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滾動軸承故障診斷的幾種監(jiān)測方法的分析

2018-07-17

　　摘　要：滾動軸承故障診斷的方法很多，除了振動信號進(jìn)行分析診斷外，還發(fā)展了其他一些技術(shù)，如光纖維監(jiān)測技術(shù)、油污染分析法（光譜測定法、磁性磁屑探測法和鐵譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等，這些方法在工作中，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況，決定應(yīng)用方法，解決具體問題。

　　關(guān)鍵詞：滾動軸承；故障診斷；監(jiān)測方法
　　一、光纖維監(jiān)測診斷法
　　精密軸承對軸的回轉(zhuǎn)精度要求極高，如果回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差過大系統(tǒng)就無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，即認(rèn)為出現(xiàn)了故障。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況采用光纖監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行滾動軸承故障診斷。其指標(biāo)主要包括有效值、峰值有效值比、軸承速率比等。
　　(1)有效值φx
　　軸承由于其制造缺陷，如表面粗糙度、波紋度和圓度誤差等，會形成不規(guī)則的輪廓，運(yùn)行時就會產(chǎn)生振動。這一振動由光纖傳感器接收后，即可得圖1所示的φx脈動波形。

圖1 均方根幅值的變化反映軸承制造質(zhì)量的不同

圖2 滾動軸承的BSR值

　　圖1(a)為一個接近理想的高精度電動機(jī)軸承形成的波形，其套圈的彈性變形接近簡諧波形，其波數(shù)等于通過測點(diǎn)的鋼球數(shù)目；圖1(b)為精度級Z低的軸承形成的復(fù)雜波形，這種軸承不但表面粗糙度大，幾何形狀誤差大，而且鋼球直徑也有明顯不同。由此可見，可用光纖傳感器直接檢測在用軸承的質(zhì)量，這是一種簡單而有效的測試方法。

　　(2)峰值有效值比XP/φx
　　對于經(jīng)過一段時間運(yùn)行的滾動軸承，其工作表面會由于磨損而變得粗糙。雖然此時軸承表面粗糙狀況也可以用上述有效值指標(biāo)來表示，但是當(dāng)軸承零件上有局部的剝落、凹坑一類缺陷時，有效值就無法反映出來。這時通過峰值有效值比則可以明顯地反映出來。一般來說，當(dāng)XP/φx＞1.5時，就認(rèn)為軸承零件上有局部缺陷產(chǎn)生。

　　(3)軸承速率比BSR
　　軸承速率比BSR定義為鋼球通過頻率與軸的回轉(zhuǎn)頻率之比，它取決于軸承的載荷和間隙的大小以及軸承的潤滑狀況，圖2為BSR值與軸承載荷的關(guān)系。圖中的陰影部分是軸承正常工作時的BSR值，當(dāng)BSR值偏高時，則可能是載荷高、潤滑不良或者軸承間隙過大；當(dāng)BSR值偏低時，則可能是載荷不足、潤滑過多（例如潤滑脂加注過多）或者軸承間隙過小。由此可見，BSR值是反映軸承運(yùn)行性能的直接指標(biāo)。

　　二、軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測診斷法
　　當(dāng)軸承滾動表面的潤滑狀態(tài)發(fā)生改變時，例如從完全液體潤滑到干摩擦?xí)r，金屬間直接接觸的時間所占比例上升，沖擊脈沖值也會上升，油膜電阻會下降。針對這種現(xiàn)象，實(shí)際工作中常用以下兩種監(jiān)測方法。

　　1．油膜厚度法
　　對實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，其油膜厚度測量是非常困難的。理論研究和試驗(yàn)表明，油膜厚度可以用沖擊脈沖值間接測量表示。這種分析診斷方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確分析診斷出軸承的狀態(tài)，但缺點(diǎn)是操作使用比較復(fù)雜，需要輸入大量參數(shù)，因而在現(xiàn)場使用中有時會覺得不如原來的沖擊脈沖法方便。

　　2．油膜電阻診斷法
　　滾動軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，如果在滾道面和滾動體之間能夠形成良好的油膜，則內(nèi)圈和外圈之間的電阻值很大，可達(dá)兆歐以上；當(dāng)潤滑膜破壞時，則內(nèi)圈和外圈之間的電阻值可降至零歐附近。利用這一特性，便可對滾動軸承的潤滑狀態(tài)及與此有關(guān)的磨損、腐蝕之類的損傷進(jìn)行診斷，但不適用于點(diǎn)蝕類損傷的診斷。
　　油膜電阻法的測量分析原理是：在內(nèi)、外圈之間加1V左右的直流電壓，通過測量軸承處的電壓降來確定其阻值。
　　用油膜形成度R和軸承上的電壓V兩個參數(shù)來監(jiān)測軸承的潤滑狀態(tài)。當(dāng)油膜形成不完全時會發(fā)生金屬間接觸，以發(fā)生金屬間接觸的時間與不發(fā)生接觸的時間之比來表示油膜形成度(0~10)。如前所述，當(dāng)油膜形成良好時，不發(fā)生電接觸時間所占比例會比較高，此時滾動表面阻抗會比較高；反之則比較低。
　　使用V方式時，可以測量由于軸承轉(zhuǎn)動時誘發(fā)出來的電壓，此電壓過高會導(dǎo)致電腐蝕，縮短軸承壽命。
　　可以用R和V的綜合評價圖來判定軸承的潤滑狀態(tài)（圖3），根據(jù)R和V的值分為良好、警戒和危險三個區(qū)。

圖3 潤滑狀態(tài)監(jiān)測儀

　　這種軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可在運(yùn)轉(zhuǎn)中測定潤滑狀態(tài)；(2)軸承的類型及尺寸大小對測定影響不大；(3)小型輕便。其缺點(diǎn)是：(1)不適用于轉(zhuǎn)速過低且在正常情況下也無法形成油膜的情況；(2)在軸承以外的地方有電氣短路時不能使用；(3)同一承載處有兩個以上軸承時不能做出Z終具體判斷。
　　三、油液分析診斷
　　滾動軸承失效的主要方式是磨損、斷裂和腐蝕等，其原因主要是潤滑不當(dāng)，因此對運(yùn)行時使用的潤滑油進(jìn)行系統(tǒng)分析，即可了解軸承的潤滑與磨損狀態(tài)，并對各種故障隱患進(jìn)行早期預(yù)報，查明產(chǎn)生故障的原因和部位，及時采取措施防止惡性事故的發(fā)生。

　　油液分析應(yīng)采用系統(tǒng)的方法，只采用單一手段往往會因其局限性而導(dǎo)致不全面的診斷結(jié)論，容易產(chǎn)生漏報或誤報。實(shí)踐證明，由以下五個方面，即理化分析、污染度測試、發(fā)射光譜分析、紅外光譜分析、鐵譜分析構(gòu)成的油液分析系統(tǒng)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作中可以發(fā)揮重要作用，其診斷結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際基本吻合，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

　　1．潤滑油理化指標(biāo)的檢測
　　良好的潤滑條件可大大減緩設(shè)備的磨損，是延長設(shè)備使用壽命的可靠保證。設(shè)備首先應(yīng)做到正確選油，其次是連續(xù)跟蹤監(jiān)測其質(zhì)量指標(biāo)的變化，三是當(dāng)潤滑油劣變失效時應(yīng)及時予以更換，為此必須定期對設(shè)備用油進(jìn)行理化指標(biāo)檢測。

　　2．污染度測試
　　油液經(jīng)過使用后不可避免地會受到不同程度的污染。檢測油液污染程度的方法有定性、半定量和定量三種。具體選用何種方法主要由油液品種、工況條件、對清潔度要求的寬嚴(yán)程度而定，如對柴油機(jī)通常用斑點(diǎn)試驗(yàn)法即可滿足要求，而對液壓油和汽輪機(jī)油多數(shù)情況下選用顆粒計(jì)數(shù)儀或污染測試儀進(jìn)行更精確的測試。

　　3．發(fā)射光譜分析油液中金屬元素含量
　　潤滑油中經(jīng)常會有一些金屬元素，這些元素的來源有三種途徑：一是來自潤滑油中的添加劑，如鈣、鋇、鋅、磷等；二是外界污染混入的雜質(zhì)帶進(jìn)來的，如硅、鋇、鈉等；三是磨損顆粒中的金屬成分，如銅、鉻、鉛、鐵等。設(shè)備在投入使用之前應(yīng)檢測新油中金屬元素的種類及含量，并做好記錄檔案。新油中的金屬元素主要來自于添加劑，含量是一定的；隨著設(shè)備運(yùn)行時間的增長，油中金屬元素的種類和數(shù)量都會發(fā)生相應(yīng)改變，根據(jù)變化趨勢可以判斷設(shè)備產(chǎn)生磨損的部位和狀態(tài)。

　　4．紅外光譜分析
　　紅外光譜的出現(xiàn)使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測又增添了一個新的重要手段。一般的理化分析是無法檢驗(yàn)的，而利用紅外光譜檢驗(yàn)是Z直接、Z有效也是Z快捷的方法。紅外光譜的主要原理是不同的化合物的分子結(jié)構(gòu)不同，在紅外光譜上都會出現(xiàn)特定位置的吸收峰，通過典型峰位和峰面積的積分計(jì)算即可對油品的某些特性進(jìn)行定量的或半定量的分析。近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及在紅外光譜技術(shù)中的普遍應(yīng)用，大大減少了測試誤差。上述紅外光譜的突出優(yōu)勢，使其在狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用更加日益廣泛。

　　5．鐵譜分析
　　鐵譜分析在我國是應(yīng)用Z多、Z普遍的油液分析設(shè)備診斷方法之一，它可以直接觀察油液中顆粒的尺寸、幾何形態(tài)、顏色、數(shù)量及分布狀態(tài)等，目前大多采用的是直讀式鐵譜儀和分析式鐵譜儀，近年來旋轉(zhuǎn)鐵譜儀和在線式鐵譜儀也受到越來越多的注意。

　　四、溫度監(jiān)測診斷法
　　滾動軸承如果產(chǎn)生了某種損傷，其溫度就會發(fā)生變化，因此可通過監(jiān)測軸承溫度來診斷軸承故障。該方法應(yīng)用得很早，在當(dāng)時在沒有其他更好的監(jiān)測診斷手段的情況下，同時也是由于這種方法簡便實(shí)用，確實(shí)在滾動軸承的巡檢中起到了一定的作用。

　　但這種方法的致命缺點(diǎn)是當(dāng)溫度有明顯的變化時，故障一般都達(dá)到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，因此無法發(fā)現(xiàn)早期故障。同時對滾動軸承的溫度測量雖然簡單，誤差一般較大，因此這種方法目前已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷L動軸承的輔助監(jiān)測診斷手段。

　　另外，還可以運(yùn)用聲發(fā)射（AE）監(jiān)測診斷、間隙（游隙）監(jiān)測診斷法等方法，同樣具有較好的效果，基于篇幅這里不做贅述。