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跑圈产生转频冲击及三四倍频最高的解释

2020-06-05 14:53:01


 转载mirook聊振动
       皮皮猫说我应该把三四倍频的解释正式发一下。三四倍频好解释,是因为跑圈是转频冲击。但为什么轴承跑圈(外圈和轴承座之间松动或者内圈和轴之间松动)会产生转频冲击解释起来要复杂一些,这个之前和滕老师聊过,今天就试着写写。

这个是完全原创了,是不是可以发到那个杂志啥的?


 
一 、 概念介绍
首先大家对轴承都很了解了。

 

一般的正常轴承,都是内圈和轴过盈配合,和轴一起旋转。外圈和轴承座过盈配合,不旋转。滚动体和内外圈接触,类似行星轮一样边自转边公转,和内外圈之间只有相对滚动,没有滑动。

实际情况当然更复杂,参见皮皮猫的文章,有负载区和非负载区,轴承负载过轻会打滑摩擦,这些就不说了。
正常情况各部件之间(包括滚动体和内外圈之间)没有松动,就没有间隙,可以认为相互都是刚性连接的,只有受压变形。
二、受力分析
下面看看松动时的示意图。AB是产生间隙的两个面,可以是轴承座内侧A和外圈外侧B,或者是内圈内侧A和轴表面B,都一样的。我们把轴承和与它正常刚性连接的部件一起看做一个整体。当然作为示意图这个间隙画的很大,是为了方便示意。里边的细线小圈是离心力旋转到各个角度的示意。
 
然后我们看看B的受力,它本身产生两个力,一是重力,始终向下(我认为立式设备跑圈没有转频冲击现象,也就没有转频谐波,除非转子也受一个径向的固定载荷,这条可以作为我这个解释的验证试验,大家可以找找案例)。二是不平衡产生的离心力(方便理解,就不要较真了),是360°不断旋转的。A面给他的支撑力,这个是被动的,我们不讨论。
三、 运动分析
大家看图上示意的两个力,想想在这种情况下,B会怎么运动?
首先这两个力的大小比例,我们选择平衡试重的时候按产生的离心力等于转子重量的十分之一计算,所以一般设备的不平衡力大概也在这个数量级,离心力大于甚至接近重力的情况我们就不用讨论了。
我们假设转子顺时针旋转,在旋转的过程中,离心力方向下的时候,B肯定在最下边,和A接触;离心力转到向左,B相应的向左向上偏,与A保持接触;离心力向上时,由于它比重力小很多,B是到不了最顶上的,还在左侧某个角度;离心力开始向右偏以后,就会把B往右拉开,脱离A,并在右侧某个位置落下,重新与A接触,产生一次撞击,然后在右侧保持接触,转到下边。每转一周重复这个过程,产生一次冲击,这就是转频冲击的来源。
至于具体的撞击角度,和转速,不平衡量与转子重量的关系,摩擦力等有关,教授们可以试着算算。现场可以通过测量轴承座的运动轨迹间接看一下这个冲击的方向。希望各位有机会的时候测下来发给我。
四、结论
转频冲击,其频谱就是转频的谐波,这些谐波会在部件的固有频率附近被放大。
书上写的,或者现场观察到的经常是转频的三四倍频更大,只能说明常见设备的部件固有频率(轴承座、外环、内环等)和设备的转速的关系正好符合了这个比例,观察更多不同转速,不同型号大小的设备,这个幅值较大的谐波出现在其他倍频完全是意料之中的。(我爬的第一台风力发电机,是主轴外圈故障的冲击,3.1hz左右,有无数谐波,幅值最大的区域在七八十赫兹)
所以诊断轴承是否出现了跑圈,不要去死记硬背书上的或者专家们告诉你的秘诀‘四倍频大是什么,三倍频大是什么’。应该是看的转频谐波,不是一倍频最大而是随倍频升高逐渐变大,大于某个倍频以后又变小,就可以怀疑跑圈,当然最好直接看看加速度波形,找到转频冲击就可以下结论了。
五、外圈旋转?
那么跑外圈的话,外圈会以某个固定的转速转吗?
要匀速的转起来,滚动体反作用到外圈的滚动摩擦力要大于比外圈与轴承座之间的摩擦力,可能性不大。从以上受力分析看,外圈和轴承座之间会有相对位移,但应该是每圈顿挫一下的移动方式。
如果外圈持续的旋转了,说明松的特别严重,而且这个轴承要不承受什么载荷,否则转子的重量把外圈压在轴承座上,摩擦力不会小的。这种情况和滑动轴承差不多,估计也没有转频的冲击了。
内圈松动时和轴之间的相对运动也一样。