由于使用維護方便、工作性能可靠，滾動軸承在旋轉機械中有著廣泛的應用，其運行狀態的好壞對旋轉機械的正常運轉起著至關重要的作用。隨著狀態監測技術的發展和應用，通過提取滾動軸承頻譜特征來進行軸承故障診斷的實例越來越多。對應用實踐進行總結分析，對滾動軸承頻譜特征進行分類，并列舉了相應的實例，為滾動軸承故障診斷提供參考。

一、前言

　　旋轉機械是大型石油石化行業的核心設備，一旦不能正常運轉，將導致整個裝置停工，會給企業帶來巨大的經濟損失。滾動軸承是旋轉機械的重要部件，滾動軸承的工作狀態與旋轉機械的運行可靠性息息相關。然而，滾動軸承也是機器中最易損壞的部件之一，據統計，在旋轉機械中有70%的故障是由滾動軸承引起的，在齒輪箱的各故障中，軸承故障僅次于齒輪故障而占到19%，電動機故障中有80%表現為電動機軸承故障。因此，滾動軸承常見故障診斷顯得十分重要。

　　隨著旋轉設備狀態監測和故障診斷技術理論的發展和應用實踐，利用振動信號監測分析來判斷滾動軸承的運行情況成為可能。一般來說，滾動軸承由內圈、外圈、保持架和滾動體四部件組成。當任何一個部件出現缺陷時，軸承座振動速度頻譜都會表現出不同的信號特征。

二、頻譜中出現非整數倍頻成分

　　1. 頻譜特征

　　在已知滾動軸承的幾何尺寸、滾動體數目和軸轉速的基礎上，導出了一系列的軸承故障頻率公式。利用這些故障頻率可以分別檢測軸承內圈、外圈、保持架和滾動體本身的故障。假如內圈滾道、外圈滾道或滾動體上有一處缺陷(剝落或裂紋)，則兩種金屬體在缺陷處相接觸就會發生沖擊作用，沖擊的間隔頻率見表1。

表1 由局部缺陷引起的沖擊振動間隔頻率

　　表式中 n——軸的轉速，單位為r/min；d——滾動體直徑，單位為mm；Dm——滾動體中心直徑，單位為mm；α ——接觸角，指接觸面中心與滾動體中心連線和軸承徑向平面之間的夾角，單位為弧度或角度;z——滾動體個數。

　　現場診斷時，往往不了解滾動軸承的型號和具體尺寸，用表1中的公式計算，其過程也相當復雜。因此如果只知道滾動體的數目，表1中的公式可以進行近似簡化，這樣使用起來更加靈活方便。

　　內圈通過頻率：f1=0.6frz;外圈通過頻率：f0=0.4frz;保持架通過頻率：fe=0.4fr。

　　式中 fr——軸的轉頻;z——滾動軸承的滾動體數。

　　研究發現：

　　1)滾動軸承故障頻率與不平衡、不對中、葉片通過頻率等振源不一樣，它們都是故障頻率。換言之，軸承故障頻率在振動頻譜中不應該存在，只有軸承出現故障時，才會發出的初始故障信號。

　　2)軸承故障頻率都是轉速頻率的非整數倍頻。

　　3)速度頻譜中除了非整數倍頻之外，有時還會出現其諧波成分。

　　2. 應用實例

　　聚丙烯裝置環管循環泵P202，轉速1 450r/min，功率510kW。2013年2月，操作員巡檢發現泵軸承座振動呈上升趨勢。

　　與以前采集的振動數據相比，泵軸承座各測點振動值同步增大，以葉輪側垂直方向振動能量增大最為顯著。各測點1 000Hz振動速度譜中，存在工頻及較多的非整數倍頻成分。利用PE A K V UE技術采集信號，發現以10.62Hz頻率成分幅值突出，且存在其倍頻成分。泵各測點振動波動較大，以149Hz(6x)、288Hz(11.60x)、404Hz(16.24x)頻率成分波動為主，工頻幅值保持穩定。SPM軸承故障診斷儀T30，對該泵軸承沖擊數據進行采集，dBc為14dB、處于綠區，dBm為33dB、處于黃區，非常接近紅區的下限35dB。真空技術網(http://smsksx.com/)認為，該泵軸承已出現缺陷的可能性大，同時伴有松動摩擦。

　　2013年3月，公司安排該泵停運檢修發現，主密封側軸承外圈跑套嚴重，定位軸承銅保持架、內圈滾道等部位有明顯磨損痕跡，滾動體表面蝕坑多。

三、頻譜中出現高頻連續譜

　　1. 頻譜特征

　　滾動軸承故障后期，振動速度頻譜中會出現隨機的寬帶超聲能量，這個能量成分一般出現在2 000～5 000Hz。因此，在采集數據時，需要將頻帶放寬至5 000Hz，觀察頻譜中高頻部分的頻率分布及能量的大小。但由于安裝和潤滑等因素的影響，有些軸承的運行初期就存在較低幅值的高頻連續譜，因此，利用比較分析的方法更加準確可靠。

　　2. 應用實例

　　重整裝置氨冷凍機為螺桿壓縮機， 電動機及陰陽轉子均采用滾動軸承。電動機工頻：2972/60=49.53Hz;陽轉子(型線數4)工頻：49.53Hz;陰轉子(型線數6)工頻：49.53×4/6=33Hz;轉子嚙合頻率：49.53×4=33×6=198Hz。

　　氨冷凍機現場噪聲增大，現場采集振動信號(見表2和圖1)。分析發現，電動機振動較小，氨壓機聯軸節側軸承座三個方向振動值均偏大、且以垂直和軸向振動表現尤為突出。

表2 氨冷凍機軸承座振動烈度 (單位：mm/s)

圖1 檢修前后聯軸節側軸承座垂直振動速度頻譜對比

　　速度頻譜中存在以下幾種頻率成分：

　　1)極低頻率成分，噪聲底線抬起。

　　2)高頻連續譜，該頻段幅值突出的頻率成分為各基頻的非整數倍頻，噪聲底線明顯抬高，存在以陽轉子工頻為間隔頻率的邊帶成分。

　　3)陰、陽轉子工頻和轉子嚙合頻率成分及其諧波，但幅值均較小。分析認為，聯軸器側滾動軸承和推力軸承出現磨損的可能性大。時隔一周檢修發現，冷凍機推力軸承嚴重磨損(單邊偏磨)，靠螺桿側內圈軸向磨損量達1.22mm以上，邊上有明顯剝落與點坑。陽螺桿非驅動端徑向圓柱軸承嚴重磨損；陰螺桿非驅動端徑向圓柱軸承有磨損。

四、頻譜中出現邊帶成分

　　1. 頻譜特征

　　當軸承內圈、外圈出現早期故障時，以單個故障頻率成分出現在頻譜中。隨著故障擴展會引起軸承內圈、外圈故障頻率的幅值增大。如果故障進一步惡化，速度頻譜中則會出現內圈、外圈故障頻率的高次諧波、以及邊帶成分出現。邊帶的間隔頻率比較常見的有兩種，一種是軸的轉頻，另一種是保持架的故障頻率。

　　2. 應用實例

　　(1)邊帶間隔頻率為軸的轉頻 焦化裝置加熱爐鼓風機變頻電動機噪聲大，現場采集軸承座振動信號(見圖2)。測試時，電動機轉速為520r/min，工頻為8.67Hz。電動機軸承座振動頻譜中出現了以5.326x的非整數倍頻成分及其高次諧波。且在高次諧波成分左右出現了以電動機工頻為間隔頻率的對稱邊帶。

圖2 電動機前軸承座垂直振動速度頻譜

　　檢修發現，該軸承外圈電流腐蝕嚴重，軸承外圈搓板狀缺陷明顯，如圖3所示。

圖3 軸承外圈電流腐蝕嚴重

　　(2)邊帶間隔頻率為軸轉頻的非整數倍 聚丙烯裝置動力分離器攪拌器A301于2011年4月在役運行。2013年6月底發現分離器推力軸承水平振動值上升到6.0mm/s左右。后經潤滑脂置換、將潤滑脂改為高溫潤滑脂后，振動烈度下降趨勢明顯，SPM沖擊數據近黃區上線、趨勢趨于平穩。

　　攪拌器轉速為1 470r/min，對輪側軸承型號：SKF3317A，葉片側軸承型號：SKF NU2316E。7月初，對分離器軸承座振動進行頻譜分析發現，對輪側軸承座水平測點1 000Hz帶寬速度頻譜(見圖4)中，存在0.28x～0.66x頻的次倍頻成分、低頻段噪聲底線明顯抬高，存在139.81Hz(5.63x)、205.57Hz(8.27x)的非整數倍頻成分，在13x(NU2316E軸承滾動體個數為13個)左右出現間隔頻率為10.63Hz(0.43x：可能為保持架故障頻率)邊帶成分。將頻帶放寬至5 000Hz采集信號，未見明顯的高頻連續譜出現。這里，0.43x的非整數倍頻以邊帶的形式出現，需要引起足夠的重視。

圖4 泵對輪側軸承座水平振動速度頻譜

　　8月停運檢修，將攪拌器解體發現，對輪側軸承保持架上半邊松脫，可以直接取出，上、下保持架磨損嚴重。

五、結語

　　1)實踐證明，通過提取軸承座振動的速度頻譜特征，可以準確地判斷滾動軸承的運行情況、出現缺陷的部件及缺陷的嚴重程度。

　　2)現場遇到的滾動軸承缺陷復雜，很多情況都是多種缺陷同時出現，因此速度頻譜中往往會多種故障特征并存。

　　3)滾動軸承振動大小的判斷，不能教條地依據標準中給出的振動界限值。由于滾動軸承的安裝精度、使用潤滑條件的影響，軸承所能承受的振動值也不盡相同。最有效的方法是對軸承振動的上升幅度進行分析，可以更加準確地判斷滾動軸承的運行狀況。

　　4)滾動軸承監測診斷的技術很多，除了振動頻譜分析技術，還有SPM公司開發的沖擊脈沖技術、恩泰克公司的尖峰能量技術、艾默生公司的PEAKVUE技術等。實際應用中，多種技術手段結合，可以提高滾動軸承故障診斷的準確率。