軸承故障
一。 緒言
軸承的故障診斷與狀態監測是機械設備故障診斷技術的重要內容。
旋轉機械的故障中軸承的損壞故障約占30%。
軸承的運行質量除軸承元件本身的加工質量外，軸承的安裝及裝配質量影響很大。
滾動軸承的失效形式:
疲勞點蝕 :  因受滾動壓應力
磨損: 因受壓力又有與內外座圈的相對滑動    
腐蝕:  潤滑油中的水分幾其它化學物質產生銹蝕
裂紋:   由于磨削或淬火時作用而產生
磨粒磨損:   由于磨屑作用而磨損
失效分析方法簡介:
      *判定失效形式
      *判定誘發失效的原因
分析程序：《以軸承為例》
1.了解情況
    1）了解工作條件
    2）載荷情況
    3）轉速情況
    4）潤滑情況
    5）溫度與介質
二。滾動軸承的振動
隨機振動
由于滾動元件的不圓度及表面的粗糙度引起；
又由于軸承工作，使不圓度及    表面粗糙度增大。
2.受機器各種振動的激勵而引起滾動軸承各元件的諧振
1）    鋼球的諧振頻率FBR
         fbr=0.848/2r*(E/2ρ)1/2
               E—彈性模量 N/m2
               P—滾動元件材料密度 kg/m3
               R—滾動元件半徑 m
2  軸承座圈諧振頻率FRR
       Frr=K* (K2 –1)*a-2 ( EI／M) -2
             a—回轉軸線到中性軸半徑 m
             K—共振階數
             I—座圈繞中性軸的慣性矩 m4
            M—座圈的單位長度的質量 kg/m

1.   內圈有剝落fi=fo/2(1+dcosβ/D) Z
2.    外圈有剝落 fo= fo/2(1+dcosβ/D) Z
3.    滾動體剝落 fb= Dfo/d[1-(d/D)2cos2β]
4.    保持架有故障 fc=fo/2(1- dcosβ)m
Fo—軸承轉頻率
Z—滾珠個數
d—滾珠直徑（參閱左圖）
D—軸承滾道節徑
β—接觸角
m—斷裂數
*注：不論元件上剝落坑有多少，頻率不變。

4. 裂紋的擴展
裂紋的產生及在受載工作中繼續擴展，不但會引起振動，而且能量還會以熱和聲發射形式釋放出來。
三。 軸承各種振動在頻譜中的位置
Ⅰ— 各種故障頻率范圍（幾十—幾百 hz）
Ⅱ— 共振頻率范圍（幾十—幾k hz）
Ⅲ— 聲發射范圍（幾十—幾十k hz）
聲發射頻帶很寬，工程上都在比較高的頻段中來捕捉聲發射的信號
四 軸承監測與故障診斷方法
1.    振動測試
2.    噪聲測試
3.    溫度測定
4.    油液分析（磨屑分析）
5.    軸承間隙測定
6.    油膜電阻測定
1。振動（噪聲）頻譜分析法
經時域多段平均處理后
50HZ——軸頻
 36.1HZ——保持架通過頻率
 200.91HZ——外圈通過頻率
 380HZ——滾動體通過頻率
有故障的滾動軸承倒頻譜分析圖特征值
q1—9.470MS（105.60HZ）—
                                         滾珠故障頻率
q2—37.90MS（26.39HZ）——
                                         內圈故障頻率
3、SPM（SHOCK PULSE METHOD）和IFD（INCIPIENT  FAILURE  DETECTION）法
原理：故障所引起的低頻（通常是數百HZ以內）沖擊脈沖激起了高頻（數十倍于沖擊頻率）共振波形，對它進行包絡、檢波、低通濾波（即解調），會獲得一個對應于低頻沖擊的而又放大并展寬的共振解調波形。
共振解調波的優點
1）剔除了低頻振動干擾
2）含有未知的故障信息（即S/N↑）
對于共振解調波后續處理方法不同，可分為SPM及IFD法
1）    SPM法
它是應用共振解調波的幅值來進行診斷。共振解調波通過峰值檢波、平均、保持、測得沖擊量值SV。
再用一經驗公式獲得均一化沖擊量值

DBN=20log＊2000＊SV／n＊Do.6
 
SPM法沖擊判別值
0dB        正常狀態  顯示在綠框
20 dB     不好狀態  顯示在黃框
35dB      壞的狀態  顯示在紅框

2）   IFD法
該法既應用共振解調波的幅值又利用它的頻率信息，即對共振解調波進行FFT后做頻譜分析，尋找上節中提到的軸承各元件故障對應的頻率。
4、振動的簡易診斷法
可用簡易的測振儀來獲得軸承工況的信息。
可用多種參數，如波峰因素、峭度、歪度等。
可直接觀察時域 波形
五。   實例
1、某變速箱輸出軸后軸承（型號為50309）滾動體外圈有點蝕，
測試時發現：
                      時域信號出現調制峰群
輸入軸轉速為1484rpm時：
2258.3Hz為外圈共振頻率
故障調制頻率：
                      34.47Hz外圈故障
                      23.06Hz滾珠故障
2 同一減速機另一次測振時結果（中間軸軸承）（型號50308）
1）、2258.3Hz為外圈共振頻率
2）、34.32Hz為外圈故障通過頻率
3）、53.1Hz為內圈故障通過頻率
第二部分 滑動軸承故障及其診斷
一.滑動軸承的故障
1.    潤滑不良
2.    間隙不當（間隙過大，間隙過?。?br />3.    軸瓦碰摩
二.潤滑不良引起的振動
1. 半速渦動 ωj=ω/ 2     ω—軸角頻率
        ωj—軸徑中心O’ 繞軸承中心旋轉角頻率，方向同。
一般ωj ≤ ω/ 2
2. 油膜振蕩
              當轉子轉速升高到第一臨界轉速兩倍時，而
ωj= ω/2= ωr，此時會產生激 烈振動，振幅突然升高。
       ωr —諧振角頻率
3.油液不結會引起運轉不穩
           指軸與軸瓦間不能形成穩定油膜來支撐轉子運轉
三. 滑動軸承軸瓦間隙不當引起的振動。
1.    間隙過小——不能形成穩定的油膜層，有小的高頻的振動，間有低頻振動。
   * 可以通過瓦溫與回油溫度即可判別。
    2.    間隙過大——主振頻率為軸頻Fo（與不 平衡及平行不對中故障類似）徑向振動大。
    3.    * 不同處 A）單一方向定向振動（松動是上下的）
             B）振動隨負荷增大而增大
             C）降低油溫，振動會有下降
             D）頻譜圖上會出現高頻成分

四. 滑動軸承軸瓦碰摩引起振動
1.    產生高頻和分頻成分，但不是線性，幅值不穩定
2.    與純間隙不當的振動，頻譜更豐富（包括高、低頻）
3.    碰摩愈重，1/2分頻越突出
五. 實例
1.    空壓機  額定轉速7560r/min，額定功率4170kW，五塊可傾徑向軸承。
問題：從7000r/min提升7050r/min，壓縮機兩端產生振動，主頻在1/3Fo，即使再降低轉速每明顯好轉。
處理：把油溫降低50C
反應：振動值下降從160μm降至150μm，主頻轉為Fo
判定：由于油膜不潔而不穩定，引起軸瓦和軸徑干摩擦，潤滑不良
維修：把油過濾除去油中雜質及水分
效果：一切正常
2.    空壓機
額定功率2500kW，額定轉速8290r/min，五塊可傾徑向軸承
問題：開車后發生間隔2小時的間歇振動，且振動循環周期越來越短，603ch達滿量程，主導頻率為軸頻F0，體現定向振動最后只得降負荷降轉速運轉。
   判定：軸瓦間隙不當（過大）
3.    富氧壓縮機
額定轉速12552r/min
問題：汽輪機靠聯軸節端9號瓦振動偏高
分析及處理：在譜圖上除f0外，有f0的2.3……高倍頻成分，隨負荷增大，振動值明顯增大
判定：軸瓦間隙過大
解體觀察：9號軸瓦軸承座下面固定螺栓松脫，造成軸瓦松動，使間隙偏大
4.    循環機壓縮機
額定功率1860KW，額定轉速72094R/MIN，五塊可傾瓦徑向軸承

問題：
壓縮機曾進水并造成機組功率突然提高，排水后重新開車，振動惡化。
      在800ch，振值由4μm增到10μm
      在801ch，振值達滿量程
      但機組軸瓦溫度及潤滑油溫度沒變化
測定：
F0二陪頻振值明顯增大，在1/2 F0 處出現低值寬帶，但振值不穩定，機組負荷由80%提高到85%時，全頻道振值增大，在1/2處振幅增大更明顯。
判定：
由于進水后，機組功率增大，造成轉子與末端軸瓦摩碰，使支撐油膜破壞引起激烈振動，隨負荷增加情況惡化。
開機檢查：五塊瓦均有不同程度研磨
六.實驗分析
用短時付氏變換
S(t.f）=∫-∝+∝x(t)h(t-?)e￣2j?f?d?
分析實驗結果：
1.    非接觸摩擦（有潤滑油）：大多分布在3KHz以下

2.    輕度摩擦
（停油，留有一定油量，軸承間油膜時有破裂，軸與軸承短暫接觸）無論頻率還是幅值波動較大，主頻大致在6KHZ到10KHZ
3.    嚴重摩擦
油膜完全破裂，軸與軸承持續接觸）
 由于軸與軸承連續接觸，接觸面較大，摩擦力的沖擊則較小且穩定，所以振值反而比輕度摩擦微笑且平穩，其主頻大致在6KHZ左右。
七. 小經驗介紹：
1.    某廠在長年監測基礎上得出了一條非常有效而實用的經驗：在軸承座的鉛垂方向和水平方向同時監測其振動值時，由于軸承座的水平方向剛性小，因此一般來講水平方向振動值大于鉛垂方向。
一旦鉛垂方向的振值>水平方向的振值時，則軸瓦振裂。
由于軸瓦振裂，間隙增大，剛性減小會出現各種振動頻率成分，并使整個振動振幅增大。

2.    軸承運轉聲音的診斷
設備開動，各部軸承都在飛速運轉，必然產生各種聲響。這些聲響中，有的屬于正常的聲響，有的則屬于異常聲響。異常的聲響表現為滾動軸承或滑動軸承的故障先兆或是故障正在形成，或已經發生。因此，我們就要通過各種聲響，采取不同的辦法加以排除，以保證設備正常運行。
滾動軸承或滑動軸承在運轉中，其正常的工作狀態是：運轉平穩、輕快、無停滯現象，發出的聲音和諧，而無任何雜音。如為“嘩嘩”聲音，均勻連續而無間斷，則為正常的聲響，亦說明潤滑良好。若有下列聲響者，就是潤滑不良的聲音或其他故障聲響：如“咝咝”的聲音：是軸承內加脂量不夠，缺少油脂所致，正確的是油的粘度應高些，填充空隙在1/2~1/3之間，潤滑油面的高度一般不超過最低的一個鋼球的中心線。
“咝咝、沙沙”的聲音，是設備停機時間過長或是軸承徑向間隙過小，形成不了良好的潤滑油膜，應清洗調整。
     “嘩嘩”的聲音中有周期性的“嗬羅！嗬羅”聲音，則表明內外圈滾道出現傷痕、溝槽、銹蝕斑點等現象。

“哽哽”聲音，且不連續，則說明滾動軸承保持架或內外圈有裂紋，經過運轉沖擊裂紋加深加大，是潤滑不良所致。
       “嚓嚓！”的聲音，且極規則，不均勻，則說明裝配時或保養中掉入雜物，即鐵屑、砂?；驖櫥筒桓蓛?，加油時帶入的雜質。
“沙沙！”的連續且不規則的聲音，有可能是內圈有軸配合過松，或外圈與軸承孔配合過松所致。
      “刺耳的嘯叫”聲音，且設備振動也較大，則是潤滑不良，干摩擦，或滾動件局部接觸過緊，內外滾道偏斜，軸承外圈配合過緊等引起。

“咯吧、咯吧！”的尖叫聲，則說明滾珠或滾棒破裂，破壞了正常潤滑所致。
       “哐當、哐當！”的敲擊聲，是滑動軸承與軸之間的間隙過大，機器運轉時，在交變力的作用下，軸在軸承中跳動，潤滑油流失較快，不能形成適當的油膜所致
“咣！咣！咣！”的聲音，滑動軸承停機時間過長，軸承潤滑油流失，在啟動時的瞬間潤滑油未形成一個完整的具有流體壓力的油膜，未將軸“托”起來，使軸頸與軸承沒有足夠的油膜完全隔開，相互接觸的緣故