旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷——摩擦

來源：因聯(lián)智慧診斷微信公眾號　作者：因大師

機(jī)械摩擦有內(nèi)摩擦與干摩擦之分，今天，給大家分享的是由干摩擦引起的故障診斷。

干摩擦是指轉(zhuǎn)子與靜子之間的摩擦。這類摩擦大多數(shù)表現(xiàn)為徑向摩擦，也有少數(shù)情況下表現(xiàn)為端面摩擦，此外還有配合面之間的摩擦。徑向摩擦的例子很普遍，如轉(zhuǎn)子與密封件的摩擦，轉(zhuǎn)子與隔板的摩擦，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的摩擦，葉輪、齒輪、風(fēng)扇與機(jī)殼或護(hù)罩的摩擦等，都屬于這一類問題。另外，滾動(dòng)軸承外圈與軸承座孔，以及轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈或轉(zhuǎn)軸與其他零件（如葉輪、聯(lián)軸器等）因配合松動(dòng)而引發(fā)的摩擦，也與此類情況相似。在這種情況下，松動(dòng)是原發(fā)性故障，摩擦是引發(fā)性故障，其頻率表現(xiàn)兩者兼而有之。

1　摩擦的振動(dòng)特征

(1) 頻率特征

轉(zhuǎn)子和定子之間發(fā)生徑向摩擦，從表現(xiàn)程度上分析有兩種情況。一種是轉(zhuǎn)子在渦動(dòng)過程中與定子發(fā)生偶然的或周期性的局部碰擦；另一種是轉(zhuǎn)子與定子的接觸弧度較大，甚至發(fā)生360°的接觸摩擦。不論何種摩擦形式，在頻率上都有比較明顯的特征。

摩擦振動(dòng)屬于非線性振動(dòng)，頻帶范圍較寬，除了1x基頻外，還有2x、3x等高次諧波，以及1/2x、1/3x等低次諧波成分，如圖1所示。

圖1 摩擦的典型頻譜

在某些特殊情況下，摩擦還可能激起系統(tǒng)的固有頻率振動(dòng)。在現(xiàn)場診斷中，有時(shí)會(huì)碰到一個(gè)在不同轉(zhuǎn)速下都出現(xiàn)但又不知來歷的高頻分量，這個(gè)頻率很可能就是機(jī)器的固有頻率。

(2) 幅值變化

摩擦振動(dòng)在幅值變化上呈現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)，局部碰擦?xí)r更為突出。隨著故障擴(kuò)大，摩擦弧度增加，其時(shí)轉(zhuǎn)頻幅值反而有所下降， 2次、3次……高次諧波幅值卻有所增長，發(fā)展下去將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。

(3) 波形特征

轉(zhuǎn)子與定子之間的徑向摩擦，在時(shí)域波形上常常表現(xiàn)為削波狀態(tài)，“截頭余弦”形狀的波形常被視為摩擦故障特有的重要標(biāo)志。

2　摩擦故障的診斷方法

診斷摩擦故障除了考察頻域特征外，還要觀察各個(gè)特殊頻率的幅值變化和振動(dòng)波形特點(diǎn)，以便把它與其他故障區(qū)別開來。

3　實(shí)例分析

【實(shí)例1】 有一次，某科研單位在雙盤轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)上作振動(dòng)試驗(yàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到接近12000r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子開始發(fā)生油膜振蕩，振動(dòng)值突然升高。其在68-72Hz頻率處出現(xiàn)高幅值，并可以看到轉(zhuǎn)軸與保護(hù)架內(nèi)孔因發(fā)生強(qiáng)烈摩擦而迸發(fā)出強(qiáng)烈火花。這時(shí)振動(dòng)信號的主要頻率成分及其位移幅值時(shí)域波形和頻譜如圖2所示，各頻率所對應(yīng)的幅值見表1。

a) 振動(dòng)波形；b) 振動(dòng)頻譜

圖2 轉(zhuǎn)子強(qiáng)烈摩擦?xí)r的波形和頻譜

表1 各特征頻率幅值及其倍頻關(guān)系

從波形圖上可以看到，近似正弦波形在波峰處被“截?cái)?rdquo;，呈典型的“截頭狀”。在復(fù)雜的頻率結(jié)構(gòu)中，由于轉(zhuǎn)子強(qiáng)烈摩擦而激起的轉(zhuǎn)子多階自振頻率和轉(zhuǎn)速倍頻占據(jù)著主導(dǎo)作用。這是一個(gè)感官觀察（目視摩擦火花）與信號分析統(tǒng)一的典型的摩擦實(shí)例，對理解摩擦的本質(zhì)特征很有參考價(jià)值。

【實(shí)例2】 某廠一臺(tái)3w—1BI型高壓水泵的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為1485r/min，泵軸轉(zhuǎn)速225r/min，水泵的軸承為滑動(dòng)軸承，設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)水泵軸承的垂直方向 (V) 振動(dòng)強(qiáng)烈。其振動(dòng)信號的時(shí)域波形如圖3所示，頻譜如圖4所示。

圖3 水泵軸承垂直方向振動(dòng)波形圖

圖4 水泵軸承垂直方向振動(dòng)頻譜圖

水泵軸承垂直方向的振動(dòng)波形成單邊“截頭”狀，頻譜結(jié)構(gòu)主要是轉(zhuǎn)頻及其高次諧波，都呈典型的摩擦特征。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，該軸承由于潤滑油路堵塞而形成干摩擦。

由此可見，頻率分析結(jié)合波形觀察，是診斷摩擦故障的有效方法。