李志文

（高級(jí)工程師；工作方向?yàn)樵O(shè)備故障診斷；現(xiàn)負(fù)責(zé)公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作）

1　前言

在工業(yè)發(fā)展的歷程中，軸承（以下如無(wú)特別說(shuō)明，均特指“滾動(dòng)軸承”）一直扮演著非常重要的角色。可以說(shuō)幾乎所有傳動(dòng)機(jī)械都離不開(kāi)軸承這個(gè)關(guān)鍵部件，因此，在工業(yè)領(lǐng)域軸承被形象地比喻為設(shè)備的“心臟”，足見(jiàn)其重要性。

隨著工業(yè)化水平的不斷提升，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性的要求越來(lái)越高。由于生產(chǎn)線(xiàn)集中化程度越來(lái)越高，某一關(guān)鍵設(shè)備的軸承失效將導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)停機(jī)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，這促使設(shè)備維護(hù)人員對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的判斷提出了更高的要求——需要有更高的“準(zhǔn)確率”。同時(shí)，也由簡(jiǎn)單地對(duì)運(yùn)行狀態(tài)“好”與“壞”的判斷轉(zhuǎn)變到對(duì)故障嚴(yán)重程度的判斷，以便合理安排檢修時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

本文主要說(shuō)明如何通過(guò)滾動(dòng)軸承故障頻率來(lái)對(duì)軸承故障進(jìn)行科學(xué)地診斷，通過(guò)對(duì)客觀數(shù)據(jù)的科學(xué)分析來(lái)提高軸承故障診斷的準(zhǔn)確率。

2　滾動(dòng)軸承故障綜述

滾動(dòng)軸承在使用過(guò)程中，因自身特性、運(yùn)行工況等因素會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的故障，本節(jié)將從軸承故障類(lèi)型，以及軸承故障發(fā)展曲線(xiàn)兩方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1軸承故障類(lèi)型

軸承運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)的故障類(lèi)型有以下幾種：

點(diǎn)蝕：軸承滾道上面出現(xiàn)小的坑洞，面積一般不大于2mm×2mm。如圖1。

剝落：剝落實(shí)際上是軸承點(diǎn)蝕故障的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)點(diǎn)蝕面積擴(kuò)大，滾道表面材料會(huì)出現(xiàn)成片地剝落，形成面積非常大的坑洞。此時(shí)，軸承故障處于后期，容易出現(xiàn)卡死等故障。如圖2。

裂紋：軸承滾道上面出現(xiàn)貫穿性裂縫，通常由于軸承負(fù)荷過(guò)高或裝配不當(dāng)引起。如圖3。

膠合：軸承運(yùn)行過(guò)程中因溫度過(guò)高導(dǎo)致材質(zhì)溶化，部件黏合在一起，是一種非常嚴(yán)重的故障，通常由摩擦、缺油引起。如圖4。

軸承故障還包括擦傷、壓痕、腐蝕等。在上述軸承故障中，Z常見(jiàn)的還是點(diǎn)蝕、剝落，因?yàn)檫@是由軸承的工作特性所決定的，其原因可用圖5進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。

當(dāng)“滾動(dòng)體1”滾到A點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)受壓，應(yīng)力加大，之后“滾動(dòng)體1”滾過(guò)A點(diǎn)，A點(diǎn)應(yīng)力釋放。當(dāng)滾動(dòng)體2滾過(guò)時(shí)，A點(diǎn)將再次重復(fù)這個(gè)過(guò)程。因此，在軸承運(yùn)行過(guò)程中，A點(diǎn)將反復(fù)經(jīng)歷“受壓->釋放->受壓->釋放”這個(gè)過(guò)程，當(dāng)達(dá)到一定限值時(shí)，A點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生疲勞失效，形成點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕進(jìn)一步發(fā)展將形成剝落，并Z終導(dǎo)致軸承失效。

所以說(shuō)，點(diǎn)蝕、剝落是軸承不可避免的故障，也是軸承Z常見(jiàn)的失效形式。

2.2軸承故障發(fā)展曲線(xiàn)

根據(jù)研究表明，典型的軸承故障發(fā)展具有非線(xiàn)性的特征。在軸承故障的初期，其發(fā)展相對(duì)比較平緩，而在后期則呈快速發(fā)展的趨勢(shì)，具體可見(jiàn)圖6。

從故障曲線(xiàn)來(lái)看，軸承故障分為四個(gè)階段：

階段一：軸承滾道表面出現(xiàn)微觀裂紋，開(kāi)始出現(xiàn)故障。

階段二：軸承滾道表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的小裂紋、點(diǎn)蝕等。

階段三：軸承滾道表面有明顯的裂紋、較大面積的剝落，且運(yùn)行過(guò)程中有明顯的規(guī)律性異響。

階段四：軸承滾道表面有成片的剝落，聲音明顯異常，軸承振動(dòng)以隨機(jī)振動(dòng)為主，隨時(shí)可能失效。

在階段一和階段二故障發(fā)展相對(duì)比較平緩，通常此時(shí)軸承處于故障的前期或中前期。在階段三和階段四，軸承故障進(jìn)入到快速發(fā)展階段，如不及時(shí)處理，則可能導(dǎo)致軸承失效，造成停機(jī)等事故。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，如聽(tīng)輥，一般要到階段三的中后期才能發(fā)現(xiàn)軸承故障，此時(shí)則需要即時(shí)做好停機(jī)檢修計(jì)劃進(jìn)行處理，故障處理預(yù)留的時(shí)間較短。

借助先進(jìn)儀器可在軸承故障的初始階段即可監(jiān)控到故障的發(fā)生，如采用“聲發(fā)射”，但由于儀器造價(jià)昂貴，其應(yīng)用并不廣。生產(chǎn)中更多的是使用精密點(diǎn)檢儀，通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)的監(jiān)測(cè)分析來(lái)判斷軸承故障，通?？稍陔A段二的初期監(jiān)測(cè)到軸承故障的發(fā)生。從實(shí)際情況來(lái)看，這足以滿(mǎn)足絕大多數(shù)工廠對(duì)設(shè)備的維護(hù)需求。本文也是著重說(shuō)明如何通過(guò)分析軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)精確診斷軸承故障。

3　滾動(dòng)軸承故障頻率

3.1軸承故障頻率產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)軸承出現(xiàn)故障后，會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的振動(dòng)（發(fā)出聲音），通過(guò)分析軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)，能夠更早、更準(zhǔn)確地診斷軸承故障。

圖7為軸承故障的示意圖。

如圖7所示，以軸承外圈故障為例，當(dāng)滾動(dòng)體滾過(guò)缺陷處“A”時(shí)，必然會(huì)對(duì)軸承造成一次沖擊，使軸承產(chǎn)生振動(dòng)。由于軸承旋轉(zhuǎn)速度是固定的（在此指某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)），所以“沖擊”的間隔也是固定的，也就是說(shuō)沖擊產(chǎn)生的頻率是一定的，這個(gè)頻率就是軸承的“故障頻率”。

在軸承運(yùn)行過(guò)程中，如果檢測(cè)到“軸承故障頻率”，則意味著軸承出現(xiàn)了故障。此時(shí)可根據(jù)故障的嚴(yán)重程度采取有針對(duì)性的維護(hù)維修方案。

3.2軸承故障頻率公式

滾動(dòng)軸承通常由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架四個(gè)部件組成，相應(yīng)地也就存在有四種軸承故障頻率。如圖8。

內(nèi)圈故障頻率（BPFI）：1/2Z(1+d/Dcosα)f

外圈故障頻率（BPFO）：1/2Z(1-d/Dcosα)f

滾動(dòng)體故障頻率（BSF）：(D/2d)[1-(d/D)2cos2α]f

保持架故障頻率（FTF）：1/2(1-d/Dcosα)f

公式中各字母含義如下：

D—節(jié)圓直徑d—滾動(dòng)體直徑

Z—滾動(dòng)體數(shù)量α—滾動(dòng)體接觸角

f—軸旋轉(zhuǎn)頻率（軸轉(zhuǎn)速/60，單位為Hz）

通過(guò)對(duì)公式的解讀，可以獲得以下信息：

(1）對(duì)于某一特定設(shè)備，軸承故障頻率與設(shè)備轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系。在公式中，除轉(zhuǎn)速f外其余參數(shù)均是軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于特定設(shè)備，軸承型號(hào)是不變的，所以軸承參數(shù)也是不變的，其計(jì)算數(shù)值為常數(shù)，計(jì)為“C”，只要計(jì)算出C，即可知道軸承在任一轉(zhuǎn)速下的故障頻率。

(2）軸承故障頻率與軸承列數(shù)無(wú)關(guān)。對(duì)于同一型號(hào)的軸承，單列、雙列或者多列，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其故障頻率是一樣的。

(3）軸承故障頻率與軸承部件產(chǎn)生的缺陷數(shù)量無(wú)關(guān)（通常為點(diǎn)蝕或者剝落），因?yàn)槿毕莸臄?shù)量只影響振動(dòng)能量的大小，不改變故障頻率。

(4）軸承故障頻率與轉(zhuǎn)速不成倍數(shù)關(guān)系，也就是說(shuō)軸承頻率通常與轉(zhuǎn)頻不會(huì)是2倍、3倍等整數(shù)倍關(guān)系。這一點(diǎn)將有助于分析人員在實(shí)際診斷過(guò)程中更加準(zhǔn)確地 判斷軸承故障。

從原理上來(lái)分析，軸承故障頻率實(shí)際計(jì)算的是滾動(dòng)體通過(guò)滾道上某一點(diǎn)的時(shí)間間隔，實(shí)質(zhì)就是通過(guò)頻率，由于軸承故障頻率具有很強(qiáng)的特異性，很容易與其他故障區(qū)分，所以在實(shí)際診斷中，當(dāng)檢測(cè)到軸承故障頻率則意味著軸承很可能出現(xiàn)故障。

在實(shí)際診斷軸承故障時(shí)，數(shù)據(jù)分析軟件都會(huì)內(nèi)置各種型號(hào)軸承的故障頻率數(shù)據(jù)庫(kù)，所以在對(duì)軸承故障進(jìn)行分析診斷時(shí)，只需知道軸承型號(hào)與轉(zhuǎn)速即可查詢(xún)得知故障頻率，讀者無(wú)需刻意記憶故障頻率公式。

3.3案例分析

案例：紙機(jī)烘缸軸承故障

我廠PM9為一臺(tái)年產(chǎn)20萬(wàn)t的高速文化紙機(jī)，車(chē)速為1300m/min。點(diǎn)檢人員巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)8#烘缸操作側(cè)軸承振動(dòng)有上升，且有異響。為確定異常原因，對(duì)烘缸軸承進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析。

從數(shù)據(jù)分析來(lái)看，軸承振動(dòng)頻譜有異常，主要表現(xiàn)為頻率為37.25Hz及其諧波的振動(dòng)（4.1Hz為烘缸轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)，屬正常），其頻譜圖如圖9。

由于烘缸軸承座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，37.25Hz很有可能是軸承故障頻率。為進(jìn)一步核實(shí)，對(duì)烘缸軸承故障頻率進(jìn)行了計(jì)算，具體如表1。

從表1數(shù)據(jù)可以得出，頻率37.25Hz與軸承外圈故障頻率（BPFO）很接近，說(shuō)明應(yīng)是軸承外圈出現(xiàn)了故障。

根據(jù)診斷意見(jiàn)，車(chē)間在計(jì)劃停機(jī)時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行了更換，檢修發(fā)現(xiàn)軸承外圈有一條長(zhǎng)度約10mm×100mm的帶狀剝落帶，如圖10。

檢修結(jié)果與診斷結(jié)論相符。

在對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷時(shí)，除了定性判斷軸承是否存在故障外，設(shè)備維護(hù)人員還希望能夠定量地判斷軸承故障的嚴(yán)重程度，以便合理安排檢修時(shí)間。對(duì)此，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)可以通過(guò)“振動(dòng)值”和“諧波”兩個(gè)方面數(shù)據(jù)來(lái)推斷故障的嚴(yán)重程度。

振動(dòng)值：振動(dòng)值反應(yīng)的是設(shè)備總體振動(dòng)能量的大小，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障后必然會(huì)加大設(shè)備的振動(dòng)，使振動(dòng)值上升。烘缸正常運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)值通常在0.8～1.0mm/s之間。在本案例中，烘缸振動(dòng)值達(dá)到了2.3mm/s，上升了一倍多了，再結(jié)合軸承故障頻率的分析，說(shuō)明軸承故障已到中期或中后期。

諧波：在圖9中，除37.25Hz的軸承故障頻率外，還出現(xiàn)了該頻率的“2倍、3倍、4倍”諧波，當(dāng)軸承故障比較嚴(yán)重時(shí)，