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(jué)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(guò)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(xiě)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(guò)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(guò)***通濾波，去除低頻信號(hào)，再通過(guò)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(guò)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(méi)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。