軸承的故障診斷與保全對策

李芳麗

（蘇州健雄職業技術學院，太倉 215400）

軸承的故障診斷與保全對策

李芳麗

（蘇州健雄職業技術學院，太倉 215400）

本文通過對軸承故障診斷的兩種基本方法沖擊脈沖診斷法（SPM法）和經驗模態分解法（EMD法）進行分析，提出軸承保全策略，盡量做到事前預防保全，事中采用恰當的故障診斷方法探究故障層級，事后及時改良措施，確保機器正常運作。

軸承故障診斷 沖擊脈沖診斷法 經驗模態分解法 軸承保全策略

引言

公元前2000～3000年，埃及人就知道在搬運大石造金字塔時，在地面與大石之間涂上動物油或者植物油來減少摩擦，開創了滑動軸承與潤滑劑的起源，從而使滾木或者臺車成為發展轉動軸承的先河。軸承是機械部件中重要的組成部分，也是機器中最易損壞的零件之一。研究表明：在機械運轉中，80%的電機故障表現為電機軸承故障，其中，又有70%的故障是由滾動軸承引起的。在傳動機械中，齒輪箱發生的各類故障中，軸承故障僅次于齒輪，占19%[1]。

起初，人們通過聽音棒接觸軸承部位，依靠聽覺來診斷軸承故障，后來通過電子聽診器診斷故障，提高了診斷的正確率，但對操作者的經驗要求較高，且影響因素較多。在檢測軸承故障時，通常檢測三方面的問題：軸承的振動情況、軸承的滾動聲、軸承工作溫度及軸承的潤滑狀態[2]。因此，軸承的診斷主要經歷了四個階段：第一階段，通過頻譜分析儀診斷軸承故障；第二階段，運用沖擊脈沖技術診斷軸承故障；第三階段，利用共振解調技術診斷軸承故障；第四階段，開發以微機為中心的滾動軸承監視與故障診斷系統[3]。本文以滾動軸承為例，探討軸承的主軸診斷與保全技術。

1 滾動軸承故障檢測及其診斷技術分析

在實際生產和生活中，軸承故障產生的原因主要可以歸納為以下幾種：①設計時選用軸承發生了錯誤和偏差；②軸承潤滑不良；③軸承組合與保全不當；④軸承精度不良；⑤軸承超載；⑥軸承腐蝕等。發生故障率見表1。

表1 軸承常見故障原因及發生率

1.1 滾動軸承的常見故障

機械設備中較重要的旋轉零件是滾動軸承，因此，滾動軸承是機械設備中的重要故障源。相關資料研究表明：在使用滾動軸承的旋轉機械中，齒輪箱的各類故障中，軸承故障率僅次于齒輪，占20%；大約有30%的機械故障是由滾動軸承引起的；感應電機故障中的滾動軸承故障約占電機故障的4O%左右[4]。表2為滾動軸承引起故障的常見失效形式。

表2 滾動軸承常見失效形式

1.2 滾動軸承故障診斷技術

滾動軸承的故障診斷技術有很多，現就最常見的兩種故障診斷技術進行探討。

沖擊脈沖診斷法（SPM法）：SPM沖擊脈沖法（Shock Pulse Method)指的是當滾動軸承發生裂紋、疲勞剝落、磨損或者滾道內進入異物時，運動過程就會發生沖擊，這種沖擊通常表現為脈沖性振動。沖擊脈沖的強弱反映了故障的程度。圖1為沖擊脈沖法實驗得到的沖擊脈沖與軸承壽命的關系圖。

圖1 沖擊脈沖值與軸承壽命的關系

滾動軸承的正常振動信號是包含很多信號成分的低頻信號，由于軸承結構和工作轉速不同，頻率范圍主要在20～20000Hz，可以通過下面公式計算得到。而沖擊脈沖的頻率一般為30kHz-40kHz（核對），遠遠高于這個頻率帶，所以，必須通過帶通濾波將沖擊脈沖信號從振動信號中提取出來，來進行軸承運行狀態的判斷［3］。表3為軸承故障對應的頻率特征計算式。

表3 故障類型對應的特征頻率計算式

經驗模態分解法是對沖擊脈沖法的有效補充。沖擊脈沖法在判斷滾動軸承是否存在故障、故障嚴重的程度時，可以通過故障頻率有效判斷，但由于固有頻率的組成是一簇譜峰，包含了多種頻率信號量，沒有辦法通過分析故障的特征頻率來判斷故障產生的具體位置[3]。這時就可以采用經驗模態分析法（縮寫EMD，Empirical Mode Decomposition）。

要想通過EMD方法來彌補沖擊脈沖法的缺點，必須先計算出各個部件的故障特征頻率。可以通過上述公式計算。在任何時候，每一個復雜的信號都可以是包含若干個固有模態信號，若干個固有模態信號（IMF）疊加在一起形成了可以分解的復雜信號。EMD信號處理方法具有信噪比高、能自適應分解的特性，對非線性信號和非平穩的信號處理具有較高的效率。它首先通過分解，提取出最高頻分量，然后是次高頻分量，接著是IMF的特征分量從最高頻大盤次高頻提取，直到最后分解出殘余量為止。

由于滾動軸承的不同部件上故障產生的故障間隔頻率不一樣，根據表3中的公式，可以通過軸承的工作轉速，軸承自身的結構尺寸大小（內徑d和外徑D）推導計算出來。滾動軸承在工作過程中一般是將外圈固定安裝，內圈和軸采用過盈連接，故工作中外圈一般是固定不動的，內圈的轉速則和軸的轉速保持一致［3］。如果假設軸的轉速為n，內外圈的轉速分別為ne、ni，此時可得ni=n，ne=0。根據圖2滾動軸承的相對運動關系，可以計算出軸承各部件之間的相對轉速，各參數的名稱如圖2所示。

圖2 軸承中的相對運動關系

內圈相對于保持架的轉速為：

外圈相對于保持架的轉速：

假設滾動體的數量為Z，那么每分鐘通過內圈B點的滾動體數量為：

每分鐘通過外圈滾動體數量為：

滾動體自身的轉速為：

以滾動軸承6201為例（內徑d=12mm，外徑D=32mm，厚度B=10mm，滾珠數z=7，滾珠直徑d1=6.5mm）。實驗設置采樣頻率為1024Hz，分析頻率為1000Hz，采樣點數為1024，軸承轉速為330r/min。通過上述公式計算可得，滾動軸承的故障特征頻率：滾珠旋轉頻率f0=8.5Hz，保持架旋轉頻率fc=1.94Hz，滾珠通過內圈頻率fbi=24.94Hz，滾珠通過外圈頻率fbc=13.56Hz。

首先來對軸承外圈故障進行分析，軸承外圈正常情況與故障波形圖對比如圖3所示，圖a為外圈故障時的波形圖，圖b為外圈正常時的波形圖。從圖中可以看出，相對于正常的軸承，有故障的軸承振動信號的波形通常會出現比較大幅值的周期脈沖，可以初步判斷軸承外圈已經出現故障。

圖3 軸承外圈正常情況與故障波形圖對比

接著對外圈故障信號進行分解，分解方式采用工程中常用的三層小波信號分解法，將信號的低頻系數和高頻系數同時分解，經過三層分解后形成8個節點，分別定義為節點（3,0）、（3,1）、（3,2）、（3,3）、（3,4）、（3,5）、（3,6）、（3,7）。經分解后的節點信號實際上反映的是原始信號的振動特征。圖4為進行三層分解后的外圈節點信號圖。

再對故障的頻段能量與正常軸承的頻段能量進行對比，如圖5所示。

對比分析圖4和圖5可知，8個節點的信號都反映了軸承周期旋轉故障的脈沖特征。正常運轉時，最大能量應在（3,0）處，頻段范圍在0～750Hz；而外圈有故障的軸承能量比較集中、幅值比較大的節點在（3,2）和（3,6）處，說明外圈故障的沖擊振動在該節點處最為明顯，蘊含了大量的故障特征信息。為了對比，選取能量最小的節點（3,2）和能力最大的節點（3,6）進行包絡譜分析，如圖6所示。

圖4 軸承外圈故障小包分析節點信號圖

圖5 外圈故障軸承和正常軸承外圈的頻段能量分布對比圖

圖6 外圈故障節點的包絡譜分析

由圖5對能量集中節點的分析可知，能明確看出軸承的外圈故障頻率在103.4Hz，同時，在2倍頻率處也能看到明顯的譜線幅值，可見，包絡譜分析精細解調除外圈故障頻率外，與軸承實際外圈的故障情況相符。

現對內圈故障情況進行分析。如圖7所示，圖a為內圈故障時的波形圖，圖b為內圈正常時的波形圖。

也對其進行三層小波分析，得到其8個節點的信號圖，如圖8所示。

接著對比軸承內圈故障的頻段能量與正常軸承內圈的頻段能量點，如圖9所示。

圖7 軸承內圈的正常情況與故障波形圖對比

圖8 軸承內圈故障小包分析節點信號圖

圖9 內圈故障軸承和正常軸承內圈的頻段能量分布對比圖

圖10 內圈故障節點的包絡譜分析

對比圖7和圖8可知，正常運轉時，最大能量應在（3,0）處，頻段范圍在0～750Hz；而內圈有故障的軸承能量比較集中、幅值比較大的節點在（3,6）處，且頻率在3000～3750Hz，說明內圈故障的沖擊振動在該節點處最為明顯，蘊含了大量的故障特征信息。為了對比，選取能量最小的節點（3,4）和能力最大的節點（3,6）進行包絡譜分析，如圖10所示。

對軸承內圈的包絡譜進行分析可知，在特征頻率為155.1Hz及其2倍頻率處都有明顯的譜線，說明軸承的內圈發生故障，分析得到的結論和軸承內圈的實際情況完全吻合。

通過上述對6201軸承內外圈的故障診斷實例分析可以看出，采用EMD分解的若干個IMF分量中均包含了軸承主要故障的特征信息，接著以包絡譜的方法將其提取出來，然后跟軸承故障類型的特征頻率進行比較，有效判斷出軸承不同部位的故障類型[3]。

2 企業常用保全的策略

所謂保全（PM），指的是凡是生產設備必須經過調查、研究、設計、制作、裝置、運轉、保全的過程后才能宣布報廢。

設備的保全屬于設備管理的環節，在企業管理中如果能夠發揮PM的功能，就能在很大程度上提高企業的經營成果，減少設備性能的損耗，避免因設備故障而引起的損失，降低生產成本。PM相較于事后保全（BM-Break Maintenance）更為經濟。

2.1 工廠保全作業的理想清單

工廠保全作業的理想清單如表4所示。

表4 企業保全的理想清單

2.2 常用保全辦法的選擇

企業在運轉過程中，總是追求利益最大化，因此，在保全時，總是會選擇最經濟的保全措施。表5為企業的最經濟保全方法。

表5 企業保全辦法

2.3 生產保全的費用

企業設計保全措施的最終目的是為了減少開支，而實施上述保全計劃后，可以減少保費30%以上。企業保全時間與故障率、費用的關系如圖11所示。

圖11 企業保全時間與故障率、費用的關系

2.4 軸承的常見的故障及對策綜合分析

由上述可知，在實際生產過程中，軸承故障的58%（43.1%+14.9%）是由于軸承保全不良，32%（13.6%+10%+8.4%）是由于軸承設計使用不良。表6列出了軸承故障產生的原因、主要現象和處理對策。

表6 滾動軸承故障的保全對策

3 結論

本文在對軸承故障診斷的兩種基本方法沖擊脈沖診斷法（SPM法）和經驗模態分解法（EMD法）進行分析的基礎上，探討了軸承保全方法。

通過對軸承故障的診斷分析及對保全方法的探討可知，在軸承的使用過程中，針對各種故障產生的現象，采用恰當的處理措施，做到事前預防保全、事后及時改良，兼顧利益最優化，根據故障現象，初步估計軸承的故障類型，根據自身情況，采用合理的保全辦法，定能提高軸承的使用壽命。

[1]李振威.滾動軸承常見故障分析及維護[J].設備管理與維修，2013，（S1）：32-34.

[2]楊國華.滾動軸承故障診斷及經驗總結[J].通用機械，2011,（5）：19-22.

[3]那琳.旋轉機械故障診斷技術的研究及實現[D].北京：北京郵電大學,2013.

[4]王征兵,劉忠明.滾動軸承擴展壽命計算方法及影響因素研究[J].機械傳動，2011，（12）.

Fault Diagnosis and Maintenance Strategy of Bearing

LI Fangli
(Jiangsu Chien-shiung Institute of Technology,Taicang 215400)

Based on bearing fault diagnosis of two basic methods of shock pulse diagnostic method (SPM) and empirical mode decomposition (EMD) method on the basi s of the analysis, propose strategies for preservation of bearing, as far as possible ex ante preventive maintenance, usi ng appropriate methods of fault diagnosis fa ult level inquiry, afterwards promptly corrected improvement measures, t o ensure the normal operation of the machine.

bearing fault diagnosis, impulse diagnosis method, empirical mode decomposition method, bearing preservation strategy