时域为574 600～576 000 s，时间间隔均为1 400 s。首先对振动信号进行检测，再通过FFT[6](快速傅里叶变换)算法计算，最后在频域内使用SIGVIEW软件分析轴承振动特性的变化规律。
3 结果与分析
随着轴承磨损，其振动信号发生波动。根据检测振动信号振幅，分段处理测得的数据，轴承不同阶段的幅值如图3所示。
图3 轴承各磨损阶段幅值谱图
由图可知，在不同磨损阶段，随着峰值的增大，轴承的振动逐渐加剧。由SIGVIEW软件计算得到图中的关键峰值点数据见表3。其顺序由软件根据各个数据对轴承振动的影响程度依次自动生成，峰值最大为0，5个振动加速度级完全可以代表各阶段的磨损特性。
表3 QJ304轴承各磨损状态特征值
由表中振动加速度特征频率值可知，在轴承寿命试验的3个磨损阶段中，峰值较大时所对应的频率均较小，因此造成轴承故障的主要原因是低频振动。
轴承在磨损初期和中期，振动加速度谱峰值均较小，在磨损初期没有出现轴承故障频率，特征频率无明显的变化规律；轴承磨损中期包含1个轴承故障频率，即9.570 Hz(峰值点4)，与故障频率10.968 Hz较接近，轴承开始有疲劳破坏的倾向；轴承磨损后期，尤其是轴承发生疲劳破坏后，出现2个轴承故障频率，即23.93 Hz(峰值点1)以及12.99 Hz(峰值点3)，分别与内、外圈的故障频率23.615 Hz，14.387 Hz比较接近，而且以内圈故障频率为主，最大谱峰出现在频率为23.93 Hz时，与相邻的峰值点3，4，5存在近似的0.5，2，3倍频率关系；峰值点2对应频率为0.68 Hz<1 Hz，故不予考虑，由此可以判定内圈发生了疲劳破坏。此时轴承运转时间对应于频域内疲劳寿命约为160 h；在相同试验条件下，通过温度检测法以及噪声判断，测得轴承时域内疲劳寿命为162 h；利用轴承额定寿命计算公式[7]，可得其理论寿命值为150 h，试验值与理论值的误差在实际工程应用的范围内。
4 结束语
在轴承疲劳寿命试验中，通过分析时域和频域内轴承振动加速度可知，内圈疲劳寿命短，得到的轴承疲劳寿命值与理论分析结果基本相符。通过分析轴承振动加速度幅值谱可知，检测重点应放在轴承磨损阶段的后半期，可提高轴承故障诊断的准确性以及工作效率。
