李志文

（高級工程師；工作方向為設(shè)備故障診斷；現(xiàn)負責公司設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷工作）

1　前言

在工業(yè)發(fā)展的歷程中，軸承（以下如無特別說明，均特指“滾動軸承”）一直扮演著非常重要的角色?？梢哉f幾乎所有傳動機械都離不開軸承這個關(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”，足見其重要性。

隨著工業(yè)化水平的不斷提升，企業(yè)對生產(chǎn)連續(xù)性的要求越來越高。由于生產(chǎn)線集中化程度越來越高，某一關(guān)鍵設(shè)備的軸承失效將導(dǎo)致整個生產(chǎn)線停機，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，這促使設(shè)備維護人員對軸承運行狀態(tài)的判斷提出了更高的要求——需要有更高的“準確率”。同時，也由簡單地對運行狀態(tài)“好”與“壞”的判斷轉(zhuǎn)變到對故障嚴重程度的判斷，以便合理安排檢修時間，提高設(shè)備運行效率。

本文主要說明如何通過滾動軸承故障頻率來對軸承故障進行科學(xué)地診斷，通過對客觀數(shù)據(jù)的科學(xué)分析來提高軸承故障診斷的準確率。

2　滾動軸承故障綜述

滾動軸承在使用過程中，因自身特性、運行工況等因素會出現(xiàn)不同類型的故障，本節(jié)將從軸承故障類型，以及軸承故障發(fā)展曲線兩方面進行說明。

2.1軸承故障類型

軸承運行過程中，常見的故障類型有以下幾種：

點蝕：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：剝落實際上是軸承點蝕故障的進一步發(fā)展，當點蝕面積擴大，滾道表面材料會出現(xiàn)成片地剝落，形成面積非常大的坑洞。此時，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，通常由于軸承負荷過高或裝配不當引起。如圖3。

膠合：軸承運行過程中因溫度過高導(dǎo)致材質(zhì)溶化，部件黏合在一起，是一種非常嚴重的故障，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常見的還是點蝕、剝落，因為這是由軸承的工作特性所決定的，其原因可用圖5進行一個簡要說明。

當“滾動體1”滾到A點時，A點受壓，應(yīng)力加大，之后“滾動體1”滾過A點，A點應(yīng)力釋放。當滾動體2滾過時，A點將再次重復(fù)這個過程。因此，在軸承運行過程中，A點將反復(fù)經(jīng)歷“受壓->釋放->受壓->釋放”這個過程，當達到一定限值時，A點將會產(chǎn)生疲勞失效，形成點蝕，點蝕進一步發(fā)展將形成剝落，并Z終導(dǎo)致軸承失效。

所以說，點蝕、剝落是軸承不可避免的故障，也是軸承Z常見的失效形式。

2.2軸承故障發(fā)展曲線

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

從故障曲線來看，軸承故障分為四個階段：

階段一：軸承滾道表面出現(xiàn)微觀裂紋，開始出現(xiàn)故障。

階段二：軸承滾道表面出現(xiàn)肉眼可見的小裂紋、點蝕等。

階段三：軸承滾道表面有明顯的裂紋、較大面積的剝落，且運行過程中有明顯的規(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，軸承振動以隨機振動為主，隨時可能失效。

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

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，如聽輥，一般要到階段三的中后期才能發(fā)現(xiàn)軸承故障，此時則需要即時做好停機檢修計劃進行處理，故障處理預(yù)留的時間較短。

借助先進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”，但由于儀器造價昂貴，其應(yīng)用并不廣。生產(chǎn)中更多的是使用精密點檢儀，通過對軸承振動的監(jiān)測分析來判斷軸承故障，通常可在階段二的初期監(jiān)測到軸承故障的發(fā)生。從實際情況來看，這足以滿足絕大多數(shù)工廠對設(shè)備的維護需求。本文也是著重說明如何通過分析軸承振動數(shù)據(jù)來精確診斷軸承故障。

3　滾動軸承故障頻率

3.1軸承故障頻率產(chǎn)生機理

當軸承出現(xiàn)故障后，會產(chǎn)生規(guī)律性的振動（發(fā)出聲音），通過分析軸承的振動數(shù)據(jù)，能夠更早、更準確地診斷軸承故障。

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，當滾動體滾過缺陷處“A”時，必然會對軸承造成一次沖擊，使軸承產(chǎn)生振動。由于軸承旋轉(zhuǎn)速度是固定的（在此指某一個時間段內(nèi)），所以“沖擊”的間隔也是固定的，也就是說沖擊產(chǎn)生的頻率是一定的，這個頻率就是軸承的“故障頻率”。

在軸承運行過程中，如果檢測到“軸承故障頻率”，則意味著軸承出現(xiàn)了故障。此時可根據(jù)故障的嚴重程度采取有針對性的維護維修方案。

3.2軸承故障頻率公式

滾動軸承通常由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架四個部件組成，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—滾動體直徑

Z—滾動體數(shù)量α—滾動體接觸角

f—軸旋轉(zhuǎn)頻率（軸轉(zhuǎn)速/60，單位為Hz）

通過對公式的解讀，可以獲得以下信息：

(1）對于某一特定設(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)計參數(shù)，對于特定設(shè)備，軸承型號是不變的，所以軸承參數(shù)也是不變的，其計算數(shù)值為常數(shù)，計為“C”，只要計算出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)無關(guān)。對于同一型號的軸承，單列、雙列或者多列，當軸承出現(xiàn)故障時，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)量無關(guān)（通常為點蝕或者剝落），因為缺陷的數(shù)量只影響振動能量的大小，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，也就是說軸承頻率通常與轉(zhuǎn)頻不會是2倍、3倍等整數(shù)倍關(guān)系。這一點將有助于分析人員在實際診斷過程中更加準確地 判斷軸承故障。

從原理上來分析，軸承故障頻率實際計算的是滾動體通過滾道上某一點的時間間隔，實質(zhì)就是通過頻率，由于軸承故障頻率具有很強的特異性，很容易與其他故障區(qū)分，所以在實際診斷中，當檢測到軸承故障頻率則意味著軸承很可能出現(xiàn)故障。

在實際診斷軸承故障時，數(shù)據(jù)分析軟件都會內(nèi)置各種型號軸承的故障頻率數(shù)據(jù)庫，所以在對軸承故障進行分析診斷時，只需知道軸承型號與轉(zhuǎn)速即可查詢得知故障頻率，讀者無需刻意記憶故障頻率公式。

3.3案例分析

案例：紙機烘缸軸承故障

我廠PM9為一臺年產(chǎn)20萬t的高速文化紙機，車速為1300m/min。點檢人員巡檢時發(fā)現(xiàn)8#烘缸操作側(cè)軸承振動有上升，且有異響。為確定異常原因，對烘缸軸承進行了數(shù)據(jù)采集與分析。

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

由于烘缸軸承座結(jié)構(gòu)簡單，37.25Hz很有可能是軸承故障頻率。為進一步核實，對烘缸軸承故障頻率進行了計算，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，說明應(yīng)是軸承外圈出現(xiàn)了故障。

根據(jù)診斷意見，車間在計劃停機時對軸承進行了更換，檢修發(fā)現(xiàn)軸承外圈有一條長度約10mm×100mm的帶狀剝落帶，如圖10。

檢修結(jié)果與診斷結(jié)論相符。

在對軸承運行狀態(tài)進行診斷時，除了定性判斷軸承是否存在故障外，設(shè)備維護人員還希望能夠定量地判斷軸承故障的嚴重程度，以便合理安排檢修時間。對此，根據(jù)筆者經(jīng)驗可以通過“振動值”和“諧波”兩個方面數(shù)據(jù)來推斷故障的嚴重程度。

振動值：振動值反應(yīng)的是設(shè)備總體振動能量的大小，當軸承出現(xiàn)故障后必然會加大設(shè)備的振動，使振動值上升。烘缸正常運行時，其振動值通常在0.8～1.0mm/s之間。在本案例中，烘缸振動值達到了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，當軸承故障比較嚴重時，