軸承外圈故障帶轉(zhuǎn)軸邊帶的分析與研究

　　利用CSI2130雙通道振動(dòng)采集儀，對(duì)冷軋廠彩涂風(fēng)機(jī)軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行了幅域、頻域分析，發(fā)現(xiàn)了軸承損壞的故障頻率，并找到風(fēng)機(jī)軸承發(fā)熱損壞的根本原因。

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更有意義的是，清楚了生產(chǎn)實(shí)際中軸承故障模式及故障機(jī)理與故障診斷理論學(xué)術(shù)研究結(jié)論的差異，從而更緊密的將學(xué)術(shù)理論與冶金設(shè)備運(yùn)行實(shí)際結(jié)合起來，不是形而上學(xué)的照搬照抄，結(jié)果是更為有效的在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)造成故障的根本原因。

　　1 概述

　　冶金企業(yè)的設(shè)備日趨超大型化、超精密華、超復(fù)雜化，決定了生產(chǎn)線設(shè)備各零部件間有更為緊密地有機(jī)，零部件之間的這種緊密的相關(guān)性決定了在生產(chǎn)實(shí)際中設(shè)備所表現(xiàn)故障模式以綜合故障居多，單一故障反倒較少見。

現(xiàn)有的故障理論以研究單一故障為基礎(chǔ)，根據(jù)單一故障模式抽象出一般規(guī)律，就單一故障來講使故障模式化。如果照搬套用，常常會(huì)不符合冶金企業(yè)機(jī)、電、液、集合極為復(fù)雜的生產(chǎn)線。

本文論述對(duì)彩涂風(fēng)機(jī)軸承進(jìn)行測(cè)試，利用頻譜分析找到風(fēng)機(jī)軸承發(fā)熱的內(nèi)因是由于軸承外圈松動(dòng)使得軸承與軸承座間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起摩擦生熱，從而造成軸承損壞(外在表現(xiàn))的綜合故障。認(rèn)識(shí)到故障理論的建立是有其限制條件的，不了解這些先決條件，對(duì)故障理論就不能較深入的理解，只能是對(duì)故障理論結(jié)論的機(jī)械套用，診斷結(jié)論常常與實(shí)際偏差較大。

　　2 診斷分析

　　2.1 設(shè)備概況

　　彩涂焚燒爐助燃風(fēng)機(jī)工作運(yùn)行2個(gè)月以來，軸承一直處于發(fā)熱狀態(tài)，于2006年7月11日對(duì)該風(fēng)機(jī)的兩個(gè)軸承進(jìn)行測(cè)試分析。采用加速度傳感器分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸承垂直和水平兩個(gè)方向的振動(dòng)量。測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

　　設(shè)備的主要參數(shù)：

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速2950 r/min

　　電機(jī)功率：37KW

　　流量：130L

　　軸承型號(hào)1312

　　表1 軸承特征頻率表(單位：Hz)

　　2.2 精密診斷

　　在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)中，振動(dòng)分析是一種zui常用的方法。振動(dòng)信號(hào)普遍存在于運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備中，當(dāng)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部發(fā)生異常時(shí)，一般都會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)增大和工作性能的變化，60%以上的機(jī)械故障都能通過振動(dòng)反映出來。采用CSI2130雙通道振動(dòng)采集儀對(duì)彩涂風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后利用幅域、頻域分析方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與診斷。

　　2.2.1 幅域分析

　　在信號(hào)的幅值上進(jìn)行各種處理，即對(duì)信號(hào)的時(shí)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析稱為幅域分析。通常計(jì)算信號(hào)的均方根值，結(jié)合ISO2372振動(dòng)速度判別標(biāo)準(zhǔn)，判斷設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)彩涂風(fēng)機(jī)軸承發(fā)熱的信號(hào)，計(jì)算出的特征值如表2所示。

　　表2 均方根值表(單位mm/s)

　　從表2中可以看出，測(cè)點(diǎn)2垂直方向的振動(dòng)速度超過“C”級(jí)振動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)7.1 mm/s，屬于“不滿意”狀態(tài)。其他測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度值也偏大，說明處于不良的運(yùn)行狀態(tài)。

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　　2.2.2 頻譜分析

　　一般來說，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行幅域分析，可以了解設(shè)備目前的工作狀態(tài)，初步確定設(shè)備是否存在故障。但是，幅域分析方法無法定位發(fā)生故障的具體位置，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，通過提取故障頻率成分，從而確認(rèn)引發(fā)故障的零部件。

　　首先對(duì)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，如圖2所示。(頻域圖)

　　圖2 測(cè)點(diǎn)1頻譜放大圖

　　通過電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算轉(zhuǎn)頻為，與圖2中49.95Hz的頻率成分相對(duì)應(yīng)，同時(shí)還出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的多次諧波，表現(xiàn)轉(zhuǎn)軸松動(dòng)的故障模式。此外，存在與轉(zhuǎn)頻不同步的頻率成分336.72Hz，懷疑該頻率為故障頻率。為此，分別對(duì)測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2垂直、水平方向進(jìn)行頻譜分析，如圖3、4所示。

　　垂直方向頻域圖

　　水平方向頻域圖

　　圖3 測(cè)點(diǎn)1頻域圖

　　垂直方向頻域圖

　　水平方向頻域圖

　　圖4 測(cè)點(diǎn)2頻域圖

　　從圖3和圖4中可以看出，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)2都存在336.72Hz的頻率及其高次諧波成分。將該特征頻率與表1中的各頻率成分比較后，發(fā)現(xiàn)該特征頻率與軸承外圈頻率335.54Hz基本一致(軸承外圈的故障頻率計(jì)算略)，所以可以認(rèn)定軸承的外圈出現(xiàn)故障。

　　表面看，這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單明了的軸承故障分析，到此應(yīng)該結(jié)束了。但是仔細(xì)觀察頻譜圖，我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承的外圈故障頻率及諧波帶有邊帶，邊帶為49.95Hz，是轉(zhuǎn)頻!疑問是幾乎所有的關(guān)于故障診斷的書籍在談到軸承故障時(shí)都會(huì)有這樣的結(jié)論：軸承的內(nèi)圈故障頻率會(huì)帶有明顯的轉(zhuǎn)頻邊帶，外圈的故障頻率沒有邊帶。結(jié)論似乎與實(shí)際相矛盾。

　　事實(shí)上，軸承的外圈故障頻率及各次諧波皆受到49.95Hz轉(zhuǎn)頻的調(diào)制，是由于同時(shí)還存在軸承外圈松動(dòng)的故障。因?yàn)椋挥挟?dāng)軸承外圈與軸承座產(chǎn)生了間隙，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才使得軸承中心偏離軸承座的中心。

于是，軸承每旋轉(zhuǎn)一圈，軸承外圈就與軸承座“碰撞”一次，產(chǎn)生的頻率正好等于轉(zhuǎn)頻。所以當(dāng)出現(xiàn)軸承外圈頻率及其高次諧波，并且外圈頻率被轉(zhuǎn)頻調(diào)制時(shí)，就可以認(rèn)為存在軸承外圈松動(dòng)的故障，而且這才是造成軸承損壞的zui根本原因。

　　當(dāng)軸承外圈出現(xiàn)松動(dòng)后，造成軸承與軸承座存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成摩擦。尤其當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦將產(chǎn)生大量的熱，致使軸承始終在高溫環(huán)境下工作。工作溫度越高，對(duì)部件裝配精度的影響就越大，使得軸承與軸承座之間的間隙不斷增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)，造成軸承無法正常工作，zui終*失效。

　　2.3 診斷結(jié)論及建議

　　綜合以上振動(dòng)的分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：軸承與軸承座配合松動(dòng)，造成軸承與軸承座產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使溫度升高。據(jù)此建議生產(chǎn)廠采取措施，保證軸承與軸承座的裝配精度，尤其注意軸承座鏜孔的加工精度。此外，對(duì)軸承進(jìn)行更換時(shí)采取成對(duì)同時(shí)替換的方式。

　　從圖中還可以看出，測(cè)點(diǎn)2的頻率幅值是測(cè)點(diǎn)1的3~5 倍，與表2中的計(jì)算結(jié)果是一致的。從幅域分析和頻譜分析兩個(gè)角度出發(fā)，均說明了測(cè)點(diǎn)2 的軸承故障問題更嚴(yán)重。

　　2.4 生產(chǎn)驗(yàn)證

　　2006年7月21日生產(chǎn)廠對(duì)彩涂風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)2的軸承已經(jīng)嚴(yán)重破損，無法繼續(xù)工作，經(jīng)測(cè)量軸承座鏜孔超差zui大超過100um，已失去和軸承外圈的配合精度。換上同類型的軸承后，采用680固齒膠將軸承與軸承座固定，減小松動(dòng)，以維持生產(chǎn)。同時(shí)緊急訂購軸承座。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，于2006年8月25日對(duì)兩個(gè)軸承重新進(jìn)行測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)明顯減小，如表3所示。

　　表3均方根值表(單位mm/s)

　　從表3中可以看出，無論是水平方向還是垂直方向，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值都非常小，根據(jù)ISO2372振動(dòng)速度判別標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備目前處于良好的工作狀態(tài)，說明了診斷結(jié)果與實(shí)際故障是*吻合的。

　　3 綜述

　　這不僅僅是一個(gè)普通風(fēng)機(jī)軸承的外圈故障，而是轉(zhuǎn)軸松動(dòng)與外圈故障相互結(jié)合在一起的綜合故障形式。現(xiàn)象是軸承外圈故障明顯并帶有轉(zhuǎn)頻邊帶，轉(zhuǎn)軸松動(dòng)信號(hào)較弱。

    如果認(rèn)為是軸承故障造成的松動(dòng)只換軸承不能解決根本問題;同樣如果生搬故障診斷理論 “軸承外圈故障不帶任何邊帶”就會(huì)否定軸承故障使診斷結(jié)論走上歧途。

    正確的結(jié)論是由于軸承座加工超差，軸承座鏜孔與軸承外圈失去配合精度，產(chǎn)生松動(dòng)，造成軸承損壞。表面看與診斷理論相矛盾的現(xiàn)象正是找到設(shè)備故障根本原因的基本依據(jù)。

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