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轴承外圈故障带转轴边带的分析与研究
利用CSI2130双通道振动采集仪，对冷轧厂彩涂风机轴承的振动数据进行采集，在此基础上对信号进行了幅域、频域分析，发现了轴承损坏的故障频率，并找到风机轴承发热损坏的根本原因。
机械检测仪/振动分析仪/工业内窥镜代理商：
更有意义的是，清楚了生产实际中轴承故障模式及故障机理与故障诊断理论学术研究结论的差异，从而更紧密的将学术理论与冶金设备运行实际结合起来，不是形而上学的照搬照抄，结果是更为有效的在生产实际中发现造成故障的根本原因。
1 概述
冶金企业的设备日趋超大型化、超精密华、超复杂化，决定了生产线设备各零部件间有更为紧密地有机，零部件之间的这种紧密的相关性决定了在生产实际中设备所表现故障模式以综合故障居多，单一故障反倒较少见。
现有的故障理论以研究单一故障为基础，根据单一故障模式抽象出一般规律，就单一故障来讲使故障模式化。如果照搬套用，常常会不符合冶金企业机、电、液、集合极为复杂的生产线。
本文论述对彩涂风机轴承进行测试，利用频谱分析找到风机轴承发热的内因是由于轴承外圈松动使得轴承与轴承座间产生相对运动引起摩擦生热，从而造成轴承损坏(外在表现)的综合故障。认识到故障理论的建立是有其限制条件的，不了解这些先决条件，对故障理论就不能较深入的理解，只能是对故障理论结论的机械套用，诊断结论常常与实际偏差较大。
2 诊断分析
2.1 设备概况
彩涂焚烧炉助燃风机工作运行2个月以来，轴承一直处于发热状态，于2006年7月11日对该风机的两个轴承进行测试分析。采用加速度传感器分别测量两个轴承垂直和水平两个方向的振动量。测点位置如图1所示。
设备的主要参数：
电机转速2950 r/min
电机功率：37KW
流量：130L
轴承型号1312
保持架频率
滚动体频率
外圈频率
内圈频率
20.95
151.09
335.54
462.54
表1 轴承特征频率表(单位：Hz)
2.2 精密诊断
在设备状态监测诊断技术中，振动分析是一种zui常用的方法。振动信号普遍存在于运转的机械设备中，当机械设备内部发生异常时，一般都会出现振动增大和工作性能的变化，60%以上的机械故障都能通过振动反映出来。采用CSI2130双通道振动采集仪对彩涂风机进行数据采集，然后利用幅域、频域分析方法对信号进行分析与诊断。
2.2.1 幅域分析
在信号的幅值上进行各种处理，即对信号的时域进行统计分析称为幅域分析。通常计算信号的均方根值，结合ISO2372振动速度判别标准，判断设备目前的运行状态。针对彩涂风机轴承发热的信号，计算出的特征值如表2所示。
测点
垂直V
水平H
1
2.99
1.5
2
7.36
4.62
表2 均方根值表(单位mm/s)
从表2中可以看出，测点2垂直方向的振动速度超过 C 级振动强度等级7.1 mm/s，属于 不满意 状态。其他测点的振动速度值也偏大，说明处于不良的运行状态。
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2.2.2 频谱分析
一般来说，对采集到的信号进行幅域分析，可以了解设备目前的工作状态，初步确定设备是否存在故障。但是，幅域分析方法无法定位发生故障的具体位置，所以需要对信号进行频谱分析，通过提取故障频率成分，从而确认引发故障的零部件。
首先对两个测点采集到的数据进行傅立叶变换，如图2所示。(频域图)
图2 测点1频谱放大图
通过电机转速计算转频为，与图2中49.95Hz的频率成分相对应，同时还出现转频的多次谐波，表现转轴松动的故障模式。此外，存在与转频不同步的频率成分336.72Hz，怀疑该频率为故障频率。为此，分别对测点1和测点2垂直、水平方向进行频谱分析，如图3、4所示。
垂直方向频域图
水平方向频域图
图3 测点1频域图
垂直方向频域图
水平方向频域图
图4 测点2频域图
从图3和图4中可以看出，测点1和测2都存在336.72Hz的频率及其高次谐波成分。将该特征频率与表1中的各频率成分比较后，发现该特征频率与轴承外圈频率335.54Hz基本一致(轴承外圈的故障频率计算略)，所以可以认定轴承的外圈出现故障。
表面看，这是一个比较简单明了的轴承故障分析，到此应该结束了。但是仔细观察频谱图，我们还会发现轴承的外圈故障频率及谐波带有边带，边带为49.95Hz，是转频!疑问是几乎所有的关于故障诊断的书籍在谈到轴承故障时都会有这样的结论：轴承的内圈故障频率会带有明显的转频边带，外圈的故障频率没有边带。结论似乎与实际相矛盾。
事实上，轴承的外圈故障频率及各次谐波皆受到49.95Hz转频的调制，是由于同时还存在轴承外圈松动的故障。因为，只有当轴承外圈与轴承座产生了间隙，轴承运转时才使得轴承中心偏离轴承座的中心。
于是，轴承每旋转一圈，轴承外圈就与轴承座 碰撞 一次，产生的频率正好等于转频。所以当出现轴承外圈频率及其高次谐波，并且外圈频率被转频调制时，就可以认为存在轴承外圈松动的故障，而且这才是造成轴承损坏的zui根本原因。
当轴承外圈出现松动后，造成轴承与轴承座存在相对运动形成摩擦。尤其当轴承高速旋转时，摩擦将产生大量的热，致使轴承始终在高温环境下工作。工作温度越高，对部件装配精度的影响就越大，使得轴承与轴承座之间的间隙不断增大，产生恶性循环，造成轴承无法正常工作，zui终完全失效。
2.3 诊断结论及建议
综合以上振动的分析结果，得出如下结论：轴承与轴承座配合松动，造成轴承与轴承座产生相对运动而使温度升高。据此建议生产厂采取措施，保证轴承与轴承座的装配精度，尤其注意轴承座镗孔的加工精度。此外，对轴承进行更换时采取成对同时替换的方式。
从图中还可以看出，测点2的频率幅值是测点1的3~5 倍，与表2中的计算结果是一致的。从幅域分析和频谱分析两个角度出发，均说明了测点2 的轴承故障问题更严重。
2.4 生产验证
2006年7月21日生产厂对彩涂风机进行检修时，发现测点2的轴承已经严重破损，无法继续工作，经测量轴承座镗孔超差zui大超过100um，已失去和轴承外圈的配合精度。换上同类型的轴承后，采用680固齿胶将轴承与轴承座固定，减小松动，以维持生产。同时紧急订购轴承座。当风机正常运转后，于2006年8月25日对两个轴承重新进行测试与分析，发现振动明显减小，如表3所示。
测点
垂直V
水平H
1
0. 32
0. 6
2
0. 38
0. 7
表3均方根值表(单位mm/s)
从表3中可以看出，无论是水平方向还是垂直方向，两个测点的振动值都非常小，根据ISO2372振动速度判别标准，设备目前处于良好的工作状态，说明了诊断结果与实际故障是完全吻合的。
3 综述
这不仅仅是一个普通风机轴承的外圈故障，而是转轴松动与外圈故障相互结合在一起的综合故障形式。现象是轴承外圈故障明显并带有转频边带，转轴松动信号较弱。
如果认为是轴承故障造成的松动只换轴承不能解决根本问题;同样如果生搬故障诊断理论 轴承外圈故障不带任何边带 就会否定轴承故障使诊断结论走上歧途。
正确的结论是由于轴承座加工超差，轴承座镗孔与轴承外圈失去配合精度，产生松动，造成轴承损坏。表面看与诊断理论相矛盾的现象正是找到设备故障根本原因的基本依据。
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