《滾動軸承故障診斷技術與應用》

摘  要：從工業的實際應用介紹滾動軸承故障發生過程及故障發展中各階段的特征，應用振動頻譜診斷技術對滾動軸承故障進行診斷的方法和經驗。

       滾動軸承在旋轉機械中應用廣泛，同時也是易損壞的元件之一。旋轉機械的許多故障都與滾動軸承有關，軸承的工作好壞對機械的工作狀態有很大影響，其缺陷會導致設備產生異常振動和噪聲，嚴重時甚至損壞設備。對滾動軸承進行正確的狀態監測及診斷，是現代化企業的設備優化管理及預知維修的一個重要方面。

一、滾動軸承故障發展的四個階段

       對應滾動軸承的結構組成，滾動軸承有4種故障頻率：滾動軸承保持架故障頻率（FTF），滾動軸承滾動體故障頻率（BSF），滾動軸承外圈故障頻率（BPFO），滾動軸承內圈故障頻率（BPFI）。對于這些軸承故障頻率的求取，有專門的數學計算公式，不過在實際工作中計算比較麻煩，較方便的方法是利用專門的軟件獲得，如美國羅克韋爾自動化ENTEK公司的Odyssey軟件中就帶有該功能插件，只要輸入軸承型號及生產廠家等信息，就可得到對應的各種軸承故障頻率。

       一般把滾動軸承故障的發展分為4個階段（圖1）：

       第一階段，即軸承開始出現故障的萌芽階段，這時溫度正常，噪聲正常，振動速度總量及頻譜正常，但尖峰能量總量及頻譜有所征兆，反映軸承故障的初始階段。這時真正的軸承故障頻率出現在超聲段大約20～60kHz范圍。

       第二階段，溫度正常，噪聲略增大，振動速度總量略增大，振動頻譜變化不明顯，但尖峰能量有大的增加，頻譜也更加突出。這時的軸承故障頻率出現在大約500Hz～2kHz范圍。

       第三階段，溫度略升高，可耳聽到噪聲，振動速度總量有大的增加，且振動速度頻譜上清晰可見軸承故障頻率及其諧波和邊帶，另振動速度頻譜上“噪聲地平”明顯升高，尖峰能量總量相比第二階段變得更大、頻譜也更加突出。這時的軸承故障頻率出現在大約0～1kHz范圍。建議于第三階段后期予以更換軸承，那么此時應該已經出現肉眼可以看到的磨損等滾動軸承故障特征。

       第四階段，溫度明顯升高，噪聲強度明顯改變，振動速度總量和振動位移總量明顯增大，振動速度頻譜上軸承故障頻率開始消失，被更大的隨機的寬帶高頻“噪聲地平”取代；尖峰能量總量迅速增大，并可能出現一些不穩定的變化。絕不能讓軸承在故障發展的第四階段中運轉，否則將可能發生災難性破壞。

       根據研究結果，一般的，如果滾動軸承的整個使用壽命是L10，那么從軸承安裝投入使用時計起，在它的前80%L10。壽命時間段內，軸承是一切正常的。而接下來對應滾動軸承故障發展，其剩余壽命在第一階段為10%～20%L10，第二階段為5%～10%L10，第三階段為1%～5%L10，第四階段約為1h或者1%L10。因此，在實際工作中面臨軸承問題時，考慮到軸承故障發展的第四階段具有不可預見的突發危害性，建議于第三階段后期予以更換軸承，這樣既可以避免故障的擴大和更嚴重事故的發生，又能盡量保證滾動軸承的使用壽命，并且根據此時軸承上也已經出現肉眼可以看到的磨損、零部件損壞等滾動軸承故障特征，比較有說服力。至于軸承故障發展的第三階段后期的識別，則需要依據上述理論特征再結合實際的溫度、噪聲、速度譜、尖峰能量譜、速度和尖峰能量的總量趨勢及實際經驗予以綜合考慮。經本廠實踐證明，該診斷方法行之有效，診斷的成功率較高。

二、診斷實例

       使用美國羅克韋爾自動化ENTEK公司的 DP1500數據采集器采集現場振動數據（主要是振動速度、尖峰能量的總量和頻譜），回傳到計算機相應的軟件，在軟件中進行趨勢、頻譜的分析診斷。

1．滾動軸承外圈故障

       2003年6月5日在定期檢測中發現4#循環水泵外側軸承振動與前次測值相比增大很多，并已超過標準，于是對其進行進一步分析診斷。該泵電機功率250kW，轉速994r/min，簡支結構，外側軸承型號為ZXN316。

       從圖2中趨勢圖可看出，振動值比正常時增長了近3倍，達到了16.2mm/s，遠遠超過了振動標準。從頻譜圖可看出，在常規的0～1kHz范圍內，出現了明顯的軸承外圈故障頻率及其2、3、4、5、6倍諧波，且每次諧波兩邊都有多級轉速邊帶（在瀑布圖上之前的相同位置并未出現）。結合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承的外圈出現故障，并已處于滾動軸承故障發展的第三階段后期，為避免故障擴大損壞設備應該予以更換。

解體檢查結果證明判斷準確，外圈滾道確有嚴重剝落損傷，另外其內圈也損傷嚴重（這說明有時候頻譜上反映軸承某元件有較明顯的故障頻率，實際檢查時會發現該軸承其他元件有更嚴重損傷，但對于使用企業而言，主要是準確判斷了滾動軸承故障，無論該軸承哪個元件有故障，其處理結果都是一樣的）。

2．滾動軸承內圈故障

       2003年6月香海熱電廠2#機1#凝結水泵泵外側軸承于運行中振動逐漸變大，并出現時有時無的異音，經過一段時間的跟蹤監測，該泵振動一直呈上升趨勢。該泵電機功率37kW，轉速為3000r/min，懸臂結構，兩軸承型號均為ZWZ6310。

       從圖3中可看出振動值一直呈上升趨勢，內側軸承水平振動達到7.2mm/s，比正常時增長了近3倍，超過了振動標準。另外從外側軸承的垂直方向尖峰能量總量趨勢圖（圖4）上也可以看到尖峰能量也在不斷上升。

       從頻譜圖（圖5）中，可看出在常規的0～1kHz范圍內，出現了明顯的軸承內圈故障頻率及其2、3、4倍諧波，每次諧波兩邊都有多級轉速邊帶，且有一個鮮明的特點是內圈故障頻率沒有其倍數諧波大，倍數諧波沒有其zui近的轉速邊帶大，所有的頻率分量以軸承內圈故障頻率的4倍諧波的右屬第一條轉速邊帶強。結合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承的內圈出現故障，并已處于滾動軸承故障發展的第三階段后期，為避免故障擴大損壞設備應該予以更換。

        經檢修解體檢查確認，內圈滾道確有兩處明顯的滾動碾壓剝落損傷，另外該軸承保持架上一鉚釘脫落、保持架一處斷裂、三個滾珠有明顯大疤。事實證明判斷準確，故障的起因就是保持架鉚釘脫落，然后進入軸承內圈滾道碾壓。

3．滾動軸承滾動體故障

       2006年9月香海熱電廠3#中繼水泵軸承室振動噪聲明顯較大，水平振動達到了17.4mm/s，遠超過了振動標準，垂直振動則處于不穩定狀態，振動測量瞬間值有時很高。該泵電機功率160kW，轉速為3000r/min，懸臂結構，泵軸承分別為ZWZ7312和ZWZ316。

       在常規速度頻譜上并未發現明顯的故障頻率，在水平方向的速度頻譜圖（圖6）上振動相對穩定，但振動總量超標達到了17.4mm/s；而在垂直方向的速度頻譜（圖7）上出現了低頻不穩定的頻譜成分，它使得振動速度和振動位移的測量值都不穩定，有時的瞬間測量值更是高得離譜，認為它是軸承內產生的一種低頻摩擦，與噪聲相關。在尖峰能量頻譜（圖8）上，則可清晰地看到了ZWZ7312軸承的滾動體故障頻率和它的2、3、4、5、6多次諧波。綜合考慮振動大小、噪聲情況、溫度變化及振動變化率等多方面因素，可以得出結論：ZWZ7312軸承的滾動體產生了損傷故障，引起了摩擦，已不適合繼續運行，應停泵檢查更換，以避免故障擴大。

       檢修解體檢查，確實是滾動體產生了較嚴重的損傷尊”落，經更換軸承后運行測試，振動恢復正常。

4．滾動軸承外圈松動（即跑外圈）故障

       2005年11月10日在定期檢測中發現2#機1#射水泵的電機軸承振動出現異常變化，并已超過振動標準，同時還伴有異音。該泵電機功率75kW，轉速1500r/min，簡支結構，其電機軸承型號為ZWZ6317o

       從該電機軸承軸向振動頻譜、瀑布、趨勢綜合圖（圖9）的趨勢圖上可看出振動值一直呈上升趨勢，達到9.4mm/s，遠超過了振動標準；另外從該電機軸承水平振動尖峰能量頻譜、瀑布、趨勢綜合圖（圖10）可以看到尖峰能量也出現了上升趨勢。

 從圖9、圖10頻譜上，都出現了明顯的多次轉速諧波，這是明顯的松動特征。結合噪聲溫度綜合考慮判斷該軸承出現的是外圈松動（即跑外圈）故障，根據異音程度及振動速度的有效值比較大超過振動標準，為避免故障擴大損壞設備應該予以停機檢查。

       經檢修解體檢查確認，電機內滾動軸承外圈表面有滾動創傷及滾動痕跡，對應電機端蓋內表面有砂眼及臺階狀滾磨痕跡，且軸承與端蓋之間間隙較大充滿油污。考慮到電機內端蓋尺寸改變，只更換軸承是不能解決松動問題的，于是將電機端蓋進行內表面噴涂加工，同時更換電機內滾動軸承。振動恢復為

         風機現場維修、振動故障分析、耐磨堆焊、陶瓷貼片、現場動平衡