軸承外圈故障帶轉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據進行采集，在此基礎上對信號進行了幅域、頻域分析，發現了軸承損壞的故障頻率，并找到風機軸承發熱損壞的根本原因。

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更有意義的是，清楚了生產實際中軸承故障模式及故障機理與故障診斷理論學術研究結論的差異，從而更緊密的將學術理論與冶金設備運行實際結合起來，不是形而上學的照搬照抄，結果是更為有效的在生產實際中發現造成故障的根本原因。

　　1 概述

　　冶金企業的設備日趨超大型化、超精密華、超復雜化，決定了生產線設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性決定了在生產實際中設備所表現故障模式以綜合故障居多，單一故障反倒較少見。

現有的故障理論以研究單一故障為基礎，根據單一故障模式抽象出一般規律，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機、電、液、集合極為復雜的生產線。

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熱的內因是由于軸承外圈松動使得軸承與軸承座間產生相對運動引起摩擦生熱，從而造成軸承損壞(外在表現)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論的機械套用，診斷結論常常與實際偏差較大。

　　2 診斷分析

　　2.1 設備概況

　　彩涂焚燒爐助燃風機工作運行2個月以來，軸承一直處于發熱狀態，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。

　　設備的主要參數：

　　電機轉速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

　　在設備狀態監測診斷技術中，振動分析是一種zui常用的方法。振動信號普遍存在于運轉的機械設備中，當機械設備內部發生異常時，一般都會出現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據采集，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計分析稱為幅域分析。通常計算信號的均方根值，結合ISO2372振動速度判別標準，判斷設備目前的運行狀態。針對彩涂風機軸承發熱的信號，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。其他測點的振動速度值也偏大，說明處于不良的運行狀態。

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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，可以了解設備目前的工作狀態，初步確定設備是否存在故障。但是，幅域分析方法無法定位發生故障的具體位置，所以需要對信號進行頻譜分析，通過提取故障頻率成分，從而確認引發故障的零部件。

　　首先對兩個測點采集到的數據進行傅立葉變換，如圖2所示。(頻域圖)

　　圖2 測點1頻譜放大圖

　　通過電機轉速計算轉頻為，與圖2中49.95Hz的頻率成分相對應，同時還出現轉頻的多次諧波，表現轉軸松動的故障模式。此外，存在與轉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，發現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，到此應該結束了。但是仔細觀察頻譜圖，我們還會發現軸承的外圈故障頻率及諧波帶有邊帶，邊帶為49.95Hz，是轉頻!疑問是幾乎所有的關于故障診斷的書籍在談到軸承故障時都會有這樣的結論：軸承的內圈故障頻率會帶有明顯的轉頻邊帶，外圈的故障頻率沒有邊帶。結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轉頻的調制，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生了間隙，軸承運轉時才使得軸承中心偏離軸承座的中心。

于是，軸承每旋轉一圈，軸承外圈就與軸承座“碰撞”一次，產生的頻率正好等于轉頻。所以當出現軸承外圈頻率及其高次諧波，并且外圈頻率被轉頻調制時，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時，摩擦將產生大量的熱，致使軸承始終在高溫環境下工作。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，產生惡性循環，造成軸承無法正常工作，zui終*失效。

　　2.3 診斷結論及建議

　　綜合以上振動的分析結果，得出如下結論：軸承與軸承座配合松動，造成軸承與軸承座產生相對運動而使溫度升高。據此建議生產廠采取措施，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中的計算結果是一致的。從幅域分析和頻譜分析兩個角度出發，均說明了測點2 的軸承故障問題更嚴重。

　　2.4 生產驗證

　　2006年7月21日生產廠對彩涂風機進行檢修時，發現測點2的軸承已經嚴重破損，無法繼續工作，經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。同時緊急訂購軸承座。當風機正常運轉后，于2006年8月25日對兩個軸承重新進行測試與分析，發現振動明顯減小，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ISO2372振動速度判別標準，設備目前處于良好的工作狀態，說明了診斷結果與實際故障是*吻合的。

　　3 綜述

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

    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論走上歧途。

    正確的結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，產生松動，造成軸承損壞。表面看與診斷理論相矛盾的現象正是找到設備故障根本原因的基本依據。

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