現代工業通用機械都配備了相當數量的滾動軸承，滾動軸承是旋轉機械中的重要零件,在各個機械部門有著廣泛的應用。在旋轉機械中有70%的故障是由滾動軸承引起的，軸承振動對軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會在軸承及振動測量中反映出來。所以，通過采用振動分析儀可測量出振動的大小，通過頻率分布可分析出異常的具體情況。

一．滾動軸承故障檢測原理
滾動軸承的局部故障會產生與軸承特征頻率相等的脈沖，軸承的特征頻率一般指：

• 外滾道的滾珠通過頻率
• 內滾道滾珠通過頻率
• 二倍的滾珠滾動頻率

這些故障會以被沖擊頻率分離開的一系列諧波形式出現，其中沖擊頻率幅值與單個脈沖譜成比例，滾動軸承故障的沖擊頻率原理公式如下：

其中：

n——滾珠或滾柱的個數
fr——在軸承內圈與外圈之間的相對每秒轉速
BD——滾珠直徑
PD——軸承節徑
β——滾珠與內外圈的接觸角

 

二．試驗測試

儀器采用晶鉆儀器的Spider-80X振動數據采集儀。如下圖，我們在現場測試的傳感器布置方式，采用PCB三軸向振動傳感器在旋轉軸兩端各布置一個，測振方向為軸承旋轉的徑向（Ch3, Ch6）,軸向(Ch1,Ch4), 水平方向(Ch2,Ch5),并在機殼頂部布置一個單軸向傳感器，測振方向為軸承旋轉的徑向

在測試過程中，我們測試了正常軸承和故障軸承在不同轉速下的振動加速度數據，并進行了初步的分析，基本數據如下：
SIG0050_Block(Ch6) ，故障軸承，轉速：內圈 1050 RPM (17.5Hz)，外圈 9680RPM (161.3Hz)，軸向時域振動波形：

SIG0020_Block(Ch6) ，正常軸承，轉速：內圈 1050 RPM，外圈 9680RPM，軸向時域振動波形：

以上紅色為故障波形， 綠色為正常波形。

分析：可以明確看到：

1. 故障波形振動幅值大于正常波形
2. 2 故障波形表現出較為明顯的沖擊尖峰，可見紅色波形 2 個光標的標示處，間隔 1.05ms 左右，頻率 952Hz 左右

 

三．頻譜數據分析：

 

上圖為Spider-80X振動分析儀獲得的徑向振動信號的自功率譜數據，其中紅色為故障軸承，綠色為正常軸承。

分析：

1. 從振動信號總量級值 RMS 看：故障軸承為 0.83g, 正常軸承為 0.54g, 即故障振動量級明示大于正常軸承。
2. 其中 C1, C2, C3 對應頻率為 162.5Hz，325Hz 和 487.5Hz 分別對應于外圈轉速的基頻、2 階諧波、
   3 階諧波。（9680/60 = 161.3，約為 162.5Hz）,一般來說，低階諧波分量，反應是軸承轉子的動力性特性，如個外圈轉子本身的動平衡、軸系對中是否良好等，在本測試中，不做為軸承的故障特性考慮。
   
3. 對比兩個頻譜，故障特征差異主要集中在以 971.87Hz 為中心和 2753Hz 為中心的兩個頻率范圍中，分別分析如下：
   • 1). 971.87Hz 中心頻率放大圖：
     
     從上可見故障峰值在971.875Hz 處大大高于正常軸承的峰值，變化率為：0.69078/0.1988 = 347.5%，其邊頻帶模式與正常軸承相比基本相同，971.875Hz / 6 = 162Hz, 是外圈轉速的 6 階諧波分量，因此可以認為是軸承固有轉子特性，在故障狀態下被共振激發，但我們并不認為該頻率為滾動軸承局部故障特征頻率。
   • 2). 2753Hz 中心頻率放大圖：
     
     根據滾動軸承故障原理，軸承外圈故障，沖擊頻率 f(Hz) = (30/2) * 178.8 * 1.0 = 2682.45Hz，與實測的故障頻率 2753.0Hz 接近,而且 2753.0Hz 處的頻率分量變化率為 ： 0.1807/ 0.01316 = 1373.1%，并且可見該處的邊頻帶頻率分布模式，故障軸承與正常軸承基本不同，沒有可比的頻率分量,因此可以確定該頻率為外圈特征故障頻率。
4. 根據以上分析，我們認為軸承故障為外圈故障，可能存在剝落或腐蝕點。但需要說明的是根據軸承故障原理，因為軸承振動存在復雜的耦合路徑，針對故障頻率點比較，只能判斷是否存在故障，還不能做出更進一步的細化故障判斷，如：剝落點的大小、數量、是連續的剝落帶還是離散的剝落點等，因為剝落帶或離散的剝落點在某時刻引起的多點沖擊，完全可能因為耦合的原因，在波形上表現為單一沖擊，在頻譜上高頻故障頻率表現為較低頻的故障頻率。
5. 我們也對其它高轉速測試信號進行了同樣的分析，但故障特征不如低轉速下明顯，其原因我們認為如下：
   1）該剝落點可能不是太嚴重，表現為故障初期的輕微剝落故障。因此在轉速升高后，軸承轉子固有的振動特性分量的增加，掩蓋了剝落故障引起的信號成份，由于沒有該型軸承的通用故障特征頻率庫，采用通用的頻譜分析方法，難以明確區分故障模式。
   2）使用其它高級分析方法，如包絡譜分析、倒譜分析，有可能在高轉速情況下取得分離結果，但分析過程較復雜，由于時間關系，我們后期再進行。

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