壓力容器設備—烘缸軸承淺談

公磊

【摘要】：烘缸滾動軸承是旋轉機械中應用最廣泛的一種通用機械部件，在旋轉機械的各種故障中，烘缸滾動軸承故障占有一定的比例。這是因為烘缸滾動軸承是壓力容器設備中工作條件最為惡劣的部件，它在壓力容器壓力容器設備中起著承受載荷和傳遞載荷的作用，其運行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺機器的性能。許多壓力容器壓力容器設備在帶故障運行時，都要伴隨振動和沖擊的發(fā)生。振動和沖擊的發(fā)生也常常反映了機械的故障。因此目前的故障診斷方法大都以振動理論為基礎。

【關鍵字】：軸承故障、振動診斷、共振。

1、軸承故障概述

軸承是旋轉機械中的一類重要部件，軸承的性能及可靠性在很大程度上取決于軸承零件的材料。對于軸承套圈與滾動體，通常要考慮的因素包括影響承載能力的硬度，滾動接觸條件下、清潔或受污染條件下的抗疲勞性，以及軸承元件的尺寸穩(wěn)定性。對于保持架，要考慮的因素包括摩擦力、應變力、慣性力，

在某些情況下還要考慮同某些潤滑劑、有機溶劑、冷卻劑和制冷劑的化學反應。這些考慮因素的相對重要性可能受到其它運行參數(shù)的影響，例如腐蝕、溫度升高、沖擊負荷或這些與其它狀況的混合。滾動軸承內的密封件對軸承的性能與可靠性也有相當大的影響。它們的制造材料必須提供優(yōu)異的抗氧化性、耐熱性或耐化學腐蝕性。據統(tǒng)計，由于軸承導致的故障在旋轉機械所有故障中占到三分之一左右，近年來，隨著故障診斷計算在基層理論研究及實際應用中不斷發(fā)展和完善當烘缸滾動軸承出現(xiàn)局部損傷時，在受載運轉過程中，軸承的其它零件會周期地撞擊損傷點，產生的沖擊力激勵軸承座及其支撐結構，形成一系列由沖擊激勵產生的減幅振蕩，減幅振蕩發(fā)生的頻率為故障特征頻率。

2、 軸承振動產生的原因

常見的滾動軸承損傷形式有疲勞損傷、電化腐蝕、表面損傷、過熱燒傷等。當機械設配運轉時，軸承以設定的速度轉動并帶有一定的負載，此時以軸承、軸承座和箱體為組成零件的軸承系統(tǒng)就會產生激勵，進而促使整個設備系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)診斷，其振動通常會受內部因素和外部因素的影響。軸承系統(tǒng)振動產生的機理。在外部機械設備的其他部件會對軸承產生影響。

3、 烘缸滾動軸承故障的振動診斷

根據監(jiān)測頻帶的不同，可將烘缸滾動軸承故障的振動診斷劃分為低頻診斷和高頻診斷，其中低頻診斷主要是針對軸承中各元件缺陷的旋轉特征頻率進行的；而高頻診斷則著眼于烘缸滾動軸承因存在缺陷時激發(fā)的各元件的固有頻率振動。它們在原理上沒有太大差別都要通過頻譜分析等手段，找出不同元件（內滾道、外滾道、滾動體等）的故障特征頻率，以此判斷烘缸滾動軸承的故障部位及其故障的嚴重程度。顯然，要實現(xiàn)對故障特征頻率的定位，首先必須計算出各個元件的理論特征頻率。為此，先推導出各元件故障特征頻率的計算公式，再討論軸承各種故障的振動特點。

3.1、低頻段的旋轉特征頻率

烘缸滾動軸承各元件存在單一缺陷時的特征頻率如表2.1所示

需要說明的是上表中所給出的特征頻率分別為滾動體缺陷、內滾道缺陷和外滾道缺陷的基頻。實際應用中，根據故障嚴重程度，頻譜圖中還可能出現(xiàn)各自的倍頻。

3.2、高頻段的固有振動頻率

烘缸滾動軸承中的各元件因受到沖擊而作自由振動時是以各自的固有振動頻率進行的，軸承元件的固有頻率多處在幾kHz到幾十kHz的高頻段，且受軸承裝配狀態(tài)的影響，下面給出內外環(huán)的固有振動頻率的計算公式：

1） 內外環(huán)的固有振動頻率

（2.1）

式中 I----內外環(huán)截面繞中性軸的慣性矩， ；

D----圓環(huán)中性軸的直徑，m；

M----圓環(huán)單位長度內的質量， ；

E----圓環(huán)材料的彈性模量， ；

n----變形波數(shù)；

2） 鋼球的固有振動頻率

（2.2）

式中

----鋼球的直徑， ；

E----材料的彈性模量， ，鋼為 ；

----材料的密度， ，鋼為 ；

4、烘缸滾動軸承有異常時的振動特性

烘缸滾動軸承的異常情況是多種多樣的，為了敘述的方便，在此討論各種典型的單一型異常形式的振動特性，這并不意味著典型的異常形式總是獨立發(fā)生的。

4.1、烘缸滾動軸承的構造所引起的振動

（1） 軸承元件的變力變形引起的振動

給烘缸滾動軸承施加一定的載荷時，由于內外環(huán)以及滾動體的受力變形，而使旋轉軸的中心發(fā)生變動，由此引起的振動的主要頻率成分為 ，其中 為滾珠個數(shù)， 為滾動體的公轉頻率。

（2） 旋轉軸彎曲時引起的振動

當旋轉軸彎曲或傾斜時，此時發(fā)生的振動的主要頻率成分為 。

（3） 滾動體直徑不一致引起的振動

當一個滾動體的直徑大于其他滾動體的直時，旋轉軸軸心將以滾動體的公轉頻率 而變動，即發(fā)生此頻率的振動。此外，由軸向剛度的不同，還會引發(fā)頻率 ，的振動。

2） 烘缸滾動軸承的非線性引發(fā)的振動

烘缸滾動軸承是通過滾道與滾動體的彈性接觸來承受載荷的，可以形象的比之為 “彈簧”。此“彈簧”的彈性系數(shù)很大，當軸承的潤滑狀態(tài)不良時，就會出現(xiàn)非線性彈性，由此而引發(fā)的振動。其振動的頻率為軸的旋轉頻率 ，及其諧波 ， …和分頻 ， …。這種形式的振動常在深槽球軸承中發(fā)生，而在自動調心和滾子軸承上不常發(fā)生。

3）由于精加工波紋引起的振動

制造時，如在滾道或滾動體的精加工面上留有波紋，當凸起部數(shù)目達到一定值時，就會產生特有的振動，如表2.2所示。

應該指出的是，上表對于有徑向間隙并承受徑向載荷的軸承，多數(shù)是不適用的。

4）烘缸滾動軸承損傷（缺陷）而引起的振動

2、軸承嚴重磨損引起的偏心時的振動 在使用過程中由于發(fā)生嚴重磨損而使軸承偏時，軸的中心將產生振擺，此時的振動頻率為 ，其中， 為自然數(shù)， 為軸的旋轉頻率。滾動軸承內的摩擦是軸承內熱量產生的決定因素，其結果也對操作溫度產生決定性影響。摩擦大小取決于負荷和其它一些因素， 其中最重要的是軸承的種類和大小、操作速度、潤滑劑性能和用量。組成軸承運轉總阻力的是：有關接觸面上的滾動和滑動摩擦、潤滑劑內的摩擦、以及接觸密封件的滑動摩擦。而產生滾動和滑動摩擦的地方則有：滾動接觸面、滾動部件和保持架之間的接觸面、以及引導滾動部件或保持架的支承面。

（2） 內環(huán)有缺陷是的振動當內環(huán)的某個部分存在剝落、裂紋、壓痕、損傷等缺陷時，所發(fā)生振動的振動頻率為 及其高次諧波 ， ，…。由于軸承通常有徑向間隙而使振動受到軸的旋轉頻率 或滾動體的公轉頻率 的調制。有無間隙的發(fā)生頻率如表2.3所示：

（3）外環(huán)有缺陷時的振動當外環(huán)有缺陷時，軸承所產生振動的振動頻率為 及其高次諧波 ， …。與內環(huán)缺陷振動特性不同的是，由于此時缺陷的位置與承載方向相對位置固定，故不會發(fā)生調制現(xiàn)象。

（4）滾動體有缺陷時的振動當滾動體上有缺陷時，軸承所產生振動的振動頻率為 及其高次諧波 ， …。和內環(huán)有缺陷時的情況相同，由于通常存在的軸承徑向間隙，使振動受到滾動體公轉頻率的調制。應該說明的是：由于軸承的初期損傷所引起的沖擊振動往往比機器的其他振動要小的多，為了有效地進行軸承故障診斷，經常采用共振解調技術。

參考文獻：

[1].鐘秉林，黃仁等.機械故障診斷學.北京，機械工業(yè)出版社，1998.

[2].王志剛，李友榮，朱瑞蓀，呂勇.一種用于低速重載軸承故障診斷的共振解調法.煤礦機械，2002，8，74-76.