及时对系统关键部件进行维修和更换可以在一定程度上避免系统工作过程中关键部件损坏带来的系统故障造成的经济损失和人员伤害。滚动轴承为旋转机械的关键部件, 其运行状态直接决定转动部件的效率和安全, 本文总结了常见的滚动轴承故障种类和轴承故障检测方法, 并对轴承振动信号特点进行分析。本文对轴承故障的诊断和设备的维修提供参考作用, 有助于实现对轴承故障的原因和种类的预先判断。
滚动轴承在工作过程中, 由于装配不当、润滑欠缺、异物侵入或者超负荷运转等都可能引发轴承损坏, 或者过载等都可能引发轴承损坏, 或者长时间工作后产生疲劳剥落或者自然磨损导致系统故障。常见的轴承故障可总结为损伤和磨损两大类。常见的损伤类故障有疲劳剥落、塑性变形、轴承烧伤、锈蚀、断裂、胶合六种;磨损类故障为轴承长期正常工作引起的渐变性故障。
滚动轴承发生故障的典型方式是其滚动接触发生单纯的疲劳剥落。在工作中, 轴承滚子和滚道接触面相对滚动的同时又互相挤压, 加上周期交变载荷的作用, 长时间工作后, 轴承部件接触面将产生小的剥落坑, 最终发展为大面积剥落, 该现象称作疲劳剥落。。
当工作载荷过重时, 由于滚动轴承承受的过大的冲击力和静载荷的原因, 轴承滚道的表面上形成的不均匀凹坑, 这种现象主要发生在低速旋转的轴承上。另外由于热变形而引起的额外的载荷也可能使轴承产生塑性变形[1]。
过大的负荷是轴承内部部件断裂的主要原因, 另外工作过程中摩擦产生的热应力过大时也能引起轴承零件的断裂。
轴承装配存在较大偏斜量时, 容易引起轴承温度升高, 并出现轴承烧伤现象。另外, 轴承润滑不良、应用不合格或者变质的润滑油、装配过紧都能引起轴承的烧伤。设计员在装配设计时热膨胀考虑欠缺, 造成运转中间隙越来越小也能引起轴承的烧伤现象。烧伤的轴承其滚道、滚动体上有回火现象。
水分的侵入使造成轴承锈蚀的原因。轴承工作时其温度高于环境温度, 轴承停止工作时, 轴承温度下降, 空气中的水分易在轴承表面凝结水珠, 未及时清理将引起轴承锈蚀。由于保护不当使得水分直接进入轴承也是造成轴承锈蚀的原因。
轴承在高速高负荷和润滑欠缺的情况下, 摩擦产生的热量能使轴承部件迅速升温, 到达一定温度时能引起轴承部件接触的金属表面相互粘接, 该现象称作胶合。
磨损轴承在工作过程中, 轴承滚子和滚道相对运动产生的挤压力、侵入轴承滚道的杂物能引起轴承的表面磨损, 另外润滑不良能加速表面磨损。磨损能增大滚动轴承的游隙, 增加轴承工作面粗糙度, 降低运转精度, 从而引起旋转系统工作精度的降低, 工作噪音增大。
通过提取分析轴承润滑油中的金属颗粒的大小形状, 判断颗粒的产生原因和位置, 从而判断轴承的运转状况。此方法局限于油润滑的轴承, 并且该方法受环境影响较大, 比如外界金属屑溅入轴承润滑油中。
通过监测轴承附近部件的温度来观测轴承是否正常运转, 比如监测轴承座或者箱体的温度。温度监测对轴承过载、润滑不良引起的温度过高较敏感, 常用于报警系统。
声发射法当滚动轴承通过剥落位置时会有发声现象, 并且具有周期性, 分析发声周期可以判断故障类型和部位。
表中符号:f为频率, n为轴承转动速度 (r/min) , d为滚动体直径 (mm) , D为轴承中心径 (mm) , Z为滚动体数量, α为轴承接触角。
采用振动传感器采集滚动轴承的振动信号, 对其信号进行处理和分析, 依据获得信号的特征, 判断轴承故障的种类和位置。振动法适用与各种工作状态下的滚动轴承轴承, 对振动信号的测试与处理比较简单和直观, 对轴承故障的诊断结果比较可靠。
另外还有一些通过经验来判断轴承工作状态的方法。设备运转时, 用手触摸轴承外壳, 其温度不感觉烫手为正常。反之, 则表明轴承的温度过高。周期性的撞击声说明轴承已经有剥落凹痕, 刺耳的鸣叫声说明轴承润滑不足或者滚动体局部装配过紧。
按轴承振动信号特点分故障形式一般可以分为表面损伤和磨损类损伤。轴承运转过程中产生的主要特征频率见表1。
当损伤点滚过轴承元件表面时要产生突变的宽带信号形式的冲击脉冲力, 将覆盖轴承系统的高频振动频率引起谐振, 从而产生冲击振动。这是损伤类故障的振动信号的基本特点之一, 并且故障特征频率一般在2k Hz以下。
轴承内圈损伤:当轴承内圈损伤时, 若滚动轴承无径向间隙时, 会产生频率为nf6的冲击振动。通常滚动轴承有径向间隙, 且为单边载荷, 由于损伤部分与滚动体接触位置不同, 振动振幅会发生周期性的变化, 即发生振幅调制。若以轴频率进行调制, 其振动频率为 n f6±f0。
轴承外圈损伤:轴承外圈损伤时也会产生冲击振动振动频率为n f3。
滚动体损伤:当滚动体产生损伤时, 缺陷部位通过滚道表面时将产生冲击振动, 并以公转频率1f进行调制, 其振动频率为n f4±f 1。
3.2磨损类故障
磨损类故障是轴承在长时间工作时产生的一种渐变性故障。轴承工作面磨损后产生的振动信号与正常轴承的振动信号有着相同的性质, 两者的波形都是规则的。但轴承磨损后的振动信号幅值明显高于正常轴承, 这是已磨损轴承的振动信号区别于正常轴承的基本特点。
滚动轴承故障种类较多, 本文对其故障原因和种类进行分类总结, 有利于及时对轴承故障进行诊断并采用合理的处理方法;采集轴承的振动信号并进行分析处理后, 依据获得的振动信号特征, 可诊断出轴承故障部位, 并且在实时信号处理系统的辅助下, 易于实现轴承状态的实时监测。
摘要：轴承为机械设备的关键部件之一, 轴承损坏能直接影响设备正常运作, 影响生产效率。本文对轴承的常见故障原因及形式进行分析, 并总结其故障检测方法和轴承在发生故障时的振动信号特征。
关键词：轴承故障,振动信号
[1] 滚动轴承故障分析与探讨[M].内燃机配件, 2000 (3) .
[2] 滚动轴承故障分析与检查维护[J].科技传播, 2010.5 (上) .
