滾動(dòng)軸承故障的傾向化研究

張 劍

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司設(shè)備振動(dòng)診斷中心，山東萊蕪 271100）

0 引言

通過長期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，滾動(dòng)軸承作為通用零部件在各類機(jī)械中廣泛應(yīng)用，由于自身結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境比較復(fù)雜，極易出現(xiàn)故障損傷。在各類機(jī)械故障中滾動(dòng)軸承造成的故障有很大占比，直接關(guān)系到整臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。所以對(duì)于滾動(dòng)軸承故障的裂化傾向進(jìn)行研究具有非常實(shí)際的現(xiàn)實(shí)意義。

在現(xiàn)場(chǎng)故障診斷中，利用振動(dòng)信號(hào)，獲取故障特征是最有效的手段之一。然而以往對(duì)于滾動(dòng)軸承診斷研究主要是基于恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下對(duì)軸承結(jié)構(gòu)組件的基本特征頻率的計(jì)算上。但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中軸承的工作環(huán)境是隨著負(fù)載、工況不斷地發(fā)生變化的，尤其是現(xiàn)在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，變速變載、低速重載現(xiàn)象非常普遍。由于變量的增加，使得滾動(dòng)軸承在故障診斷分析時(shí)的特征頻率計(jì)算變得非常復(fù)雜。運(yùn)行狀態(tài)條件下，要想快速分析判斷、做出預(yù)警這是非常困難的事情，即使知道軸承型號(hào)，也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的不確定，造成各故障頻率的計(jì)算誤差非常大，不具備實(shí)用價(jià)值，存在一定的局限性。而且多數(shù)情況，軸承任意組件發(fā)生故障，與其接觸的組件也都會(huì)存在不同程度的損傷，軸承均要整體更換。

1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，很多情況下振動(dòng)趨勢(shì)管理可以更好、更貼合實(shí)際工作。監(jiān)測(cè)振動(dòng)趨勢(shì)變化，掌握裂化傾向比計(jì)算某一特征頻率更具實(shí)際意義。軋機(jī)在鋼鐵企業(yè)中是一重要設(shè)備，由于工況總是處在變速、變載的狀態(tài)下，并存在嚴(yán)重的沖擊，軸承的損壞現(xiàn)象是比較嚴(yán)重的。因?yàn)檐堜撨^程中軋材的尺寸、材料、溫度、軋制下壓量、走鋼速度都是變量，要想準(zhǔn)確的計(jì)算出軋機(jī)工作狀態(tài)下軸承組件的特征頻率和確定合理的振值幾乎是不可能的。針對(duì)這一問題我們開展了軋機(jī)軸承故障傾向化研究。

2 振動(dòng)趨勢(shì)分析

針對(duì)某一軋線初軋電機(jī)疑似有故障的聯(lián)軸器側(cè)軸承，采用能夠連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的儀器進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)，同時(shí)進(jìn)行了熱成像監(jiān)測(cè)。在軋機(jī)連續(xù)工作的狀態(tài)下，通過使用壓電式加速度傳感器ICP（Integrated Cir原cuits Piezoelectric，內(nèi)置壓電傳感器），磁力座固定方式，采集該軸承在整個(gè)工作狀態(tài)下的振動(dòng)加速度信號(hào)的波形頻譜進(jìn)行對(duì)比分析。為了進(jìn)一步驗(yàn)證軸承損壞情況，在隨后的2個(gè)月時(shí)間里進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該軸承有明顯的高頻振動(dòng)隨時(shí)間逐步向低頻區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，在不同時(shí)間所采集的水平方向同一位置的電機(jī)前軸承振動(dòng)加速度波形頻譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)3個(gè)規(guī)律。

圖1 2014-12-31電機(jī)前軸承振動(dòng)加速度波形頻譜

圖2 2015-01-06電機(jī)前軸承振動(dòng)加速度波形頻譜

圖3 2015-01-27電機(jī)前軸承振動(dòng)加速度波形頻譜

圖4 2015-02-04電機(jī)前軸承振動(dòng)加速度波形頻譜

圖5 2015年2月4日 整個(gè)軋鋼過程的振動(dòng)加速度波形

（1）波形中有明顯的沖擊信號(hào)，隨著故障不斷的發(fā)展，沖擊現(xiàn)象逐漸模糊，但到了后期又逐漸如圖4變得清晰，沖擊變得越來越密，并出現(xiàn)方向性偏差。這代表著軸承接觸面上的缺陷從開始小范圍較突出逐漸變?yōu)榇竺娣e存在，沖擊現(xiàn)象減弱，但后期隨著缺陷點(diǎn)的嚴(yán)重，沖擊又會(huì)變得明顯，這時(shí)軸承已經(jīng)使用壽命結(jié)束，需要及時(shí)更換了。

（2）在每次監(jiān)測(cè)中頻譜都存在1 kHz以下成分。幾次數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到圖1中（3.5～5）kHz的高頻區(qū)域逐漸前移進(jìn)入低頻區(qū)，最終與1 kHz以下成分匯合。高頻區(qū)域又出現(xiàn)了新的頻譜成分。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)都有了頻率成分，說明故障點(diǎn)分布范圍很大。

（3）最終振動(dòng)頻譜成分均集中到了低頻區(qū)域。如圖4所示2015-02-04多在3 kHz以下。在波形圖中沖擊信號(hào)明顯不對(duì)稱，無量綱參數(shù)歪度逸3、峭度逸25，進(jìn)一步說明軸承壽命已到盡頭。

圖5記錄了最后一次監(jiān)測(cè)記錄，完整的4道軋振動(dòng)加速度波形信號(hào)，可以清楚地看到在每一次軋制的開始與結(jié)束時(shí)都存在很大的沖擊現(xiàn)象，并能清楚地看到波形信號(hào)正負(fù)不對(duì)稱，負(fù)方向明顯大很多，說明軸承剛度不一致，存在方向性偏差，瞬間峭度值超過了3，說明軸承損傷嚴(yán)重尤其是外圈滾道。

3 熱成像分析

在進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)進(jìn)行了熱成像的分析，對(duì)該電機(jī)故障軸承拍攝紅外圖像，分析該軸承的溫度分布情況。正常情況軸承沒問題時(shí)，軸承端蓋在等半徑的位置上溫度應(yīng)該一致，但該軸承端蓋左側(cè)下方位置明顯溫度偏高。2015-01-06的最高溫度46.3℃（圖6），端蓋圓周方向臨近溫度41.6℃，差4.7℃。2015-02-04的最高溫度38.9℃（圖7），端蓋圓周方向臨近溫度33.3℃，差5.6℃。

圖6 2015-01-06的熱成像

熱成像的優(yōu)點(diǎn)是通過紅外圖片可以對(duì)溫度的分布情況更加直觀，從圖7中可以清楚地看到2月4日的高溫發(fā)亮熱點(diǎn)的區(qū)域較1月6日的更加集中，增加了1℃。

4 結(jié)果驗(yàn)證

將故障軸承下線解體檢查，發(fā)現(xiàn)如圖8、圖 9所示情況，滾動(dòng)體嚴(yán)重磨損，內(nèi)圈對(duì)應(yīng)滾道接觸面積明顯沿軸向變寬，外圈下滾道對(duì)應(yīng)熱成像高溫區(qū)域已經(jīng)形成條狀振痕。根據(jù)發(fā)展情況判定軸承故障為后期，更換時(shí)間非常及時(shí)。

圖8 軸承內(nèi)圈

在日常點(diǎn)檢發(fā)現(xiàn)軸承有輕微異音時(shí)，選擇大量程、高分辨率儀器，采用定期連續(xù)采集的方式，可以捕捉到軸承高頻振動(dòng)成分隨裂化加劇逐漸向低頻區(qū)轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，再結(jié)合無量綱參數(shù)歪度、峭度指標(biāo)，結(jié)合熱成像技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)聽診等多種手段的綜合分析，對(duì)變速變載工況下滾動(dòng)軸承故障做出準(zhǔn)確的提前預(yù)警。從發(fā)現(xiàn)問題到下線檢修，做到了2個(gè)月的預(yù)警時(shí)間，這在滾動(dòng)軸承中后期故障判斷上具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖9 軸承外圈