基于振動頻譜的滾動軸承故障診斷方法研究

唐孟橋

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

滾動軸承是設備維護過程中經常用到的通用標準部件。在設備維護過程中，對軸承工作狀態的了解程度決定了其維修進度和成本。在現代化工業生產中，轉動設備不斷增多，因此迫切需要一種能夠快速、準確地判斷軸承運行狀態的故障判斷方法。隨著對滾動軸承的動力學和運動學研究的不斷深入，人們對軸承振動中的頻率、軸承部件的幾何尺寸以及損傷類型之間的關系有了更加清楚的了解。

1 頻譜診斷的原理

機械設備的振動是由機械設備所受激振力而產生的，而機械設備所受的激振力則是來自摩擦等因素。如果軸承在不同位置的運動速度存在差異，就會造成激振力頻率的差別，不同的振動頻率對應著軸承不同位置的激振力頻率：

其中，r 為軸承轉速；n 為滾柱數量；d 為滾柱直徑、D 為軸承節徑。

從式（1）可以發現，軸承不同部位發生故障的振動頻率都不相同，因此可以通過對振動頻率的檢測來判斷故障原因。

2 應用實例

2.1 診斷故障程度

本文以2 臺故障電機為例，其傳動端部發出了類似的“砰砰”聲。其中，電機1 為立式水冷形式，額定轉速1488 r/min，傳動端部采用6232/C3 型軸承，電機的振動很小，沒有發熱現象；電機2 為水平風冷形式，額定轉速992 r/min，采用NU234/C3 及6234/C3 型軸承，電機振動不大、沒有發熱現象。對2 臺電機的傳動端部軸承進行振動頻譜分析（圖1、圖2），可以看出每個波峰都是轉速的相應倍率，波峰集中出現在低頻區，隨著轉速的提高波峰逐漸減小，一直到高頻范圍徹底消失。而在FT、BS、BPI 所指之處，均未見波峰，說明該設備可以正常運行，異響并非因6232/C3 型軸承引起。連續監測電機振動頻譜，并未發現頻譜圖像發生明顯變化，說明該設備本身并無問題。

圖1 電機低頻區頻譜

圖2 電機高頻區頻譜

電機的傳動側同時有2 套軸承，通過對比這2 套軸承的振動頻譜可以看出，每套軸承上都有一個尖峰，其峰值與6234/C3 型軸承的失效特征頻率相同，且每個波峰之間的時間區間相同、均為轉速的0.43 倍，是6234/C3 型軸承失效的時間區間。其他波形與此相似，均為6234/C3 型軸承內環失效的特征頻率。這表明噪聲來自于6234/C3 型軸承主動端面的內環。從圖種可以看出，該軸承的失效高峰十分顯著，表明該軸承存在較嚴重的問題，應盡早進行維修。

完成電機1 的大修工作后，對其進行了一次全面檢測。結果表明，電機傳動端的軸承沒有問題，只有輕微的外殼的磨損和軸承跑套。在對軸承外殼進行嵌套后，重新安裝并試運轉，噪聲消失，振動和溫度等指標均正常。

緊急組織對電機2 進行拆解大修，拆解后發現電機傳動端部的6234/C3 型軸承的軌道上，有一條清晰可見的溝痕，軌道表層有一塊因疲勞而脫落的金屬異物，軸承已經不能繼續運轉，需要立即進行維修。

2.2 診斷故障原因

由頻譜圖象可知，電機1 呈現出一種周期的振動狀態，其振動和噪聲周期從小到大，然后又逐漸降低，直到完全恢復到原來的狀態。噪聲最大時，振幅約為38 μm，溫度無異常。電機1 傳動端部振動頻譜測如圖3 所示。

圖3 電機1 驅動端低頻區頻譜

頻譜圖象表明，在FT、BS 及BPI 所指方向上均無波峰出現。由此可以得出，電機的軸承沒有任何問題。根據頻譜分析，判定電機是否存在對中和松脫的問題。在設備停止運轉后，發現由于液壓耦合裝置與減速裝置接頭的梅花片在長時間的使用中出現了磨損，導致液壓耦合裝置與減速裝置接頭的縫隙不均勻，對中出現了較大扭曲。

2.3 軸承故障早期預警

在軸承故障的早期狀態，其異常現象并不顯著，很難被發現。利用頻譜分析的方法，可以實現對軸承故障的早期預警，便于及時維修。

電機2 位于中轉速時，地基產生了很大的振動，工作環境的溫度接近50 ℃且存在粉塵。因為電機安裝在8 m 以上的高度，工作平臺狹窄，所以必須使用人工吊籃來拆卸和組裝電機，修理非常困難。在對該電機的一次常規檢查中發現，電機的振動頻率出現了明顯的異常（圖4）。

圖4 電機驅動端異常圖譜

盡管當時電機的噪聲、振動幅度和溫度均正常，但是電機的振動頻率卻反映出明顯的異常現象。經過反復測試，認為電機軸承已經出現了嚴重的問題，需要及時進行維修。由于該設備不便停止運行，所以立即加大了對該電機的監控力度，并做好了更換備用電機的準備，以便在需要時可以隨時替換。

2 d 后電機發生跳閘故障，經過檢驗分析，決定替換電機。因為已經事先做好了充足的備件和工具準備，使得更換電機所需的時間大大減少，迅速恢復了設備的正常工作。拆解故障電機進行檢測，發現負載端軸承破碎，導致電機轉子被卡住，與根據頻譜分析得出的結論相符。

3 結束語

振動頻譜分析技術在滾動軸承的故障檢測方面具有獨特的優勢，能夠實現設備的在線監測，并可以快速、有效地判斷軸承的故障類型和程度，通過對軸承的狀態監測評估其健康狀況，預測其剩余使用壽命，使維修工作能夠真正做到及時準確，使其由預防性維修向預知性維修的方向發展，縮短維修工期，節省維修費用。