我們經(jīng)常會碰到測出的振動數(shù)據(jù)非常像滾動軸承故障，頻譜缺與滾動軸承故障頻率對應(yīng)不上。這是為什么呢?下面是CSI一個用戶振動這種情況發(fā)表的一篇論文，個人覺得總結(jié)的相當(dāng)不錯，拿出來供大***分享。

　　一、概述

　　一般情況下，固定型號的滾動軸承在恒定的轉(zhuǎn)速情況下運轉(zhuǎn)時，如滿足純滾動條件，其內(nèi)圈、外圈、滾動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)有異物阻礙滾動體轉(zhuǎn)動時，內(nèi)圈與滾動體將會發(fā)生相對滑動，不滿足純滾動條件，滾動體的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將會發(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，這會給軸承的故障診斷帶來一定的困難。下面以我司的一臺消防穩(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——滾動體中心圓直徑，mm;

　　d——滾動體直徑，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)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速，r/min;

　　noc——外圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速，r/min;

　　nb——滾動體的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min;

　　當(dāng)有雜質(zhì)或者異物存在，使?jié)L動體轉(zhuǎn)動受阻時，由于摩擦阻力增大，滾動體自轉(zhuǎn)速度nb將會下降為nb1，滾動體上與內(nèi)圈的接觸點瞬時速度也跟著下降，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)圈與滾動體將會發(fā)生相對滑動，這時，滾動體上與內(nèi)圈的接觸點公轉(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 ——軸承滾動體的故障特征頻率，Hz;

　　式(1-10)至(1-13)既可用于滾動體與內(nèi)圈發(fā)生相對滑動的條件，也可用于發(fā)生純滾動的條件。滾動體上與內(nèi)圈的接觸點公轉(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)滾動體與內(nèi)圈發(fā)生純滾動時，ni1= n;當(dāng)滾動體與內(nèi)圈發(fā)生相對滑動時，ni1< n，其大小取決于滾動體摩擦阻力的大小。

　　三、滾動軸承故障特征頻率改變的案例分析

　　我司的消防穩(wěn)壓泵是一臺電動機驅(qū)動的懸臂式離心泵，泵轉(zhuǎn)子由兩個滾動軸承支承，泵轉(zhuǎn)速為n=2975r/min，葉輪有5個葉片。正常運行時滾動軸承的振動加速度沖擊能量約為2Gs(1G=9.8mm/s2)，但在某次檢測時測得泵非驅(qū)動端滾動軸承的振動加速度沖擊能量達到20Gs，比正常運行時***出10倍，為此，對該軸承進行了振動頻率分析。

　　***先，計算軸承各元件的故障特征頻率。軸承型號為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)生純滾動時，ni1= n，由式(1-10)至(1-13)可知，軸承各元件的故障頻率計算如下：

　　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，分析測得的振動波形和頻譜圖。圖1(a)和(b)為水平方向測得的加速度信號時域波形圖及其直接進行快速傅立葉變換(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，說明軸承已經(jīng)出現(xiàn)故障;再看時域波形圖(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)達到20Gs;但是從波形圖和頻譜圖都無法看清楚，具體是軸承的哪個元件出現(xiàn)故障。

　　圖1(a)加速度頻譜圖

　　圖1(b)加速度時域波形圖

　　為了看清楚軸承的具體故障根源，采用了PeakVue診斷技術(shù)重新采集了振動數(shù)據(jù)。PeakVue是一種監(jiān)測軸承故障的新方法，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。當(dāng)滾珠通過缺陷區(qū)時，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，它屬于低能量信號，隱藏在診斷頻譜底層的背景能量中，如前面所述，用常規(guī)的振動信號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，采集到的時域數(shù)據(jù)通過***通濾波，去除低頻信號，再通過二次采樣等信號處理，僅保留幅值較***的峰值，達到突出***頻但具有較***幅值的應(yīng)力波沖擊信號，從而能更早期、更明顯地診斷故障的根源。

　　圖2(a)~(c)是測得的PeakVue時域波形和頻譜圖，其中圖(a)是頻譜圖，該圖中顯示出主要沖擊能量來自于轉(zhuǎn)速頻率fn (49.58Hz) 及其諧波(2fn，3fn，4fn，5fn)，同時出現(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)是時域波形圖，該圖出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速頻率fn的周期信號，為了更清楚的顯示重復(fù)出現(xiàn)的周期信號，對時域波形圖進行自相關(guān)處理，即將波形中的其中一半與另一半進行關(guān)聯(lián)比較，當(dāng)時域波形中出現(xiàn)周期信號時，兩組信號的相關(guān)性將使得到的波形中周期信號更加明顯，同時削弱非周期性沖擊信號。 通過自相關(guān)處理后，得到了圖 (c)所示的自相關(guān)時域波形圖，該圖清楚的顯示出0.02s(49.58Hz)的間隔頻率，即轉(zhuǎn)速頻率fn，同時該頻率被另一個周期為0.14s(6.89Hz)的信號所調(diào)制。

　　圖2(a)PeakVue頻譜圖

　　圖2(b)PeakVue時域波形圖

　　圖 2(c)自相關(guān)處理后的PeakVue時域波形圖

　　顯然，不管是時域波形還是頻譜圖，均沒有出現(xiàn)前面計算得出的任何一個軸承元件的故障特征頻率。但是由于振動沖擊能量很大，所以決定對該泵進行解體維修，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滾動體與外圈之間(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)致滾動體的摩擦阻力急劇增大，引起滾動體自轉(zhuǎn)速度下降，其上與內(nèi)圈接觸點的瞬時速度也跟著下降，但內(nèi)圈轉(zhuǎn)速始終等于軸的轉(zhuǎn)速，其上與滾動體接觸點的瞬時速度也不變，這樣內(nèi)圈與滾動體就發(fā)生了相對滑動，保持架的頻率fc由18.81Hz變成了6.89Hz，由式(1-10)可知滾動體上與內(nèi)圈接觸點的轉(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)子偏心量也會隨之變化，也就是說，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動體轉(zhuǎn)動受阻時，由于摩擦阻力增大，滾動體自轉(zhuǎn)速度將會下降，滾動體上與內(nèi)圈的接觸點瞬時速度也跟著下降，而內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速是不變的，始終等于軸的轉(zhuǎn)速，故內(nèi)圈與滾動體將會發(fā)生相對滑動，不滿足純滾動條件，滾動體的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速將會發(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。