滑动轴承的故障诊断分析 (DEMO)

滑动轴承的故障诊断分析
一、滑动轴承的分类及其特点
1、静压轴承
静压轴承的间隙只影响润滑油的流量，对承载能力影响不大，因此、静压轴承可以不必调整间隙，静压轴承在任何转速下都能保证液体润滑，所以理论上对轴颈与轴瓦的材料无要求。

实际上为防止偶然事故造成供油中断，磨坏轴承轴承，轴颈仍用45#，轴瓦用青铜等。

2、动压轴承
动压滑动轴承必须在一定的转速下才能产生压力油膜。

因此、不适用于低速或转速变化范围较大而下限转速过低的主轴。

轴承中只产生一个压力油膜的单油楔动压轴承，当载荷、转速等条件变化时，单油楔动压轴承的油膜厚度和位置也随着变化，使轴心线浮动，而降低了旋转精度和运动平稳性。

多油楔动压轴承一定的转速下，在轴颈周围能形成几个压力油楔，把轴颈推向中央，因而向心性好。

异常磨损：由于安装时轴线偏斜、负载偏载、轴承背钢与轴承座孔之间有硬质点和污物，轴或轴承座的刚性不良等原因，造成轴承表面严重损伤。

其特征为：轴承承载不均、局部磨损大，表面温度升高，影响了油膜的形成，从而使轴承过早失效。

二、常见的滑动轴承故障
●轴承巴氏合金碎裂及其原因
1.固体作用：油膜与轴颈碰摩引起的碰撞及摩擦，以及润滑油中所含杂质（磨粒）引起
的磨损。

2.液体作用：油膜压力的交变引起的疲劳破坏。

3.气体作用：润滑膜中含有气泡所引起的汽蚀破坏。

●轴承巴氏合金烧蚀
轴承巴氏合金烧蚀是指由于某种原因造成轴颈与轴瓦发生摩擦，使轴瓦局部温度偏高，巴氏合金氧化变质，发生严重的转子热弯曲、热变形，甚至抱轴。

当发生轴承与轴颈碰摩时，其油膜就会被破坏。

摩擦使轴瓦巴氏合金局部温度偏高，而导致巴氏合金烧蚀，由此引起的轴瓦和轴颈的热胀差，进一步加重轴瓦和轴颈的摩擦，形成恶性循环。

当轴瓦温度T大于等于230°C时，轴承巴氏合金就已烧蚀。

三、机理分析
大多滑动轴承由于运行过程中处于边界润滑状态所以会产生滑动摩擦现象，同时又居有一定的冲击能量和势能，所以存在与产生滑动摩擦和碰摩相同的故障机理。

由于故障振动频率特征不明显，往往容易与其它的故障相混淆，如部件松动等。

而且会随着故障的不同阶段和产生主要故障因素的不同而有所区别。

它的故障状态与多种故障的形式相似，故障严重时同时会有不平衡、不对中、松动、碰摩、共振（低频、高频）等故障特征现象显示。

但其特征频率多与工频及其谐波有关，其主要振动特征为频谱的非线性表现。

转子与轴瓦发生摩擦时，在径向接触瞬间，转子的刚度增大，被轴瓦反弹后脱离接触，转子刚度减小，并且发生横向自由振动。

因此，转子刚度在接触与非接触两者之间变化，变化的频率就是转子的涡动频率。

转子横向自由振动与强迫的旋转运动、涡动运动叠加在一起就会产生一些特有的，复杂的振动响应的频率。

随着摩擦副的间隙增大，将产生更大的冲击和轴旋转中心的偏移。

所以利用与正常时的标准频谱对比，对于判断故障发展过程极其有利。

四、滑动轴承的振动诊断方法
1、通频（相对较宽频率范围，下同）振动总值的越线诊断
检测积累正常状态下的滑动轴承振动信号，计算其通频的振动总值的的门限值，当此值大于某一门栏时，将被检轴承判断为有故障。

2、特征频率诊断
对检测得到的滑动轴承振动信号进行频谱分析，根据此频谱和滑动轴承正常时的振动频谱（标准谱）之间的差异，和差异处的频率成分与振源频率之间的对应关系确定故障的有无、程度、类别和原因。

一般滑动轴承特征为工频及其谐波占主导位置，工频较大说明有较大的偏心（非质量不平衡原因），若时域波形同时存在不对称，说明有碰摩或产生比较连续的摩擦现象。

连续的偏摩会显示很大的工频，同时也会有一些谐波存在。

有轴承不对中时还会随着温度的上升，振动值也同时升高，由于约束条件的不同，尤其在设备的非驱动端轴承反映明显。

振动值一般水平方向较垂直方向大。

(由于支承刚度的不同)
3、振动形态诊断
观察变速过程中的滑动轴承振动信号的通频幅值随转速的变化的规律，从而区别被检轴承的振动究竟是受迫振动(包括共振)还是自激振动。

振动形态诊断法常作为特征频率诊断法的一种辅助诊断手段。

4、轴心轨迹诊断
时域波形中的直流成分显示的为轴心的位置。

连续的直流成分的改变即为旋转轴的轴心位置轨迹图。

5、滑动轴承其它说明
引起较大振动的滑动轴承存在的问题通常是轴承间隙过大，松动（轴承体内巴氏合金松动）或摩擦等等。

间隙过大的滑动轴承，可能出现小的不平衡、不同轴或其它某些振动力，引起机械松动或冲击。

大量实践经验表明：已经磨损的轴承，通过对在水平和垂直方向上测得的振幅进行比较，可以识别出来。

当轴承磨损之后，通常其垂直方向的振幅很少比水平方向的振幅大。

滑动轴承磨损的最后阶段将会产生轴频的及其谐波振动。

五、滑动轴承的故障分析
故障诊断过程实际上是一个从状态信号中提取故障信息特征形成待检模式与基准模式（故障档案）进行比较的模式或分类过程。

由此可知，建立滑动轴承各种常见故障档案库（即各类故障的基准模式库）自然就成为滑动轴承故障诊断技术研究中的首要工作。

而弄清滑动轴承的各种失效及故障形式以及与之相应的状态特征，则是建立滑动轴承故障档案库的基础。

滑动轴承偏离、轴承不对中会引起偏摩或偏摆现象，产生与摩擦相同的现象。

连续摩擦会以工频为主，间断摩擦会产生碰摩特征。

在大中型机械设备上，一般采用滑动轴承的较多，其主要故障是磨损与松动。

由于轴系的不平衡，不对中以及轴承本身安装不良而导致轴承的承压不均匀，油膜破裂等。

滑动轴承磨损是由运动表面的相对摩擦造成的。

摩擦激发一种高频振动和噪声，对其信号作频谱分析时，会发现整个频带的分量均被提高了，并且在高频段上出现峰值，这些峰值的大小与摩擦的严重程度成正比。

一般滑动轴承的摩擦与松动和轴不平衡，不对中等故障状态有密切的关系。

因此在振动的频谱图上常出现转频的一阶、二阶、三阶以及高阶分量。

滑动轴承由于摩擦引起的振动类似于有缺陷的滚动轴承引起的振动。

当出现摩擦引起的振动特征时，依次检查润滑、润滑系统和轴承间隙。

这种状态也可出现在轴承间隙过大或间隙不足的情况。

轴系弯曲、轴承不对中会在轴的非驱动端产生更大的冲击，这是因为驱动端相对来讲能够受的更大的约束，而非驱动端相对小些，振动能量只能在非驱动端释放。

所以一般非驱动端容易损坏轴承因考虑是否存在轴的弯曲现象或轴承不对中。

滑动轴承的破坏是由于轴系不对中，轴承载荷的变化，油膜振荡等引起轴承座的振动。

这些振动可导致油膜的破坏，轴瓦烧损和碎裂，轴承座产生裂纹等。

对于两端轴承有比较严重的不对中会对转子产生比较大的交变应力，容易使转子产生疲劳破坏。

滑动轴承不对中转子振动的非线性特性：
由于不对中，滑动轴承的静油膜力与轴颈的偏心率存在非线性关系。

此外附加力和力矩是轴颈位移和速度的非线性函数。

在简谐激振力F cosωt 作用下的非线性系统，受迫振动的响应除同步响应外，还有高次谐波与分数谐波响应。

高次谐波响应在非线性系统中或多或少地存在，而分数谐波响应则只在一定条件下才能产生。

含有基频和高次谐波的成分，又含有ω/2 次谐波是典型轴承失稳特例.
六、轴承不对中的特性
1、由于轴承不对中造成各轴承负荷分配变化和轴承的动态特性变化，从而影响整个转子—轴承系统的稳定性。

2、由于支承负荷变化，造成轴承临界转速的变化，激发结构共振。

3、轴承不对中会导致高压汽轮机汽封间隙不均匀诱发间隙激振。

4、在不对中的一对轴承中，负荷大的轴承油膜呈现较大的非线性，在不平衡扰动力作用下，在一定条件下，可导致转子振动出现分数谐波和高次谐波响应。

5、轴承不对中，使转轴受外部预载，通过联轴器施加于转轴的力严重时，可使联轴器截面突变处产生疲劳裂纹。

6、由于轴承不对中导致转子产生低频涡动，轴心的涡动位移与转子的周期性弯曲产生交变应力，此交变应力的频率等于转动频率与涡动频率之差。

当变形超过某个值，转轴弯曲最大处就会产生疲劳裂纹。

7、由于支承负荷变化造成工作转速下轴承振型的变化。

松动一般不应有明显的冲击现象，而碰摩有明显的冲击，两者可从时域波形中加以区别。

碰摩在时域波形中应是逐渐衰减的。

摩擦会激励零部件共振，产生有色噪声，没有大的冲击波形；而随机噪声为白噪声信号。

动压滑动轴承间隙过大诊断要点
a)确认频谱中有稳定的1、2或3倍频分量占优势。

垂直方向比水平振动更大。

相对较小的4-10倍频分量，可能也会较明显。

b)检查轴向振动，可能与径向频谱类似。

如果轴向振动与径向振动大小相近，表明问题严重。

c)径向和轴向时域波形为稳定的周期波形占优势，每转一周有1、2或3个峰值。

没有大的加速度冲击。

提示：
间隙过大与不对中的区分可以根据以下两点：
i.间隙过大时垂直振动比水平振动更大；而不对中时垂直与水平振动基本相同。

轴瓦松动时转子振幅增大，振动频率为二倍频。

ii. 间隙过大时4-10倍频分量比较显著，类似于机械松动的现象；而不对中时高次谐波较小。

间隙过大与机械松动的区分可以根据以下两点：
i.隙过大时，其时域波形为稳定的周期波形占优势，没有大的加速度冲击现象；而机械松动时其时域波形较为杂乱，有明显的非周期信号使波形很不稳定。

ii.间隙过大时轴向振动可能较大，特别是止推轴承；而机械松动时一般轴向振动较小。