离心泵滚动轴承振动分析的方法研究

离心泵滚动轴承振动分析的方法研究

李瑞

身份证号：652123198901220027

摘要：核电厂水泵是输送介质的动力设备，对机组的安全平稳运行起着关键作用，滚动轴承是水泵不可缺少的组成部分，产品质量关系着水泵的运行状况，本文以离心泵为研究对象，分析滚动轴承在工作时的稳定性以及由此产生的振动等影响设备运行的因素，并提出相应的解决对策，以保证安全、可靠的运行。

关键词：核电厂；水泵；滚动轴承；安全可靠

引言

滚动轴承是转动设备中的关键零件，在石油化工，机械和电力等工业部门得到了广泛的应用。离心泵作为核电厂中的一个重要装置，它运行于不同的环境中，运行于不同的工况中，甚至运行于十分恶劣的环境中，加之多种随机因素，水泵极易出现多种机械故障而使功能下降，特别是滚动轴承出现缺陷将引起连锁反应，将严重导致水泵受损甚至使生产系统瘫痪而不能正常运行，从而为企业带来重大经济损失。因此，对离心泵轴承振动问题的解决措施进行研究具有十分重要的意义，也是确保设备安全、可靠运行的一个重要前提条件。

1、滚动轴承异常的基本形式

轴承主要由外圈，内圈，滚动体及保持架等部件组成，在轴承运行过程中，由于铁屑或润滑物质中存在异物较多，若大修时对设备轴承维护不当，加之安装方法不合适或者过载影响等因素，均会导致滚动轴承出现滚珠或滚轴载荷过大导致脱落、磨损导致精度不佳、环境影响造成点蚀以及裂纹等损坏现象，甚至无法进行维修，这就是轴承的故障。

图1

滚动轴承在使用过程中的故障形式主要有以下几种：

（1）疲劳剥落

滚动轴承工作时，滚动体和内圈(或外圈)上的载荷不是恒定的，而是随着轴承的运转而反复变化的。这种负荷是交变负荷；由于滚动体与内圈(或外圈)的接触面积很小，接触应力很大。在较高的转速下，在多次巨大交变接触应力的反复作用下，金属会疲劳。这种疲劳剥落现象在工作过程中会引起冲击载荷从而加剧振动和噪声。疲劳剥落产生的原因有，疲劳应力。

（2）磨损影响精度

滚动轴承磨损一般分为：麻点损伤、槽痕、碎屑污染、维修研磨损伤等。当运行过程中金属碎屑或异物进城轴承面时造成磨损。滚珠或滚轴有大颗粒灰尘进入均会造成轴承磨损，而有事旋转时产生的高温也可能使润滑不良则加大了磨损力度。致使引起轴承游隙加大、表面粗糙、单体设备或设备整体运行精度下降、振动与噪声加大等。

（3）环境影响造成点蚀

浸蚀通常是由于轴承座内温度变化，内部空气冷凝，水分不断积聚所造成的。而湿气或水时常从损伤的、破损的或不适当的密封圈进入轴承。此外，轴承在拆卸、检查时，清洗和干燥不当，也会引起这样的损伤。在轴承清洗和干燥以后或将轴承放入仓库之时，都应当涂上润滑油或其他防腐剂，并用保护纸包装好。无论是新轴承还是旧轴承，都应放置在干燥区域，包上原包装，降低在安装前出现静态腐蚀的可能。

（4）轴承过载

轴承在运行时机体温度会逐渐升高，很可能导致轴承产生形变。磨损形式与温升导致润滑不佳的磨损形式十分类似，由于该两种方式很难以区分，因此需要仔细进检查轴承内部，从而分析根源问题所在。有时使用普通的润滑剂可能不适用于有较高负荷的轴承体，因此润滑油油膜的强度不足无法承载更大数据的负荷。
轴承在高速运转下，即使使用了能够满足承载要求的润滑油，也极有可能产生另一定形式的损伤，尽管润滑剂能承受相应负荷，避免滚动部件或滚轴划伤，但轴承本体也可能因为负荷导致表面层过早的出现应力疲劳剥落，该类型剥落的伴随着轴承寿命问题将取决于轴承的应力负荷量和最大承载能力。

（5）断裂

轴承温升过快的使机体载荷或者疲劳加剧会导致轴承部件断裂，通过温差法经加热处理后，在装配时产生残余应力难以释放，运行过程中热应力过大会逐渐使轴承零件产生裂纹从而进一步导致断裂。

2、滚动轴承的振动类型

轴承内座圈，外座圈及滚动体发生剥落，裂纹或疵点损坏后，因滚动体在上述位置周期性滚动产生冲击，大概率造成轴承振动评率超标，尽管从构建结构来进行分析，即使将滚动轴承的结构进行简化同时作为标准化的采购件，但是它在振动过程中振源却颇为复杂，除了轴承因自身损伤而产生振动之外，还承受着轴系椭圆度不平衡，下挠弯曲度，轴中心不对称及频谱的传递，从而使振动问题变得比较复杂。

2.1滚动轴承振动形式

通常，轴承的振动可以归结为如下四种形式：

（1）随机振动因设计，安装和润滑而引起，存在于各种轴承。

（2）由于滚珠在负荷中运动而引起的震动，此现象有时为一颗滚珠在负荷区中运动有时为两颗滚珠在负荷区运动，从而出现上下左右位移跳动而引起震动。但其为一简谐激励而广泛存在于各类轴承之中。

（3）因滚珠经过失效且坡度较大的滚道（内或外圈），表面光洁度不过关，滚珠自身存在缺陷或者失效，失效保持架而产生的震动。这些振动均为周期性脉冲激发，而这些脉冲正是我们需要确诊的目标。

（4）来自轴承外的震动，轴系不平衡，弯曲，不对中，扭振。这些振动可为周期、平稳或非周期、非稳态等随意激发。

2.2振动报警和故障定值设置

为了判定滚动轴承是否正常，要以所测定的振动的振幅为根据，必须有标准加以对照。有了判定标准，才能知道测定值是表示滚动轴承状态良好，还是必须对其注意监测。首要甄别方式，将相同规格型号轴承相同条件下对所测量的定值进行比较，并定期对部件的相同位置进行检测，以检测值与正常值（初始值）比对倍数为判断基础的相对判断法。

以CFI012PO为例，现场检修主轴轴承时，根据ISO2372标准，通常在设备的转速超过1000rpm、功率小于300kw的情况下，给出了滚动轴承上测点的报警线设置的参考值。

由此为了方便离心泵轴承工作转动过程中原件缺陷的产生，有必要对工作过程中的转动模式进行假定，一是滚道间的滑动接触，二是各个滚动体的直径一致并均匀地分布于内滚道和外滚道间，三是径向和轴向受载过程中各个部位不发生变形。

假设外圈的转动频值是，内圈的转动频值是，外部保持架转动频值是，内轴承节外径是，滚动体直径是，滚轴接触角是。对滚动轴承进行动态力学应力分析可得出滚动体在内外圈滚道中的运动频率值和滚动体与外部保持架之间的相对回转频率值。按照公式得出相应的数据：

滚动体与内环接触点的速度为

                       (2-1)

滚动体与外环接触点的速度为

                       (2-2)

滚动体的速度为

                              (2-3)

由此可得出

        (2-4)

单个滚动体通过外圈滚道的频率是指保持架与外圈之间回转的频率，它可以通过上式求得，即可得出

              (2-5)

由此得出，单个滚动体在内圈滚道上的频率值是

               (2-6)

根据上式可求出滚动体与外部保持架之间的回转频率值，即自转频率

                      (2-7)

根据以上公式可得出故障激励的基频定值，但从计算结果及模拟响应分析来看，具体试验时应注意下列情况：

（1）滚珠或滚轴经故障测试所反馈出的是周期冲击并不是一次段谐波，而是扩展式的渐减到无穷大付氏级数在振动频谱图中表现为谐波族离散谱线，谐波族有一定的结构形式。

（2）不同故障谐波族衰减速度并不不同，平缓故障谐波族衰减要快于尖锐故障，从频谱图中可以分辨出故障本质；

（3）相同元件同类型的故障，因接触面损伤程度不同会使部分频率分量值发生不同的变化，且该频率不一定等于故障的个数乘以故障频率值。

3、结论

因此不同轴承都有其特有故障特征频率，采用快速频谱分析方法并与状态跟踪相结合等可以及时发现轴承并能够排除故障，所以对于离心泵来说与轴承振动频谱图相结合解决振动超标也起到决定性作用。

参考文献：

[1] 陈立德. 机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2003．

[2] 陈祥科，左晓燕. 轴承润滑剂的选择[J]. 设备管理与维修，

1993（7）：180-182．

[3]廖伯瑜. 机械故障诊断基础. 北京冶金工业出版社，1994.

[4]陈进. 机械设备振动监测及故障诊断. 上海上海交通大学出版社.