四點接觸球軸承疲勞壽命與頻域振動關系

朱亮，李言，姜國平，馬小華，湯占岐

(1.北方民族大學 化工學院，銀川 750021； 2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048)

在機電工業中，滾動軸承的運行狀況直接影響主機的運行質量[1]。四點接觸球軸承廣泛應用于旋轉機械，30%的故障與其失效有關[2]。滾動軸承的失效必然導致機械裝置運行不正常，甚至引發災難性的后果[3]。因此，對滾動軸承的故障診斷至關重要。

下文以QJ304四點接觸球軸承為例，在疲勞壽命試驗中對其頻域振動進行分析,對軸承故障的診斷與分析提供了有效的方法，減少了生產損失。

1 壽命試驗原理及轉動頻率

1.1 試驗設備及方法

被測軸承的安裝方式如圖1所示。

1，4—溫度監測點；2—3#軸承；3—振動監測點；5—4#軸承；6—1#，2#軸承圖1 軸承壽命試驗示意圖

圖中，1#，2#軸承承受試驗載荷，3#，4#軸承起支承作用，被測軸承為1#。對軸承進行常速恒定載荷疲勞壽命試驗時，施加徑向載荷Fr=3.2 kN，軸向載荷Fa=19.7 kN，轉速300 r/min，將軸承轉軸視為剛體。試驗溫度24 ℃，采用循環油潤滑。QJ304軸承主要參數見表1。

表1 QJ304軸承主要參數

試驗過程中軸承承受外載荷，潤滑油的性能較好，軸承產生的振動加速度主要集中在徑向，軸向可忽略不計[4]。根據軸承結構，軸承運轉可能產生的振動原因主要有自身結構、制造或使用等因素，重點分析軸承磨損過程中的振動情況，其主要是由軸承各個接觸表面缺陷所引起的，特征是：由鋼球與內、外圈或保持架等之間的壓痕、裂紋等缺陷引起振動，產生周期性噪聲。

軸承疲勞壽命試驗方法：由軸承溫升及噪聲檢測時域內壽命(過程從略)；由振動幅值譜檢測其頻域內壽命；由時域壽命值和理論壽命值驗證頻域壽命值的正確性。

1.2 轉動頻率

試驗轉速為300 r/min，則內圈轉動頻率為5 Hz。根據QJ304軸承結構參數及相關理論可知[5]：內圈轉1周，通過內圈固定點的鋼球次數為4.723，因此，內圈理論故障特征頻率值為23.615 Hz，外圈故障特征頻率值為14.387 Hz，鋼球故障特征頻率值為10.968 Hz，上述3個頻率值為QJ304軸承在試驗工況下發生疲勞破壞的故障頻率，其他部件的故障頻率見表2。為了與試驗狀態保持一致，計算時假設外圈固定。

表2 軸承零件故障特征頻率 Hz

2 軸承振動信號采集

軸承轉動基頻為5 Hz, 取振動信號采樣周期為0.001 s。采用高靈敏度加速度傳感器和數據采集儀對QJ304軸承振動加速度信號進行檢測。為了精確檢測振動加速度值的變化情況，在軸承座徑向的3個不同位置安裝加速度傳感器，如圖2所示。

圖2 振動信號頻域測試裝置

在采集振動信號的過程中，把測試周期分為：軸承初始磨損階段，對應時域為0～1 400 s；中期磨損階段，對應時域為308 200～309 600 s；后期磨損階段，對應時域為574 600～576 000 s，時間間隔均為1 400 s。首先對振動信號進行檢測，再通過FFT[6](快速傅里葉變換)算法計算，最后在頻域內使用SIGVIEW軟件分析軸承振動特性的變化規律。

3 結果與分析

隨著軸承磨損，其振動信號發生波動。根據檢測振動信號振幅，分段處理測得的數據，軸承不同階段的幅值如圖3所示。

圖3 軸承各磨損階段幅值譜圖

由圖可知，在不同磨損階段，隨著峰值的增大，軸承的振動逐漸加劇。由SIGVIEW軟件計算得到圖中的關鍵峰值點數據見表3。其順序由軟件根據各個數據對軸承振動的影響程度依次自動生成，峰值最大為0，5個振動加速度級完全可以代表各階段的磨損特性。

表3 QJ304軸承各磨損狀態特征值

由表中振動加速度特征頻率值可知，在軸承壽命試驗的3個磨損階段中，峰值較大時所對應的頻率均較小，因此造成軸承故障的主要原因是低頻振動。

軸承在磨損初期和中期，振動加速度譜峰值均較小，在磨損初期沒有出現軸承故障頻率，特征頻率無明顯的變化規律；軸承磨損中期包含1個軸承故障頻率，即9.570 Hz(峰值點4)，與故障頻率10.968 Hz較接近，軸承開始有疲勞破壞的傾向；軸承磨損后期，尤其是軸承發生疲勞破壞后，出現2個軸承故障頻率，即23.93 Hz(峰值點1)以及12.99 Hz(峰值點3)，分別與內、外圈的故障頻率23.615 Hz，14.387 Hz比較接近，而且以內圈故障頻率為主，最大譜峰出現在頻率為23.93 Hz時，與相鄰的峰值點3，4，5存在近似的0.5，2，3倍頻率關系；峰值點2對應頻率為0.68 Hz<1 Hz，故不予考慮，由此可以判定內圈發生了疲勞破壞。此時軸承運轉時間對應于頻域內疲勞壽命約為160 h；在相同試驗條件下，通過溫度檢測法以及噪聲判斷，測得軸承時域內疲勞壽命為162 h；利用軸承額定壽命計算公式[7]，可得其理論壽命值為150 h，試驗值與理論值的誤差在實際工程應用的范圍內。

4 結束語

在軸承疲勞壽命試驗中，通過分析時域和頻域內軸承振動加速度可知，內圈疲勞壽命短，得到的軸承疲勞壽命值與理論分析結果基本相符。通過分析軸承振動加速度幅值譜可知，檢測重點應放在軸承磨損階段的后半期，可提高軸承故障診斷的準確性以及工作效率。