压力容器设备―烘缸轴承浅谈

【摘要】：烘缸滚动轴承是旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，在旋转机械的各种故障中，烘缸滚动轴承故障占有一定的比例。这是因为烘缸滚动轴承是压力容器设备中工作条件最为恶劣的部件，它在压力容器毫θ萜魃璞钢衅鹱懦惺茉睾珊痛递载荷的作用，其运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能。许多压力容器压力容器设备在带故障运行时，都要伴随振动和冲击的发生。振动和冲击的发生也常常反映了机械的故障。因此目前的故障诊断方法大都以振动理论为基础。

【关键字】：轴承故障、振动诊断、共振。

1、轴承故障概述

轴承是旋转机械中的一类重要部件，轴承的性能及可靠性在很大程度上取决于轴承零件的材料。对于轴承套圈与滚动体，通常要考虑的因素包括影响承载能力的硬度，滚动接触条件下、清洁或受污染条件下的抗疲劳性，以及轴承元件的尺寸稳定性。对于保持架，要考虑的因素包括摩擦力、应变力、惯性力，

在某些情况下还要考虑同某些剂、有机溶剂、冷却剂和制冷剂的化学反应。这些考虑因素的相对重要性可能受到其它运行参数的影响，例如腐蚀、温度升高、冲击负荷或这些与其它状况的混合。滚动轴承内的密封件对轴承的性能与可靠性也有相当大的影响。它们的制造材料必须提供优异的抗氧化性、耐热性或耐化学腐蚀性。据统计，由于轴承导致的故障在旋转机械所有故障中占到三分之一左右，近年来，随着故障诊断计算在基层理论研究及实际应用中不断发展和完善当烘缸滚动轴承出现局部损伤时，在受载运转过程中，轴承的其它零件会周期地撞击损伤点，产生的冲击力激励轴承座及其支撑结构，形成一系列由冲击激励产生的减幅振荡，减幅振荡发生的频率为故障特征频率。

2、 轴承振动产生的原因

常见的滚动轴承损伤形式有疲劳损伤、电化腐蚀、表面损伤、过热烧伤等。当机械设配运转时，轴承以设定的速度转动并带有一定的负载，此时以轴承、轴承座和箱体为组成零件的轴承系统就会产生激励，进而促使整个设备系统发生系统诊断，其振动通常会受内部因素和外部因素的影响。轴承系统振动产生的机理。在外部机械设备的其他部件会对轴承产生影响。

3、 烘缸滚动轴承故障的振动诊断

根据监测频带的不同，可将烘缸滚动轴承故障的振动诊断划分为低频诊断和高频诊断，其中低频诊断主要是针对轴承中各元件缺陷的旋转特征频率进行的；而高频诊断则着眼于烘缸滚动轴承因存在缺陷时激发的各元件的固有频率振动。它们在原理上没有太大差别都要通过频谱分析等手段，找出不同元件（内滚道、外滚道、滚动体等）的故障特征频率，以此判断烘缸滚动轴承的故障部位及其故障的严重程度。显然，要实现对故障特征频率的定位，首先必须计算出各个元件的理论特征频率。为此，先推导出各元件故障特征频率的计算公式，再讨论轴承各种故障的振动特点。

3.1、低频段的旋转特征频率

烘缸滚动轴承各元件存在单一缺陷时的特征频率如表2.1所示

需要说明的是上表中所给出的特征频率分别为滚动体缺陷、内滚道缺陷和外滚道缺陷的基频。实际应用中，根据故障严重程度，频谱图中还可能出现各自的倍频。

3.2、高频段的固有振动频率

烘缸滚动轴承中的各元件因受到冲击而作自由振动时是以各自的固有振动频率进行的，轴承元件的固有频率多处在几kHz到几十kHz的高频段，且受轴承装配状态的影响，下面给出内外环的固有振动频率的计算公式：

1） 内外环的固有振动频率

（2.1）

式中 I----内外环截面绕中性轴的惯性矩， ；

D----圆环中性轴的直径，m；

M----圆环单位长度内的质量， ；

E----圆环材料的弹性模量， ；

n----变形波数；

2） 钢球的固有振动频率

（2.2）

式中

----钢球的直径， ；

E----材料的弹性模量， ，钢为 ；

----材料的密度， ，钢为 ；

4、烘缸滚动轴承有异常时的振动特性

烘缸滚动轴承的异常情况是多种多样的，为了叙述的方便，在此讨论各种典型的单一型异常形式的振动特性，这并不意味着典型的异常形式总是独立发生的。

4.1、烘缸滚动轴承的构造所引起的振动

（1） 轴承元件的变力变形引起的振动

给烘缸滚动轴承施加一定的载荷时，由于内外环以及滚动体的受力变形，而使旋转轴的中心发生变动，由此引起的振动的主要频率成分为 ，其中 为滚珠个数， 为滚动体的公转频率。

（2） 旋转轴弯曲时引起的振动

当旋转轴弯曲或倾斜时，此时发生的振动的主要频率成分为 。

（3） 滚动体直径不一致引起的振动

当一个滚动体的直径大于其他滚动体的直时，旋转轴轴心将以滚动体的公转频率 而变动，即发生此频率的振动。此外，由轴向刚度的不同，还会引发频率 ，的振动。

2） 烘缸滚动轴承的非线性引发的振动

烘缸滚动轴承是通过滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，可以形象的比之为 “弹簧”。此“弹簧”的弹性系数很大，当轴承的状态不良时，就会出现非线性弹性，由此而引发的振动。其振动的频率为轴的旋转频率 ，及其谐波 ， …和分频 ， …。这种形式的振动常在深槽球轴承中发生，而在自动调心和滚子轴承上不常发生。

3）由于精加工波纹引起的振动

制造时，如在滚道或滚动体的精加工面上留有波纹，当凸起部数目达到一定值时，就会产生特有的振动，如表2.2所示。

应该指出的是，上表对于有径向间隙并承受径向载荷的轴承，多数是不适用的。

4）烘缸滚动轴承损伤（缺陷）而引起的振动

2、轴承严重磨损引起的偏心时的振动 在使用过程中由于发生严重磨损而使轴承偏时，轴的中心将产生振摆，此时的振动频率为 ，其中， 为自然数， 为轴的旋转频率。滚动轴承内的摩擦是轴承内热量产生的决定因素，其结果也对操作温度产生决定性影响。摩擦大小取决于负荷和其它一些因素， 其中最重要的是轴承的种类和大小、操作速度、剂性能和用量。组成轴承运转总阻力的是：有关接触面上的滚动和滑动摩擦、剂内的摩擦、以及接触密封件的滑动摩擦。而产生滚动和滑动摩擦的地方则有：滚动接触面、滚动部件和保持架之间的接触面、以及引导滚动部件或保持架的支承面。

（2） 内环有缺陷是的振动当内环的某个部分存在剥落、裂纹、压痕、损伤等缺陷时，所发生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， ，…。由于轴承通常有径向间隙而使振动受到轴的旋转频率 或滚动体的公转频率 的调制。有无间隙的发生频率如表2.3所示：

（3）外环有缺陷时的振动当外环有缺陷时，轴承所产生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， …。与内环缺陷振动特性不同的是，由于此时缺陷的位置与承载方向相对位置固定，故不会发生调制现象。

（4）滚动体有缺陷时的振动当滚动体上有缺陷时，轴承所产生振动的振动频率为 及其高次谐波 ， …。和内环有缺陷时的情况相同，由于通常存在的轴承径向间隙，使振动受到滚动体公转频率的调制。应该说明的是：由于轴承的初期损伤所引起的冲击振动往往比机器的其他振动要小的多，为了有效地进行轴承故障诊断，经常采用共振解调技术。

参考文献：

[1].钟秉林，黄仁等.机械故障诊断学.北京，机械工业出版社，1998.

[2].王志刚，李友荣，朱瑞荪，吕勇.一种用于低速重载轴承故障诊断的共振解调法.煤矿机械，2002，8，74-76.