滾動軸承的故障機理及診斷

賈艷秋張兵 陳雪梅

(中國石油吐哈油田公司甲醇廠）（中國石油吐哈油田公司丘東采油廠）（中國石油吐哈油田公司三塘胡采油廠)

滾動軸承的故障機理及診斷

賈艷秋*張兵 陳雪梅

(中國石油吐哈油田公司甲醇廠）（中國石油吐哈油田公司丘東采油廠）（中國石油吐哈油田公司三塘胡采油廠)

介紹了滾動軸承的故障類型和發展歷程，軸承故障頻率的計算公式和包絡分析的原理，并通過實例介紹了滾動軸承的診斷方法。

滾動軸承故障機理診斷

旋轉設備約有30%的故障是因滾動軸承引起的。滾動軸承抱軸、保持架散落常給轉子造成嚴重損壞，有時給設備造成的損失是巨大的。包絡分析采用共振解調技術診斷滾動軸承故障，其應用廣泛，效果也不錯，許多監測儀器均采用這一技術。

1 滾動軸承的故障形式

滾動軸承因制造缺陷、對中偏差大、轉子不平衡、基礎松動、潤滑油變質等因素會加速軸承的損壞。滾動軸承的主要故障形式及其原因如下。

（1）疲勞剝落：滾動軸承首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面，在表層產生點狀剝落，并逐步發展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動軸承失效的主要原因。

（2）磨損：長時間運轉使軸承的內外滾道和滾動體表面不可避免地產生磨損，持續地磨損使軸承間隙增大，振動和噪聲增加。

（3）斷裂：當軸承所受載荷、振動過大時，內外圈的缺陷位置在滾動體的反復沖擊下，缺陷逐步擴展而斷裂。

（4）銹蝕：水分或酸、堿性物質直接侵入會引起軸承銹蝕。當軸承內部有軸電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。

（5）擦傷：在潤滑不良、高速重載工況下，因局部摩擦產生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合，嚴重時表面金屬可能局部熔化，接觸面上的作用力可將局部摩擦焊接點從基體上撕裂下來。

2 軸承故障的發展歷程

軸承失效通常劃分為四個階段。第一階段：故障頻率出現在超聲頻段。此時，軸承故障頻率在加速度譜和速度頻譜圖上均無顯示。第二階段：輕微的軸承故障開始激起軸承元件的固有頻段，一般在500～2 000 Hz范圍內。同時該頻率還作為載波頻率調制軸承的故障頻率。此時，軸承仍可安全運轉。第三階段：軸承故障頻率的諧波開始出現，邊頻帶數目逐漸增多。包絡譜ESP、沖擊脈沖SPM所測故障頻率幅值顯著升高。此時需要停機檢修。第四階段：各種手段所測頻譜圖的基底噪音水平升高，繼而軸承故障頻率開始消失并被隨機振動或噪音代替，能明顯聽到故障軸承產生的噪聲。此時軸承已處于危險狀態。

3 軸承故障頻率計算

1969年，Balderston根據滾動軸承的運動分析得出了滾動軸承的滾動體在內外滾道上的通過頻率和滾動體及保持架的旋轉頻率的計算公式。

內圈滾動，外圈固定，這是滾動軸承最常見的安裝方式。其故障頻率分別為：

式中n——滾動體數目；

d——滾動體直徑；

D——軸承節徑；

θ——接觸角（推力軸承接觸角θ為90°）；f0——轉軸旋轉頻率。

有時在無法測量軸承尺寸時，可以用以下公式估算軸承的故障頻率：

以上公式用于滾動體數目在6～12個的軸承，誤差較小。

4 包絡分析原理

包絡分析采用帶通濾波器，通常選取以加速度傳感器安裝共振頻率為中心的頻帶作為載波頻率，使微弱的軸承故障信號搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來，否則高頻低幅的軸承故障信號在多個界面經過反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對所測信號進行絕對值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調制信號的包絡線，然后進行快速傅立葉變換FFT，便可得到軸承的包絡譜，這個過程也稱為共振解調。

5 測試分析方法

5.1 傳感器放置

滾動軸承的故障檢測主要采用加速度傳感器。加速度傳感器的固定方法通常有雙頭螺栓、磁座、探針。雙頭螺栓的安裝諧振頻率約為27 kHz，磁座安裝的諧振頻率約為7 kHz，探針安裝的諧振頻率約為1.6 kHz。前兩種安裝方式都適用于滾動軸承的故障檢測，探針安裝方式不但諧振頻率低，而且對高頻振動衰減較大，不適宜滾動軸承故障的檢測。

加速度傳感器一般安裝在軸承承受載荷的方向，對于水平放置聯軸器傳動的設備，傳感器安放在軸承座下方；對于皮帶傳動的設備，傳感器安放在兩皮帶輪連線方向軸承座內側。采用磁座安裝方式，需清理掉不平或過厚的油漆。

5.2 測試參數選取

帶通濾波器的中心頻率應選在傳感器安裝諧振頻率的中心，諧振頻率通過現場測試確定。圖1所示是磁座安裝的加速度傳感器的諧振頻率，上限頻率選在10 kHz之上。包絡譜的譜線數一般選800條或1 600條，譜線數多則頻率分辨率好。

圖1 傳感器的安裝諧振頻率

5.3 判斷標準

轉速對軸承包絡譜幅值的影響很大，轉速越高，幅值越大。因此，不同轉速的軸承，其判斷標準也是不同的。最好的判斷標準是在相同工況下對同一類設備比較其包絡譜幅值，或者比較同一臺設備、不同時段的包絡譜幅值趨勢。

5.4 軸承故障分析

圖2是一臺三柱塞注水泵軸承的包絡譜。泵轉速335 r/min，排出壓力25 MPa，流量16 m3/h，驅動電機功率132 kW，電機轉速985 r/min，電機與泵通過皮帶傳動。泵軸承為雙排球面滾子軸承，型號22330。

圖2 故障軸承的包絡譜

根據軸承尺寸計算的軸承故障頻率如下：

內圈故障頻率BPFI=49.6 Hz

外圈故障頻率BPFO=34.2 Hz

滾動體故障頻率BSF=14.7 Hz

保持架故障頻率FTF=2.3 Hz

曲軸轉頻f0=335 r/min=5.58 Hz

經過包絡處理之后，不平衡、松動、皮帶輪偏斜、軸向竄動等頻率都被濾掉了，只用考慮軸承故障和泵進排液閥沖擊。而進排液閥產生的沖擊頻率是泵轉頻的1、3、6…倍，包絡譜中主要頻率分量是43 Hz、87 Hz、130 Hz、260 Hz，不是轉頻5.58 Hz的倍頻分量，由此斷定故障不是由泵進排液閥竄繞引起的。當軸承跑內圓或軸承磨損使間隙增大時也會在包絡譜上產生轉頻及其諧波分量。經過比對，這些頻率分量是滾動體故障頻率14.7 Hz的3、6、9、18倍頻，表明滾動體出現故障，并且很嚴重。

停泵檢查發現，軸承外側內圈滾道已經磨成搓板狀（如圖3所示）。這與包絡譜顯示的滾動體故障頻率不一致，原因是內圈滾道整體剝落，如同滾子損傷。另外，內圈高頻振動傳遞需通過內圈與滾子、滾子與外圈、外圈與軸承座的交界面，振幅衰減為基底噪聲。

圖3 損壞的軸承內圈滾道

6 結束語

了解軸承故障的形式和軸承故障的發展階段，對于診斷軸承故障是十分必要的。掌握軸承故障診斷的分析原理和方法是準確診斷軸承故障的前提。

Malfunction Mechanism and Diagnosis of Rolling Bearing

Jia Yanqiu Zhang Bing Chen Xuemei

Malfunction types and developing process,malfunction frequency calculation equations and envelopment analysis principle of rolling bearings are introduced,and the diagnosis methods of rolling bearings are presented with actual cases.

Rolling bearing;Malfunction mechanism;Diagnosis

TH 133

*賈艷秋，女，1968年生，工程師。鄯善縣，838202。

2010-12-21）