轉子軸承系統的故障及其診斷

程　美

（湖南汽車工程職業學院，湖南株洲　412001）

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轉子軸承系統的故障及其診斷

程美

（湖南汽車工程職業學院，湖南株洲412001）

摘要：旋轉機械是工業生產中應用最廣泛的一類機械設備，轉子軸承系統作為旋轉機械的核心部件。轉子軸承系統也面臨著如軸承部件損壞、轉子不平衡、轉子不對中、動靜碰摩、油膜渦動等易發故障。因此，必須轉子軸承系統可能出現的異常現象的機理進行分析，及早發現問題，及時排除故障，保證轉子軸承系統的可靠工作，避免造成經濟損壞或出現重大安全事故。

關鍵詞：轉子軸承系統；振動診斷；油液診斷；發展趨勢

旋轉機械是工業生產中應用最廣泛的一類機械設備，轉子軸承系統作為旋轉機械的核心部件，在工業生產的各個重要領域中發揮著無可替代的作用。隨著技術的不斷發展，旋轉機械向高速化、重載型和自動化的方向飛速發展，從而對速度、容量、效率、安全性、可靠性等方面提出了更高要求。同時，轉子軸承系統也面臨著一些挑戰，如軸承部件損壞、轉子不平衡、轉子不對中、動靜碰摩、油膜渦動等，因此，我們必須對轉子軸承系統可能出現的異常現象的機理進行分析，及早發現問題，及時排除故障，保證轉子軸承系統的可靠工作，避免造成經濟損壞或出現重大安全事故。

1　轉子軸承系統常見故障形式及機理

旋轉機械的發展趨勢是高速度、高精度、高安全指數。為了充分發揮該轉子軸承系統的性能，旋轉機械一般都運行在超臨界轉速狀態，隨著轉速的上升，轉子軸承系統的振動將呈幾何倍數的上漲從而引發諸多事故，并且即使轉子的加工精度非常高，轉子的一些振動也是難以避免的，如不平衡振動；不對中，由于安裝、制造的誤差導致軸中心線不可能與軸承中性線完全重合從而引發振動。

（1）轉子的不平衡。轉子的質量不平衡，將導致離心力作用軸上產生振動，其可能的原因有：①轉動件本身形狀不對稱，重心不在旋轉軸線上；②加工制造上的公差；③組裝安裝不當；④轉動件運轉時的變形，使得重心移位；⑤轉動件破損磨耗；⑥轉動件附著異物。

質量和幾何中心線不重合，即質心不在旋轉軸上，這種不平衡是一種典型的故障狀態。不平衡將導致附加載荷增加，導致設備和零件損壞。不平衡有一般性不平衡和突發性不平衡兩種情況，一般性不平衡是隨著運行時間的延長振值會逐漸增大；零件脫落或有異物卡塞會造成突發性不平衡，表現為振值突然增大。

不平衡會產生離心力，通過軸承作用到機械上，振動產生噪音，從而加劇軸承磨損，縮短設備壽命，甚至造成事故。據有關統計，50%的機械振動是因為不平衡力引起的。所以，為降低設備故障、延長壽命，需要對轉子進行平衡，使其達到平衡精度等級。

（2）轉子不對中。轉子不對中可能引起聯軸器偏轉、機器異常振動，對設備危害非常大。轉子不對中故障原因往往是基礎不均勻沉降、工作熱膨脹、安裝誤差等，在工作時可能會導致轉子軸線之間平行位移、軸線角度位移或綜合位移等誤差。

（3）轉子——定子的碰摩故障。碰摩是旋轉機械較為常見的故障之一，它是指旋轉機械轉子與定子之間的間隙增大，軸承磨損、葉片折斷所導致的機械失效。造成碰摩故障的主要原因有：①軸心嚴重變形；②間隙不足；③非旋轉部件彎曲變形；④轉子不平衡；⑤轉子對中嚴重不良等。

（4）油膜渦動。油膜振蕩故障將使轉子產生亞異步振動，是由軸頸的渦動運動與轉子自振頻率相吻合時發生的大幅度共振運動所產成，識別方法一般是看振動頻率是否接近轉動速度的一半。其振動特點是瞬時間振幅突然升高，然后很快發生局部油膜破裂，進而引起軸頸和軸瓦之間摩擦，使軸承和轉子損壞。

2　轉子軸承系統的故障診斷方法

目前，用于滾動軸承故障檢測和診斷的方法有很多，如振動診斷、溫度診斷、油液診斷、光纖法等，各種監測診斷方法有都其適用性。下面主要介紹振動診斷方法和油液診斷方法。

（1）振動診斷。振動診斷技術是對比正常機器或結構的動態性（如固有頻率、振型、傳遞函數等）與異常機器或結構的動態特性的不同，來判斷機器或結構是否存在故障的技術。振動診斷方法具有能檢測出類型多、初期就可以檢測、可在旋轉中測定、不需要特別的信號源、信號檢測和處理簡單等優越性。

滾動軸承的振動故障有有效值和峰值判別法、峰值指標法、振幅概率密度分析法、時序模型參數分析法、沖擊脈沖法、包絡法、高通絕對值頻率分析法等診斷方法。

軸承中所產生的振動是隨機的，含有滾動體的傳輸振動，滾動軸承的特征頻率是主要頻率。

圖1　軸承結構簡圖

如圖1所示，特征頻率可根據軸承結構參數計算如下：內圈旋轉頻率：fi=f=N/60，其中N為軸的轉速（r/min）。

滾珠通過內圈頻率：fBi=nfci

滾珠通過外圈頻率：fBo=nfc，其中d：滾珠直徑，β：接觸角，n：滾珠數量。

滾動軸承在工作中，滾珠與保持圈會產生沖擊，從而導致軸承元件的固有振動，其振動頻率是由材料、結構、尺寸質量和安裝方式決定的，與軸承轉速通常無關。

進行軸承故障的振動，需要獲取以上信息，根據這些值來確定故障元件，根據頻率幅值大小確定異常程度。

（2）油液診斷。油液監測與診斷技術是近年來迅速發展起來的用于機械設備狀態監測的新技術，尤其在發動機、齒輪傳動、軸承系統、液壓系統等諸多方面，取得了顯著的成效，獲得了廣泛的應用，油液監測與診斷技術通常包括油液理化性能分析技術、鐵譜分析技術、光譜分析技術、顆粒計數技術等，實現對油樣中所含磨粒的數量、大小、形態、成分等及其變化，油品的劣化變質程度等的分析。油液分析技術涉及的機理、分析內容及使用的儀器如圖2所示。

圖2　油液分析技術及儀器

油液監測與診斷技術是不拆卸設備、不停機的狀態下進行監測，通過監測異常表現、部位、程度和原因，預先報告可能發生的故障，提供管理和維護保養水平，促使設備正常運行。其監測步驟如圖3所示。在進行監測數據的處理和分析時，可以選擇不同的方法，如采用趨勢法、類比法等，獲得處理數據后，進一步可應用數理統計、模糊數學等建立系統進行分析。

圖3　油液監測步驟

3　軸承系統故障診斷技術的發展趨勢

國內外學者對軸承系統故障診斷做了大量的研究工作，也取了得一定的成果。隨著信息技術、微電子技術、智能技術的發展和應用，軸承系統故障診斷技術逐步向精密化、多維化、智能化發展。總的來說，主要表現在故障診斷的遠程化、故障診斷方法的相互融合、與多元傳感器信息的融合、診斷技術與虛擬儀器的結合的方向發展。

The Fault Diagnosisof Rotor Bearing System

CHENG Mei
（HunanAutomotive Engineering Vocational College，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Abstract:Rotary machine is the most widely used mechanical equipment in industrial production and rotor bearing system is the core part of rotary machine.Rotor bearing system also confronts faults like bearing component damage，unbalanced rotor and so on.Therefore abnormal phenomena which may happen to rotor bearing system must be analyzed and faults must be excluded and solved in time to guarantee the smooth and stable operation of rotor bearing system and avoid serious safety accidents and economic loss.

Key words:rotor bearing system；vibration diagnosis；oil diagnosis；development trend

作者簡介：程美（1984-），女，湖南臨澧人，講師，碩士研究生，主要從事汽車職業教育與研究工作。

收稿日期：2016-01-24

中圖分類號：TH113.1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0019-02