李誌文

（高級工程師；工作（zuò）方向為（wéi）設備（bèi）故障診（zhěn）斷；現負責公司設備狀態監測（cè）及故障診斷工作）

1　前言

在工業（yè）發展（zhǎn）的曆程中，軸承（chéng）（以下如無特別說明，均特指“滾動軸承”）一直扮演著非常重要的角色。可以說（shuō）幾乎所有傳動機械都離不開軸承這個關鍵部件，因此，在工業領（lǐng）域軸承被形象（xiàng）地比喻為設備的“心（xīn）髒”，足見（jiàn）其重（chóng）要性。

隨著工業化水平的不斷提升，企業對生產連續性的要求越來越高。由於（yú）生產線集中化程度越來越高，某一關鍵設備的軸承失（shī）效將導致（zhì）整個生產（chǎn）線停機（jī），造成巨大的（de）經濟損失。因此，這促使設備維（wéi）護人員對（duì）軸承（chéng）運行狀（zhuàng）態的（de）判斷提出了更高的要求——需要有更高的（de）“準（zhǔn）確率”。同時，也由簡單地對運行（háng）狀態“好”與（yǔ）“壞”的判斷轉變到對故障嚴重程度的判斷，以便合理安排檢修時間，提高設備運行效率。

本文主要說明如何通過滾動軸承故障頻率來對軸承故障進行科學地診斷，通（tōng）過對客觀數據的科學分析（xī）來提高軸承故障診斷的（de）準確率。

2　滾動軸承故（gù）障綜述

滾動軸（zhóu）承在使用過程中，因自身特性、運行工況等因素會出現不同類型的故障，本節將從軸承故障類型，以及軸承故障發展曲線兩方麵進行說明。

2.1軸承（chéng）故障類（lèi）型（xíng）

軸承運行過程（chéng）中，常見的故障類型有以下（xià）幾種：

點蝕：軸承滾道（dào）上麵（miàn）出現小的（de）坑洞，麵積一（yī）般不大於2mm×2mm。如圖1。

剝落：剝落實際上是軸承點蝕故障的進一步發展，當點蝕麵（miàn）積擴大，滾道表麵材（cái）料會出現成片地剝落，形成麵（miàn）積非常大的坑洞。此時，軸承故障處於後（hòu）期，容易出現卡死等故障（zhàng）。如圖2。

裂紋（wén）：軸承滾道上麵出現貫穿性裂縫，通常（cháng）由於軸承負荷過高或裝配不當引起。如圖3。

膠合：軸承運（yùn）行過程中因溫度過高導致材質溶化，部件黏合在一起，是一種非常嚴重的故障，通常由摩擦、缺（quē）油引起。如圖4。

軸承故障（zhàng）還包括擦傷、壓痕、腐蝕等（děng）。在上述（shù）軸（zhóu）承故障中，Z常見的（de）還是點蝕、剝落，因（yīn）為這是由軸承的工（gōng）作特性所決定的，其原因可用圖5進行一個（gè）簡要說明。

當“滾動體1”滾到（dào）A點時（shí），A點受（shòu）壓（yā），應力加大，之後“滾動體1”滾過（guò）A點，A點應力釋放。當滾動體2滾過時，A點將再次重複這個過程。因此，在軸承運（yùn）行過程中，A點將反複經曆“受壓->釋放->受壓->釋放”這個過程，當達到一定限值時，A點將會產生疲（pí）勞失（shī）效，形（xíng）成點蝕，點蝕（shí）進一步發展將形成剝落，並Z終導致軸承失效。

所以說，點蝕、剝（bāo）落是軸承不可避免的故障，也是軸承Z常見的（de）失效形（xíng）式。

2.2軸承故障發展曲線

根據研究表明，典（diǎn）型的軸承故障發（fā）展具（jù）有非線性的特征（zhēng）。在軸承故障的初期，其發展相對（duì）比較（jiào）平緩，而（ér）在後期則呈快速發展的趨勢，具體可見圖6。

從故障曲線來看，軸承故障分（fèn）為四個階段：

階段一：軸承滾道表麵出現微觀裂紋，開始出現故障。

階段二：軸承滾道表麵出現肉（ròu）眼可見的小裂紋、點蝕（shí）等。

階段三：軸承滾道表麵有明顯的裂紋、較大麵積的（de）剝落，且運行過（guò）程中有（yǒu）明顯的規律性異響。

階段四：軸（zhóu）承滾道表麵（miàn）有（yǒu）成片的剝（bāo）落（luò），聲音明顯異（yì）常，軸承振動以隨機振動為主，隨時可能失效（xiào）。

在（zài）階段一和階段二故（gù）障發展相對比較（jiào）平緩，通常此（cǐ）時軸承（chéng）處於（yú）故障的前期或中前期。在階段三和（hé）階段四，軸（zhóu）承故障進入到快速發展階段，如不及時處理，則可能導致軸承失效，造成停機等事故（gù）。

傳統的監測（cè）手段，如聽輥（gǔn），一般要（yào）到階段三（sān）的中後期才能發現軸承故障，此時則需要（yào）即時做好停機檢修計劃進行處理，故（gù）障處理預留的（de）時間較短。

借助先進儀器可在（zài）軸承故障的初始（shǐ）階段即可監控到故障的發生，如采用“聲發射（shè）”，但由於儀器造（zào）價昂貴，其應用並不廣。生產中更多的是使用精密點檢儀，通過（guò）對軸（zhóu）承（chéng）振動的監（jiān）測分析來判斷軸承故障，通常可在階（jiē）段（duàn）二的初期監測到軸承（chéng）故障的發生。從實際情況來（lái）看，這足以滿足絕大多數工廠（chǎng）對設備的維護（hù）需（xū）求。本文也是著重說明如何通過分析軸承振動數據來精確診斷軸承故障。

3　滾（gǔn）動軸承故障頻率

3.1軸承（chéng）故障頻（pín）率產生機理

當軸承出現故障後，會產生規律性的振動（發出（chū）聲音），通過分析軸承的振動數據，能夠更早、更準確地診斷（duàn）軸承故障。

圖7為軸承故（gù）障的示意圖。

如圖（tú）7所示，以軸承外圈故障為例，當滾動體滾過缺陷處“A”時，必然會對軸承造成一次衝擊，使軸（zhóu）承（chéng）產生振（zhèn）動。由於軸承旋轉速度是固定的（在此指某一個時間（jiān）段內），所以“衝擊”的間隔也是固定的，也就是（shì）說衝擊產生的頻率是一定的，這個頻率（lǜ）就是軸承的（de）“故障頻率”。

在軸承運行過程中，如（rú）果檢測到“軸承（chéng）故障頻率（lǜ）”，則意味著軸（zhóu）承（chéng）出現了故（gù）障。此（cǐ）時可根據故障的嚴重程度采取有針（zhēn）對性的（de）維護維修方案。

3.2軸承故障頻率公式

滾動軸承通常由內圈、外圈、滾動體、保持架四個部件組成，相（xiàng）應地也就存在有四種軸承故障頻率（lǜ）。如圖8。

內圈故障頻率（BPFI）：1/2Z(1+d/Dcosα)f

外圈故障頻率（BPFO）：1/2Z(1-d/Dcosα)f

滾動體故障頻率（BSF）：(D/2d)[1-(d/D)2cos2α]f

保持架故（gù）障頻率（FTF）：1/2(1-d/Dcosα)f

公式中各字母含義（yì）如下：

D—節圓直徑（jìng）d—滾動體（tǐ）直（zhí）徑

Z—滾動體（tǐ）數量（liàng）α—滾動體接觸角

f—軸旋轉頻率（軸轉速/60，單位為Hz）

通過對公（gōng）式的解讀，可以獲（huò）得以下信息：

(1）對於某一特定設備，軸承故障頻率與設備轉速呈正比（bǐ）例關係。在（zài）公式中，除（chú）轉速f外其餘參數均是軸承的設計參數，對於（yú）特定（dìng）設備，軸承型（xíng）號是不變的（de），所以軸承參數也（yě）是不變的，其計算數（shù）值為常數（shù），計為“C”，隻要計（jì）算（suàn）出（chū）C，即（jí）可知（zhī）道（dào）軸承在任一轉速下的故障頻率。

(2）軸承故障頻率（lǜ）與軸承（chéng）列數無關。對於同一型號的軸承，單列（liè）、雙列或者多列，當軸承出現（xiàn）故障時，其故障（zhàng）頻率是一（yī）樣的。

(3）軸承故障頻率與軸承部件產生的缺陷數量無關（通常為點（diǎn）蝕或者剝落），因為缺陷的數量隻影響振動能量的大小，不改變故（gù）障頻率。

(4）軸承故障頻（pín）率與轉速不成倍數關係，也就是說（shuō）軸承頻率通常與轉頻不會是2倍、3倍等整數倍關係。這一點將有助於分（fèn）析人員在實際診斷過程中更加準確地 判斷軸承故障。

從原理上來分析，軸承故障頻率（lǜ）實際計（jì）算的（de）是滾動體通過滾道上某一點的時間間隔，實質就是通過頻率，由於（yú）軸承故障頻率具有很（hěn）強的特異性，很容易與其他故障區分，所以在（zài）實際診斷中，當檢測到軸承故（gù）障頻率則意味著軸承（chéng）很可能出現故障。

在實際（jì）診斷軸承故障時，數據分（fèn）析軟件都會內（nèi）置各種型號軸承的故障頻率數據庫，所（suǒ）以在對（duì）軸承（chéng）故障進行分析診斷時，隻需知（zhī）道軸承型號與轉速即可查詢得知故障頻率，讀者無需刻意記憶故障頻率公式。

3.3案例分（fèn）析

案例：紙機烘缸軸（zhóu）承（chéng）故障

我廠PM9為（wéi）一台年產20萬t的高速文化紙（zhǐ）機，車速（sù）為1300m/min。點檢人員巡檢時發（fā）現8#烘缸操作側軸承振動有上升，且有異響。為（wéi）確定異常原因，對烘缸軸承進行了數據采集與分析。

從數（shù）據分析來看，軸承振動頻譜（pǔ）有異常，主要（yào）表現為頻率為37.25Hz及其諧波的振動（4.1Hz為烘缸（gāng）轉頻的振動，屬正常），其（qí）頻譜圖如圖9。

由於烘缸軸承座結（jié）構簡（jiǎn）單，37.25Hz很有可能是軸承故（gù）障（zhàng）頻率。為進一步核實，對烘缸軸承故（gù）障頻率進（jìn）行了計（jì）算，具體如表1。

從表（biǎo）1數據（jù）可以得出，頻率37.25Hz與（yǔ）軸承外圈故障頻率（BPFO）很接近，說明應是軸承外圈出現了故障。

根據診斷意見，車間（jiān）在計劃停機時對軸承（chéng）進行了更換，檢修（xiū）發現軸承外圈有一條（tiáo）長度約10mm×100mm的帶（dài）狀剝落帶，如圖10。

檢修結果（guǒ）與（yǔ）診（zhěn）斷（duàn）結論相符。

在對（duì）軸（zhóu）承運行狀態進行診斷時，除了定性判斷軸承（chéng）是否存在故障外，設備維護人（rén）員還希望能夠定量（liàng）地判斷軸承故障（zhàng）的嚴重程（chéng）度，以便合理安排檢修時間。對（duì）此，根據筆（bǐ）者經驗可（kě）以通過“振動值”和“諧波（bō）”兩個方麵數據來推斷故障的嚴（yán）重程度。

振動值：振動值反應的是設備（bèi）總體振動能量的大小，當軸（zhóu）承出現故障後必然會加大設備的振動，使振（zhèn）動值上升（shēng）。烘缸正（zhèng）常運行時，其振動值通常在0.8～1.0mm/s之間。在本案例中，烘缸振動值達到了2.3mm/s，上升（shēng）了一倍多（duō）了（le），再結合軸承故障頻率的（de）分析，說（shuō）明軸承故障已（yǐ）到中期或中後期。

諧（xié）波：在圖9中，除37.25Hz的軸承故障頻率外（wài），還出（chū）現了該頻率的“2倍、3倍、4倍”諧（xié）波，當軸承故障比較嚴重時，