軸承外圈故障帶轉(zhuǎn)軸邊帶的分析與研究

　　利用CSI2130雙通道振動采集儀，對冷軋廠彩涂風機軸承的振動數(shù)據(jù)進行采集，在此基礎(chǔ)上對信號進行了幅域、頻域分析，發(fā)現(xiàn)了軸承損壞的故障頻率，并找到風機軸承發(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)實際中軸承故障模式及故障機理與故障診斷理論學術(shù)研究結(jié)論的差異，從而更緊密的將學術(shù)理論與冶金設(shè)備運行實際結(jié)合起來，不是形而上學的照搬照抄，結(jié)果是更為有效的在生產(chǎn)實際中發(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，零部件之間的這種緊密的相關(guān)性決定了在生產(chǎn)實際中設(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，常常會不符合冶金企業(yè)機、電、液、集合極為復(fù)雜的生產(chǎn)線。

本文論述對彩涂風機軸承進行測試，利用頻譜分析找到風機軸承發(fā)熱的內(nèi)因是由于軸承外圈松動使得軸承與軸承座間產(chǎn)生相對運動引起摩擦生熱，從而造成軸承損壞(外在表現(xiàn))的綜合故障。認識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，對故障理論就不能較深入的理解，只能是對故障理論結(jié)論的機械套用，診斷結(jié)論常常與實際偏差較大。

　　2 診斷分析

　　2.1 設(shè)備概況

　　彩涂焚燒爐助燃風機工作運行2個月以來，軸承一直處于發(fā)熱狀態(tài)，于2006年7月11日對該風機的兩個軸承進行測試分析。采用加速度傳感器分別測量兩個軸承垂直和水平兩個方向的振動量。測點位置如圖1所示。

　　設(shè)備的主要參數(shù)：

　　電機轉(zhuǎn)速2950 r/min

　　電機功率：37KW

　　流量：130L

　　軸承型號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)測診斷技術(shù)中，振動分析是一種zui常用的方法。振動信號普遍存在于運轉(zhuǎn)的機械設(shè)備中，當機械設(shè)備內(nèi)部發(fā)生異常時，一般都會出現(xiàn)振動增大和工作性能的變化，60%以上的機械故障都能通過振動反映出來。采用CSI2130雙通道振動采集儀對彩涂風機進行數(shù)據(jù)采集，然后利用幅域、頻域分析方法對信號進行分析與診斷。

　　2.2.1 幅域分析

　　在信號的幅值上進行各種處理，即對信號的時域進行統(tǒng)計分析稱為幅域分析。通常計算信號的均方根值，結(jié)合ISO2372振動速度判別標準，判斷設(shè)備目前的運行狀態(tài)。針對彩涂風機軸承發(fā)熱的信號，計算出的特征值如表2所示。

　　表2 均方根值表(單位mm/s)

　　從表2中可以看出，測點2垂直方向的振動速度超過“C”級振動強度等級7.1 mm/s，屬于“不滿意”狀態(tài)。其他測點的振動速度值也偏大，說明處于不良的運行狀態(tài)。

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　　2.2.2 頻譜分析

　　一般來說，對采集到的信號進行幅域分析，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，所以需要對信號進行頻譜分析，通過提取故障頻率成分，從而確認引發(fā)故障的零部件。

　　首先對兩個測點采集到的數(shù)據(jù)進行傅立葉變換，如圖2所示。(頻域圖)

　　圖2 測點1頻譜放大圖

　　通過電機轉(zhuǎn)速計算轉(zhuǎn)頻為，與圖2中49.95Hz的頻率成分相對應(yīng)，同時還出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的多次諧波，表現(xiàn)轉(zhuǎn)軸松動的故障模式。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，分別對測點1和測點2垂直、水平方向進行頻譜分析，如圖3、4所示。

　　垂直方向頻域圖

　　水平方向頻域圖

　　圖3 測點1頻域圖

　　垂直方向頻域圖

　　水平方向頻域圖

　　圖4 測點2頻域圖

　　從圖3和圖4中可以看出，測點1和測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算略)，所以可以認定軸承的外圈出現(xiàn)故障。

　　表面看，這是一個比較簡單明了的軸承故障分析，到此應(yīng)該結(jié)束了。但是仔細觀察頻譜圖，我們還會發(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都會有這樣的結(jié)論：軸承的內(nèi)圈故障頻率會帶有明顯的轉(zhuǎn)頻邊帶，外圈的故障頻率沒有邊帶。結(jié)論似乎與實際相矛盾。

　　事實上，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，是由于同時還存在軸承外圈松動的故障。因為，只有當軸承外圈與軸承座產(chǎn)生了間隙，軸承運轉(zhuǎn)時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，就可以認為存在軸承外圈松動的故障，而且這才是造成軸承損壞的zui根本原因。

　　當軸承外圈出現(xiàn)松動后，造成軸承與軸承座存在相對運動形成摩擦。尤其當軸承高速旋轉(zhuǎn)時，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

　　綜合以上振動的分析結(jié)果，得出如下結(jié)論：軸承與軸承座配合松動，造成軸承與軸承座產(chǎn)生相對運動而使溫度升高。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，對軸承進行更換時采取成對同時替換的方式。

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

　　2.4 生產(chǎn)驗證

　　2006年7月21日生產(chǎn)廠對彩涂風機進行檢修時，發(fā)現(xiàn)測點2的軸承已經(jīng)嚴重破損，無法繼續(xù)工作，經(jīng)測量軸承座鏜孔超差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，以維持生產(chǎn)。同時緊急訂購軸承座。當風機正常運轉(zhuǎn)后，于2006年8月25日對兩個軸承重新進行測試與分析，發(fā)現(xiàn)振動明顯減小，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，兩個測點的振動值都非常小，根據(jù)ISO2372振動速度判別標準，設(shè)備目前處于良好的工作狀態(tài)，說明了診斷結(jié)果與實際故障是*吻合的。

　　3 綜述

　　這不僅僅是一個普通風機軸承的外圈故障，而是轉(zhuǎn)軸松動與外圈故障相互結(jié)合在一起的綜合故障形式?，F(xiàn)象是軸承外圈故障明顯并帶有轉(zhuǎn)頻邊帶，轉(zhuǎn)軸松動信號較弱。

    如果認為是軸承故障造成的松動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，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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