消防穩(wěn)壓泵滾動(dòng)軸承故障特征頻率改變的原因探討
我們經(jīng)常會(huì)碰到測(cè)出的振動(dòng)數(shù)據(jù)非常像滾動(dòng)軸承故障,頻譜缺與滾動(dòng)軸承故障頻率對(duì)應(yīng)不上。這是為什么呢?下面是CSI一個(gè)用戶振動(dòng)這種情況發(fā)表的一篇論文,個(gè)人覺得總結(jié)的相當(dāng)不錯(cuò),拿出來(lái)供大***分享。
一、概述
一般情況下,固定型號(hào)的滾動(dòng)軸承在恒定的轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),如滿足純滾動(dòng)條件,其內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等各元件的故障特征頻率是不變的,因此,通過振動(dòng)波形和頻譜分析,發(fā)現(xiàn)軸承故障并不難,但是當(dāng)有異物阻礙滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),內(nèi)圈與滾動(dòng)體將會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),不滿足純滾動(dòng)條件,滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將會(huì)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致軸承各元件的故障特征頻率也發(fā)生相應(yīng)的改變,這會(huì)給軸承的故障診斷帶來(lái)一定的困難。下面以我司的一臺(tái)消防穩(wěn)壓泵的軸承故障為例,探討軸承各元件的故障特征頻率改變的原因。
二、滾動(dòng)軸承各元件之間的轉(zhuǎn)速及頻率關(guān)系分析
在正常情況下,軸承各元件之間滿足純滾動(dòng)條件,它們的轉(zhuǎn)速關(guān)系如下[1]:
nc= [ni(1-γ)+ no (1+γ)]/2 (1-1)
nic= ni-nc= ni- [ni(1-γ)+ no (1+γ)] /2 (1-2)
noc= nc - no= (ni -no)(1-γ)/2 (1-3)
nb=Dm(ni -no) (1-γ2) /2d (1-4)
式中:γ= dcosα/Dm; (1-5)
Dm——滾動(dòng)體中心圓直徑,mm;
d——滾動(dòng)體直徑,mm;
α——接觸角,(°)。
ni——內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速,r/min;
no——外圈的轉(zhuǎn)速,r/min;
nc——保持架的轉(zhuǎn)速,r/min;
nic——內(nèi)圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速,r/min;
noc——外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速,r/min;
nb——滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,r/min;
當(dāng)有雜質(zhì)或者異物存在,使?jié)L動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)受阻時(shí),由于摩擦阻力增大,滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)速度nb將會(huì)下降為nb1,滾動(dòng)體上與內(nèi)圈的接觸點(diǎn)瞬時(shí)速度也跟著下降,但是,由于內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速ni是不變的,始終等于軸的轉(zhuǎn)速,故內(nèi)圈與滾動(dòng)體將會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),這時(shí),滾動(dòng)體上與內(nèi)圈的接觸點(diǎn)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將變?yōu)閚i1,保持架的轉(zhuǎn)速也跟著變?yōu)閚c1,內(nèi)圈、外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速分別變?yōu)閚ic1 和noc1,軸承各元件的轉(zhuǎn)速關(guān)系將會(huì)發(fā)生如下變化:
nc1=[ni1(1-γ)+ no (1+γ)]/2 (1-6)
nic1= ni-nc1= ni-[ni1(1-γ)+ no (1+γ)]/2 (1-7)
noc1= nc1 - no =(ni1 -no)(1-γ)/2 (1-8)
nb1=Dm(ni1 -no) (1-γ2) /2d (1-9)
在通常情況下,軸承外圈是固定的,故no=0,而內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸連在一起,故其轉(zhuǎn)速等于軸的額定轉(zhuǎn)速n,即ni=n;因此,式(1-6)至(1-9) 可寫成:
nc1=ni1(1-γ)/2
nic1= ni-nc1= n-ni1(1-γ)/2
noc1= nc1 - no =ni1(1-γ)/2
nb1=Dmni1 (1-γ2) /2d
由此得出外圈固定的單列滾子軸承各元件的故障特征頻率分別是:
fc= nc1/60=ni1(1-γ)/(2*60) (1-10)
fi= znic1/60=z[n-ni1(1-γ)/2]/60 (1-11)
fo =znoc1/60= zni1(1-γ)/(2*60) (1-12)
fb = nb1/60=Dmni1 (1-γ2) /(2d*60) (1-13)
式中:fc ——軸承保持架的故障特征頻率,Hz;
fi ——軸承內(nèi)圈的故障特征頻率,Hz;
fo ——軸承外圈的故障特征頻率,Hz;
fb ——軸承滾動(dòng)體的故障特征頻率,Hz;
式(1-10)至(1-13)既可用于滾動(dòng)體與內(nèi)圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的條件,也可用于發(fā)生純滾動(dòng)的條件。滾動(dòng)體上與內(nèi)圈的接觸點(diǎn)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ni1是影響軸承各元件故障特征頻率的關(guān)鍵因素,當(dāng)滾動(dòng)體與內(nèi)圈發(fā)生純滾動(dòng)時(shí),ni1= n;當(dāng)滾動(dòng)體與內(nèi)圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),ni1< n,其大小取決于滾動(dòng)體摩擦阻力的大小。
三、滾動(dòng)軸承故障特征頻率改變的案例分析
我司的消防穩(wěn)壓泵是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的懸臂式離心泵,泵轉(zhuǎn)子由兩個(gè)滾動(dòng)軸承支承,泵轉(zhuǎn)速為n=2975r/min,葉輪有5個(gè)葉片。正常運(yùn)行時(shí)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)加速度沖擊能量約為2Gs(1G=9.8mm/s2),但在某次檢測(cè)時(shí)測(cè)得泵非驅(qū)動(dòng)端滾動(dòng)軸承的振動(dòng)加速度沖擊能量達(dá)到20Gs,比正常運(yùn)行時(shí)***出10倍,為此,對(duì)該軸承進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析。
***先,計(jì)算軸承各元件的故障特征頻率。軸承型號(hào)為SKF6309,軸承的幾何尺寸如下:中徑 Dm=72.5mm, 滾珠直徑 d=17.5mm,接觸角α=0°,滾珠數(shù)z=8;當(dāng)滾珠與內(nèi)、外圈之間發(fā)生純滾動(dòng)時(shí),ni1= n,由式(1-10)至(1-13)可知,軸承各元件的故障頻率計(jì)算如下:
泵的轉(zhuǎn)速頻率:fn=n/60=49.58Hz
軸承內(nèi)圈的故障特征頻率:fi=1/2*n/60*(1+dcosα/ Dm)*z=246.20Hz
軸承外圈的故障特征頻率:fo=1/2*n/60*(1-dcosα/ Dm)*z=150.46Hz
軸承滾動(dòng)體的故障特征頻率:fb=1/2*n/60* Dm /d*(1-d2cos2α/ D2m) =96.72Hz
軸承保持架的故障特征頻率:fc=1/2*n/60*(1-dcosα/ Dm) =18.81Hz
其次,分析測(cè)得的振動(dòng)波形和頻譜圖。圖1(a)和(b)為水平方向測(cè)得的加速度信號(hào)時(shí)域波形圖及其直接進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)后得到的頻譜圖,其中頻譜圖(a)中在1000~3500Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)了很豐富的頻率成份,其中******幅值0.74Gs 出現(xiàn)在3083.4Hz處,這些頻率屬于軸承元件的固有頻率,說(shuō)明軸承已經(jīng)出現(xiàn)故障;再看時(shí)域波形圖(b),可以看出有0.02s(49.58Hz)的間隔頻率,即轉(zhuǎn)速頻率fn,且沖擊能量水平(峰峰值)達(dá)到20Gs;但是從波形圖和頻譜圖都無(wú)法看清楚,具體是軸承的哪個(gè)元件出現(xiàn)故障。
圖1(a)加速度頻譜圖
圖1(b)加速度時(shí)域波形圖
為了看清楚軸承的具體故障根源,采用了PeakVue診斷技術(shù)重新采集了振動(dòng)數(shù)據(jù)。PeakVue是一種監(jiān)測(cè)軸承故障的新方法,該方法著眼于分析由于金屬與金屬之間的沖擊或摩擦形成的應(yīng)力波信號(hào)。當(dāng)滾珠通過缺陷區(qū)時(shí),由于油膜突然中斷,導(dǎo)致金屬直接碰撞,從而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波是一種非常短暫的脈沖信號(hào),它屬于低能量信號(hào),隱藏在診斷頻譜底層的背景能量中,如前面所述,用常規(guī)的振動(dòng)信號(hào)采集和頻譜分析難以發(fā)現(xiàn)。而PeakVue的原理是***先以極***的采樣頻率(100KHz)采樣,保證能夠捕捉到***頻的應(yīng)力波信號(hào),采集到的時(shí)域數(shù)據(jù)通過***通濾波,去除低頻信號(hào),再通過二次采樣等信號(hào)處理,僅保留幅值較***的峰值,達(dá)到突出***頻但具有較***幅值的應(yīng)力波沖擊信號(hào),從而能更早期、更明顯地診斷故障的根源。
圖2(a)~(c)是測(cè)得的PeakVue時(shí)域波形和頻譜圖,其中圖(a)是頻譜圖,該圖中顯示出主要沖擊能量來(lái)自于轉(zhuǎn)速頻率fn (49.58Hz) 及其諧波(2fn,3fn,4fn,5fn),同時(shí)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速倍頻的邊帶頻率6.89 Hz;此外還出現(xiàn)了6.89 Hz的頻率及其諧波;圖 (b)是時(shí)域波形圖,該圖出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速頻率fn的周期信號(hào),為了更清楚的顯示重復(fù)出現(xiàn)的周期信號(hào),對(duì)時(shí)域波形圖進(jìn)行自相關(guān)處理,即將波形中的其中一半與另一半進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較,當(dāng)時(shí)域波形中出現(xiàn)周期信號(hào)時(shí),兩組信號(hào)的相關(guān)性將使得到的波形中周期信號(hào)更加明顯,同時(shí)削弱非周期性沖擊信號(hào)。 通過自相關(guān)處理后,得到了圖 (c)所示的自相關(guān)時(shí)域波形圖,該圖清楚的顯示出0.02s(49.58Hz)的間隔頻率,即轉(zhuǎn)速頻率fn,同時(shí)該頻率被另一個(gè)周期為0.14s(6.89Hz)的信號(hào)所調(diào)制。
圖2(a)PeakVue頻譜圖
圖2(b)PeakVue時(shí)域波形圖
圖 2(c)自相關(guān)處理后的PeakVue時(shí)域波形圖
顯然,不管是時(shí)域波形還是頻譜圖,均沒有出現(xiàn)前面計(jì)算得出的任何一個(gè)軸承元件的故障特征頻率。但是由于振動(dòng)沖擊能量很大,所以決定對(duì)該泵進(jìn)行解體維修,解體后發(fā)現(xiàn)軸承保持架已斷裂,并且有一塊碎片殘留在其中一個(gè)滾動(dòng)體與外圈之間(如圖3所示)。由此可作如下分析:由于有保持架碎片的存在而導(dǎo)致滾動(dòng)體的摩擦阻力急劇增大,引起滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)速度下降,其上與內(nèi)圈接觸點(diǎn)的瞬時(shí)速度也跟著下降,但內(nèi)圈轉(zhuǎn)速始終等于軸的轉(zhuǎn)速,其上與滾動(dòng)體接觸點(diǎn)的瞬時(shí)速度也不變,這樣內(nèi)圈與滾動(dòng)體就發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng),保持架的頻率fc由18.81Hz變成了6.89Hz,由式(1-10)可知滾動(dòng)體上與內(nèi)圈接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)速ni1就變?yōu)?089.7r/min,由式(1-11)至(1-13)可知軸承各元件的頻率也發(fā)生了相應(yīng)的改變,即fc= 6.89Hz,fi= 341.56Hz,fo = 55.12Hz,fb = 35.43Hz。對(duì)照 圖2 (a) 中的頻譜圖,除保持架故障頻率外,其它軸承元件的故障頻率均不明顯,與實(shí)際情況相符;此外,由于保持架碎片的存在,導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)偏心,引起1倍基頻49.58Hz的增大;又由于從軸承承載區(qū)到非承載區(qū),其徑向游隙是逐漸變化的,因此,保持架每旋轉(zhuǎn)一周,保持架碎片也跟著旋轉(zhuǎn)一周,轉(zhuǎn)子偏心量也會(huì)隨之變化,也就是說(shuō),1倍基頻49.58Hz被保持架頻率6.89Hz所調(diào)制,這與在PeakVue頻率圖上49.58Hz及其倍頻出現(xiàn)6.89Hz的邊帶是相符的。
四、結(jié)論
從以上案例分析可知,當(dāng)有雜質(zhì)或者異物存在,使?jié)L動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)受阻時(shí),由于摩擦阻力增大,滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)速度將會(huì)下降,滾動(dòng)體上與內(nèi)圈的接觸點(diǎn)瞬時(shí)速度也跟著下降,而內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速是不變的,始終等于軸的轉(zhuǎn)速,故內(nèi)圈與滾動(dòng)體將會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),不滿足純滾動(dòng)條件,滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將會(huì)發(fā)生改變,這就是軸承各元件的故障特征頻率發(fā)生改變的原因。