BH550系统在滚动轴承故障诊断中的应用

鞠琦

摘要：滚动轴承是机械转动设备的关键部件之一，轴承故障直接影响设备正常运作，降低了生产效率。本文对轴承的常见故障原因及形式进行分析，并阐述了BH550系统在滚动轴承发生故障时振动信号特征的分析思路及方法。

关键词：设备检修;预知性维修;故障检测;BH550

1、概述

滚动轴承是旋转机械易损件之一，旋转机械的故障大约有 30% 都是由滚动轴承引起的，因此滚动轴承的故障诊断非常重要[1] 。最初，人们通过铜听针接触轴承部位，凭靠听觉诊断轴承故障，之后虽然改进为电子听诊器诊断故障，提高了诊断的正确率，但对操作者的经验要求较高，而且影响因素也比较多[2] 。为了降低设备的维护费用，新的科研手段也不断引入维修工程。故障诊断技术就是其中最重要，最广泛应用的一项，以预测工作状态发展的趋势，分析出最佳维修时间及最佳方案。故障诊断技术的发展，对确保各种设备的安全运行，及时发现异常，对故障的早期诊断和预防起着重要作用，对提高设备使用的可靠性有着重要意义[3] 。

BH550 是北京博华公司信智科技发展公司的一款状态检测系统，BH550综合分析诊断仪及设备诊断维修管理系统具有强大的设备故障诊断和分析功能，可提供机泵在线离线状态检测，集设备诊断、检测、管理与一身，对设备管理与维修保障提供重要依据。

2、滚动轴承故障的主要失效形式与原因

要准确地判断滚动轴承故障，首先要知道轴承的主要的损坏形式及其原因，滚动轴承在工作过程中，由于装配不良、润滑欠缺、异物侵入、超负荷运转、长时间工作后产生疲劳剥落或者自然磨损等都会产生故障。常见的滚动轴承故障可分为损伤类和磨损类。常见的损伤类故障有疲劳剥落、塑性变形、轴承烧伤、锈蚀、断裂、胶合六种;磨损类故障为轴承长期正常工作引起的渐变性故障。

2.1 疲劳剥落

滾动轴承的疲劳剥落：设备运转过程中，轴承滚珠和滚道接触面相对滚动的同时又互相挤压，再加上周期交变载荷的作用，轴承部件接触面将产生小的剥落坑，最终发展为大面积剥落，该现象称作疲劳剥落。

2.2 塑性变形

设备运转过载时，滚动轴承承受的过大的冲击力和静载荷，轴承滚道的表面上会形成不均匀的凹坑，这种现象主要发生在低速旋转的轴承上，同时热变形应力产生的额外的载荷也能使轴承产生塑性变形。

2.3 断裂

过大的负荷是轴承内部部件断裂的主要原因，另外工作过程中摩擦产生的热应力过大时也能引起轴承零件的断裂。

2.4 轴承烧伤

轴承装配存在较大偏斜量时，容易引起轴承温度升高，并出现轴承烧伤现象。另外，轴承润滑不良、应用不合格或者变质的润滑油、装配过紧都能引起轴承的烧伤。设计员在装配设计时热膨胀考虑欠缺，造成运转中间隙越来越小也能引起轴承的烧伤现象。烧伤的轴承其滚道、滚动体上有回火现象。

2.5 锈蚀

水分的侵入是造成轴承锈蚀的主要原因。轴承工作时其温度高于环境温度，轴承停止工作时，轴承温度下降，空气中的水分易在轴承表面凝结水珠，未及时清理就会引起轴承的锈蚀。由于维护不当，水分直接进入轴承箱腐蚀轴承的情况也是有的。

2.6胶合

轴承在高速高负荷和且润滑欠缺的情况下运行，轴承滚珠与滚道相对运动产生的挤压力、侵入轴承滚道的杂物会引起轴承的表面磨损，润滑不良更会加速表面磨损。这些摩擦热量使滚动轴承部件迅速升温，超过某一温度时就会引起轴承部件相互接触的金属表面粘连，这种现象称作胶合。

3、滚动轴承振动机理与信号特征

滚动轴承表面损伤类故障最大的特点就是有冲击脉冲信号，脉冲的宽度一般很小，一般为微秒级，频谱范围则可从直流延展到100～500kHz，脉冲的大小与冲击速度（轴承转速）及疲劳损伤的大小均成正比。轴承出现故障时，轴承内圈、外圈、滚动体及保持架产生的冲击脉冲都不相同，这样就可以根据出现的冲击脉冲及其频率判断滚动轴承发生故障的部位。磨损类故障的最大特点是无明显的冲击脉冲信号，但轴承整体振动能量大幅增加。当内圈、外圈、滚子出现点蚀等故障时，会产生一定（特征）频率的冲击，引起轴承振动，机器运转会出现周期性脉冲。这种周期性脉冲作用时间短，形状陡峭。根据轴承产生缺陷零件的不同，滚动轴承的缺陷特征频率：

内滚道缺陷 fi=0.5（1+d/Dmcosα）frZ

外滚道缺陷fo=0.5（1-d/Dmcosα）frZ

滚珠缺陷 fRS=0.5（1-d2/Dm2cosα2）fr·Dm/d

保持架碰外圈 fBO=0.5（1-d/Dmcosα）fr

保持架碰内圈 fBt=0.5（1+d/Dmcosα）fr

其中：Z：滚动体数目;Dm：节圆直径;fr-轴的旋转频率;fi：内圈转动频率;d：滚动体直径;fo：外圈转动频率;α：轴承的压力角。当轴承出现故障后，在其振动频谱中会出现故障部件其特征频率的频谱。但在实际应用中，谱峰的频率并不总是精确地等于理论计算值，这主要是因为滚动体并非纯滚动等因素（如实际轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后的变形）造成的。所以在频谱图上寻找各种特征频率时围内找与其近似的值来进行诊断判断[4] 。

4、BH550系统应用

4.1简易实例

我公司聚丙烯厂某夹套水循环泵介质为夹套水，设备型号为GDS400-6500，介质温度为入口为34℃，出口温度为80℃，介质压力为0.6/0.7MPa，转速为2996RPM，通过上述公式计算，轴承特征频率为：内圈频率fi=390HZ，外圈频率fo =260HZ，滚珠频率fRS=117HZ，保持架频率fB=20HZ。发现设备振动值超标后，采用BH500采集频谱图如图所示，轴承箱的水平振动与垂直振动频谱图：

通过对水平与垂直振动的频谱分析，主要频率成分为1X转频及其多重谐波，多达8X谐波频率。根据现场情况及特征频谱，认为该机泵存在轴承跑圈现象。而且通过时域波形图1、2显示，振动波形上下不对称，下边呈“截头”状，上边尖锐，呈摩擦特征，如上图1、2所示。解体机泵检查发现：轴承座孔有滑动磨损的痕迹，孔径呈不均匀磨损，如图3、4所示。

4.2故障处理

原因分析为安装不良，轴承与轴承座配合间隙控制不达标。经过轴承座镀层处理，更换新滚动轴承后，运行状态非常好，采集频谱图如下图5、6所示：

5、结语

设备出现故障时，运用BH550系统进行采集轴承的振动信号并进行分析处理后，可以简单直观地查看频谱图和波形图，结合本文对滚动轴承故障原因和种类进行分类总结，分析采集的振动信号特征，便可以分析出故障部位及其原因，并且容易操作，是化工企业监测转动设备的利器。

参考文献：

[1] 李芳丽.轴承的故障诊断与保全对策[J].现代制造技术与装备.2015，（6）：91-95.

[2] 杨国华.滚动轴承故障诊断及经验总结[J].通用机械.2011，（5）：19-22.

[3] 文金成.故障诊断与维修[J].中国有线电视.2017，（7）：859-861.

[4] 赵晓玲.滚动轴承故障振动检测方法[J].重庆科技学院学报（自然科学版）.2007，9（1）：41-44.

（作者单位：大庆炼化公司）