船用滚动轴承故障振动特性及判定

(海军驻哈尔滨地区舰船配套军事代表室，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

滚动轴承是舰船机器上的易损件，许多机械故障都是因为轴承损坏而引起的。严重的轴承故障会导致机器设备产生剧烈的振动和噪声。降低设备效率，甚至引起设备损坏。因此，长期以来对滚动轴承多采取定期更换的维修模式，以此确保设备的正常运行。但这种方式在许多场合下却是不可取的，因为轴承的原始状态、工作条件都很复杂，其使用寿命很难预测，据国外资料介绍，如果按轴承的预期寿命进行更换，轴承的有效寿命的90%将被浪费掉。此外，更换轴承时也可能忽视新轴承的质量进而酿成设备故障。因此对滚动轴承实际状况实施有效的监测诊断，按实际状态进行维修才是正确的做法。目前，用于监测诊断滚动轴承的方法很多，其中以振动诊断应用最广泛、最有效。本文就振动诊断方法做如下介绍。

1 滚动轴承各部件频率特性

滚动轴承是旋转机械转子系统以及部分往复机械曲轴组件的重要支撑部件，其基本结构包括外圈、内圈、滚动体、保持架等结构。结构图如图1所示。

图1 滚动轴承结构简图

对滚动轴承实施振动诊断的基本方法是频率分析，滚动轴承的振动频率成分非常丰富，每一个元件都有各自的故障频率特征，因此，通过振动分析不但可以判断轴承有无故障，而且可以具体地判断轴承中损坏的元件。滚动轴承的主要振动频率特征如下。

1.1 通过频率

当滚动轴承元件出现局部损伤时，轴承的内外圈或滚动体出现疲劳剥落坑，如图2所示，设备在运行中就会出现相应的振动频率，称为故障特征频率，又叫轴承通过频率。各元件的通过频率的计算公式见表1，其中结构参数所表示的意义见图3。表1中各公式的计算公式中的计算符号适用于轴承外圈固定内圈转动的情况。

图2 轴承原件上的疲劳剥落坑示意图

表1 滚动轴承各结构回转频率参数计算公式

注：fr—滚动轴承内圈的回转频率(Hz)；fr=n/60n为内圈转数(r/min);d—滚动体直径(mm);D—轴承节精(mm)；z—滚动体个数；a—压力角。

1.2 固有频率

滚动轴承在运行过程中，由于局部缺陷或结构不规则而产生振动，激发各元件以其固有频率进行振荡。此时，轴承振动的时域曲线是以零件回转间隔为包络的高频振动曲线。见图4。而此时轴承各主要部件的固有频率的计算公式见表1～表2，滚动轴承的固有频率范围一般为1～20kHz。

图4 滚动轴承产生冲击振动的时域波形

表2 滚动轴承主要各结构件固有频率计算公式

1.3 其它频率

滚动轴承是一种精度要求很高的精密零件，但由于制造上的误差(如波形超标，滚动体直径不一致)，以及安装运转中出现的种种问题(如轴不对中、内外套配合松动等)，由此还会产生一些其它的高阶频率成分。所以在分析轴承振动的原因时，找出各主要部件固有频率就显得十分重要了。

2 滚动轴承振动诊断方法

采用简易振动诊断法诊断滚动轴承，主要是频率分析。轴承的每个元件都有其故障特征频率，因此通过频率分析，不但可以发现故障，而且可以确定发生故障的元件。滚动轴承的故障频率分布有一个明显的特点，往往在低频和高频两个频段内都有表现。所以在进行频率分析时，可以选择两个频段进行分析。低频段分析的频率范围f<1000Hz，覆盖轴承通过频率，高频段分析的频率范围f=1000～10000Hz，主要是固有频率及高次谐波。在轴承故障的早期，高频段反映比较灵敏，但一般只能辨别其总体状态，即做出有无故障及其严重程度的结论;而低频段分析一般可以确诊故障的部位。如分别采用两个频段分析，做到两种情况互相印证，其效果更佳。此外，参考轴承的振动波形也有助于故障判别。

3 滚动轴承的诊断实例

某舰船用变频机组，主轴转速，2996r/min(轴频50Hz)设备结构如图5所示。通过计算，设备上端轴承各特征频率分别为内圈f1=390Hz，外圈f0=260Hz，滚动体fb=117Hz，保持架fc=20Hz，在一段时间内变频电机运行不正常。对图5中A处的速度信号作频率分析。图6频谱图中20Hz的频率峰值最为突出，成保持架的特征频率，此外还有转速，频率及分数倍低次谐波，说明有非线性问题存在。

图5 变频机组主轴上端结构

图6 变频机上端轴承速度信号频谱

图7 变频机上端轴承速度信号时域波形

从时域波形图7上可见，其振动波形上下不对称，下边呈“截头”状，上边尖锐突出，呈摩擦特征。拆机检查发现，轴承座孔有滑动摩擦痕迹，孔径呈不均匀磨损，保持架破裂。经查明，引起故障的原因，主要在安装不良，对中性不好所致。

4 结语

利用振动特征法诊断滚动轴承的故障，它能在现场有效的检测出轴承的破碎、裂纹、压痕、磨损、电蚀擦伤、烧固等故障。对轴承锈蚀、保持架破坏、蠕变等故障的检测也具备一定的可行性。实际操作又十分简便，因此是一种应用广泛且很有成效的检测手段。此外， 利用振动特征对滚动轴承实施有效的监测诊断可以保障按实际状态进行轴承部件的维修，避免因此产生的损失，因此也是一种经济有效的检测方法。