汽車交流發電機軸承故障診斷實例

李俊卿，李興林,張琳娜,張永恩

(1.鄭州大學 機械工程學院,鄭州 470001；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司 ，杭州 310022；3.浙江大學 機械與能源學院,杭州 310027)

某品牌的6303和6202軸承分別用于轎車交流發電機的皮帶驅動端和電刷端，在該轎車出廠檢測的過程中發現交流發電機的驅動端出現異常聲響，而該轎車的運行總里程還不超過20 km。現對其出現異常聲的原因進行分析。

1 交流發電機異常聲分析

在滾動軸承運行的過程中，軸承元件的表面損傷點反復撞擊與之接觸的其他元件表面而產生低頻振動，這些頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率。通過對監測到的振動信號進行技術處理，分離和突出故障特征信息，從而對軸承的早期故障進行監測和診斷[1-2]。

拆下該交流發電機，用專用振動儀器在水平和垂直兩個方向分別測發電機5 000 r/min時的振動速度信號，并做包絡處理,其頻譜如圖1和圖2所示。

圖1 水平方向振動包絡頻譜圖

圖2 垂直方向振動包絡頻譜圖

滾動軸承故障特征頻率可以通過以下計算公式計算得到。

外圈故障特征頻率:

內圈故障特征頻率：

鋼球故障特征頻率：

式中：Dw為鋼球直徑；Dpw為球組節圓直徑；α為接觸角；Z為鋼球數；n為轉速。對于6303軸承，Dw=8.731 mm,Dpw=32 mm,α=0,Z=7；對于6202軸承，Dw=6.000 mm,Dpw=25.260 mm,α=0,Z=8。由此可得，在5 000 r/min下6303軸承的內、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=371.25 Hz，fe=212.09 Hz，fw=282.69 Hz；6202軸承的內、外圈及鋼球的故障頻率分別為fi=412.51 Hz，fe=254.16 Hz，fw=331.04 Hz。

從圖1和圖2可以發現，該發電機的振動速度頻率譜中存在明顯的6303軸承內、外圈及鋼球故障特征頻率，且軸承內、外圈的故障特征頻率的幅值明顯比鋼球的要高,可以初步判斷交流發電機皮帶驅動端軸承已經出現故障，交流發電機的異常聲應該由此引起。軸承失效的根本原因需進一步分析。

2 軸承檢測和失效分析

2.1 摩擦力矩的檢測

用手旋轉該軸承，有輕微的間歇卡滯感。

2.2 振動速度的檢測

在軸承振動速度專用檢測儀上用電感式傳感器[3]檢測該軸承的振動速度和噪聲水平。其噪聲水平和振動數值均很高，其中振動速度值超過了1 mm/s，大大超出振動速度的質量控制范圍。檢測結果與交流發電機的振動頻譜圖相吻合。

2.3 尺寸公差和徑向游隙檢測

在軸承專用檢測儀上檢測該軸承尺寸公差和徑向游隙，均在質量控制標準范圍之內(表1)，排除了制造精度引起軸承損傷的可能性。

2.4 拆分檢測

去掉該軸承的密封圈，觀察軸承內部的情況，潤滑脂已經變成黑褐色,且聚酰胺保持架已變成黑色，很明顯軸承內部已經受到了嚴重污染。分拆并清洗掉軸承的潤滑脂，在立式顯微鏡下檢查軸承內、外溝道和鋼球，發現內、外溝道上均有7處等間距的銹蝕點，且這些銹蝕點分布在溝道的同一側，鋼球上也有局部銹蝕點，如圖3所示。這些特征表明，軸承溝道和鋼球的局部已經產生了典型的濕氣腐蝕，是軸承處于平放狀態或安裝到交流發電機上之后由水或潮氣引起的。

圖3 滾道銹蝕點示意圖

2.5 潤滑脂紅外光譜對比檢測

為了進一步確定軸承內部受到何種程度的污染,在紅外光譜儀上對該軸承的潤滑脂和新潤滑脂做了紅外光譜的對比檢測,檢測結果如圖4所示。由圖4知，兩者沒有明顯差異，說明軸承潤滑脂性能未嚴重劣化。但在元素分析中發現，舊油脂中含有較高的鐵、鈉、鈣等元素，此為外界污染物侵入潤滑脂并引起軸承磨損或銹蝕所致[4-7]。此結論和軸承拆分檢測結果基本相吻合。

圖4 新、舊潤滑脂的紅外光譜對比檢測

3 失效模式的討論

3.1 汽車模擬測試過程中水/水汽進入軸承的可能性

該汽車在終檢模擬測試過程中，在運轉的交流發電機處安裝了5個水平噴水嘴和15只垂直噴水嘴，噴水嘴噴出的水具有一定的壓力和流量。理論上高速旋轉狀態下的密封深溝球軸承的密封圈是不能有效防止動態壓力水侵入的，因此在該試驗驗證條件下很可能會引起水/水汽侵入軸承內部。如果要有效地防止動態壓力水的侵入，則需要附加專門的工業密封。但是由于該應用條件下的軸承通常處于交流發電機皮帶和殼體之間的半封閉狀態的空間里(圖5)，試驗驗證表明其在實際的應用中是不太可能受到動態壓力水的直接沖擊，而僅僅會受到水汽或少量飛濺水的入侵，因此該汽車終檢方法有待商榷。

圖5 交流發電機皮帶驅動端軸承位置

3.2 密封圈損傷的可能性

為了證實軸承的密封圈是否存在損傷，檢查了軸承密封圈的外表面和隔圈的尺寸。結果表明：密封圈完好，隔圈的尺寸也在設計要求的范圍之內，均未有異常情況。

3.3 防動態液壓水性能試驗

為了進一步驗證軸承的密封是否具有防動態壓力水的性能，對5套軸承依照企業標準分別做了靜態水、靜態壓力水、動態壓力水(且軸承旋轉)

等試驗，結果表明該軸承內部未侵入大量液體，防水性能良好。這說明在實際應用中，軸承本身的密封可以在一定程度上防止較小壓力和流量的動態壓力水侵入軸承內部。

4 結束語

通過診斷和分析可知，該交流發電機皮帶驅動端軸承的異常聲主要是由于水或潮氣侵入其內部，使其受到濕氣腐蝕而產生失效所致。另外，考慮到實際使用工況，汽車制造企業應對汽車交流發電機的測試方法作適當改進，且對該軸承采取適當的保護性工業密封，以避免該軸承在試驗階段的非正常失效。