摘要：線材高速軋機潤滑系統進水是一個普遍性的問題，本文就潤滑系統大量進水之后產生對潤滑油質與傳動設備運轉帶來的影響作了理論與實驗的分析研究，同時就此引起的滾動軸承失效特征與形式進行了分析，最后就如何在潤滑系統大量進水之后通過狀態診斷來判斷軸承運行狀態進行了研究與探討。目的在于通過軸承振動診斷方法與油液極壓性能分析相結合，來確定潤滑油大量進水后高速線材軋機的運轉狀態與潤滑油質間的關聯，對實際生產與設備維護起指導性意義。
關鍵詞：彈性流體動力潤滑，最小油膜厚度，四球磨斑，ENTEK峰值能量法
一、 引言
根據統計一般滾動軸承失效主要有以下原因：
顯然，軸承的潤滑質量是軸承壽命得以保證的最基本要素。這是由于滾動軸承各元件承受負荷的面積很小，單位表面壓力很大，所以要選擇合適的潤滑油來防止潤滑油膜的斷裂。同時軸承運轉中滾動體與滾道、保持架之間，保持架與內外圈之間均存在滑動摩擦，這類滑動摩擦隨速度與負荷的增加而增大。為了減少摩擦與磨損，滾動軸承工作時各元件之間必須有良好的潤滑油膜，利用潤滑油膜來隔離各元件的接觸表面，防止產生金屬與金屬的直接接觸。潤滑油還具有防止銹蝕、帶走運轉中產生多余的熱量，減少各元件的磨損量等功能。
滾動軸承潤滑油膜的最小厚度與影響最小油膜厚度形成的原因是關系到軸承潤滑狀況、運轉狀態及軸承使用壽命的關鍵問題。在高速線材軋機中，潤滑系統進水問題是影響傳動設備正常壽命的要素，潤滑油含水量過多后會對滾動軸承產生什么后果？這是本文第一個要探討的問題。當軸承由于潤滑油的原因產生失效，如何在失效的最初階段通過有效的手段來發現，它們二者之間又有什么聯系呢？這也是本文所要探討的另一個問題。
二、 潤滑油膜的最小厚度與形成要素：
軸承運轉過程中潤滑油膜產生于滾動摩擦與滑動摩擦發生的接觸表面，根據彈性流體動力潤滑理論（EHD），在軸承滾動體與滾道接觸表面間，由于承載兩者都會產生一定量的彈性變形，位于邊部的滑動摩擦區所承受的壓力要遠小于位于中間的滾動摩擦區產生彈性變形處所承受的壓力。最小油膜厚度指的也就是產生彈性變形區起點處的油膜厚度。對于點接觸承載的軸承，例如角接觸球軸承、深溝球軸承等可以利用Hamrock and Dowson公式計算其最小油膜厚度。對于線接觸承載的軸承，例如圓柱滾子軸承等可以利用 Dowson公式計算其最小油膜厚度。
從式1、2中可以看出動力粘度η0、線速度V、壓粘系數α對最小潤滑油膜厚度的影響最大，而載荷Q對其影響相對較小。在載荷與軸承運轉線速度這兩個客觀條件不便的情況下，顯然動力粘度η0、壓粘系數α將是影響油膜厚度的主要要素。
三、 理論分析最小油膜厚度受進水影響的變化趨勢：
寶鋼線材高速軋機潤滑系統C使用的是BP MG88潤滑油，其運動粘度近似為88 m m2/s。以寶鋼高線檢測到的潤滑油含水量歷史最高記錄為例，見下表。
四、 利用實驗直觀地說明潤滑油性能的變化：
如果通過有效的潤滑油性能實驗，可以很明顯地發現進水后油品極壓性能的變化。我們利用了四球磨斑測定方法來測定一定壓力下球體表面磨損痕跡的直徑，這也可以直接反映軸承受載時潤滑油膜是否形成良好，是否起到了潤滑保護作用。實驗數據如下表。
從以上實驗數據中可以發現：
1）、含水量0.1-0.5%時油膜軸承油的四球磨斑直徑都在0.44-0.45mm，屬于正常范圍。
2）、含水量達到0.75%以上之后四球磨斑直徑立刻產生快速增大，此時潤滑油的極壓性能受到含水量的影響，磨斑直徑已經超出許可值。
3）、在含水量過高的情況下，油膜已經無法形成，此時將對軸承的使用壽命造成威脅，高速受載工況下軸承將會在短期內產生失效。
五、 潤滑油大量進水引起滾動軸承失效的形式：
當潤滑油大量進水以后最有可能的是產生兩種軸承失效的形態，其一為金屬表層疲勞點蝕（Tipping）,其二為金屬表層銹蝕（Corrosing）。
1）、潤滑油進水產生的金屬表層疲勞點蝕（Tipping）：
軸承穩定運轉所需的最小油膜厚度與油膜強度在潤滑油大量進水后將會產生嚴重破壞，其危害性已經在前面章節通過理論公式推算與實際四球磨斑實驗進行了表述。從實際軸承失效的外觀形式來看也較有代表性，如(圖1)所示，軸承外圈滾道表面疲勞點蝕形貌特征。
當潤滑油大量進水之后，滾動軸承高速運轉狀態時有可能出現這樣的狀況：軸承各接觸部件之間潤滑油膜雖然形成，由于潤滑油中有較多游離水分子存在，不可避免地使潤滑油膜厚度無法達到所需最小油膜厚度，同時較多游離水分子存在又使潤滑油膜強度下降。首先在軸承運轉啟動停止的瞬間產生的邊界潤滑狀態時容易引起摩擦副表面個別接觸區處于干摩擦狀態。其次在負載的極壓狀態下，摩擦副間溫度上升很快，潤滑油膜強度不足被外載荷壓潰，軸承滾動體與內外圈滾道表面產生干摩擦狀態，這時最容易出現金屬接觸表面的疲勞失效。
2）、潤滑油進水產生的銹蝕失效（Corrosing）：
潤滑油大量進水之后，產生了許多游離的水分子，使得油液外觀已經呈乳白色，在這種狀態下如果設備有一段時間處于停機狀態，極有可能造成滾動軸承的銹蝕失效。這種銹蝕失效斑跡會出現在軸承的內外圈滾道與軸承滾動體的接觸區域，見下面（圖2）所示。
從以上照片中可以看出軸承滾動體上的斑跡是水曾經停留在此處產生的斑點，并且在較淺與較深的斑跡上均有發繡的顏色。軸承產生銹蝕的主要原因可以歸納成以下兩點：
●潤滑油中一旦有較多游離水存在傳動原件就有被銹蝕的可能。潤滑油中的水分子受熱蒸發，當遇到溫度較低的箱體或其它傳動部件會到達露點形成水珠，如果此時設備停轉水珠是會停留在軸承內外圈滾道上對相互接觸的軸承內外圈滾道與滾動體產生銹蝕作用。
六、 潤滑系統大量進水后滾動軸承使用狀態的診斷：
以上各段闡述了由于潤滑油大量進水導致滾動軸承失效的原因與結果，但在實際情況中此時產生的軸承失效也是屬于失效的早期階段，在這個階段設備高速運轉時并不會表現出異常的聲音、溫度上升、劇烈振動等人的五官觸覺所能感知的不良狀況。筆者的實際經驗表明，此時利用運轉時軸承缺陷產生的高頻振動（大約5000HZ-10000HZ），通過沖擊峰值能量（g，SE）、沖擊脈沖（SPM）、高頻加速度（HFD）等針對軸承診斷有效的高頻振動檢測方法能夠在軸承失效的初級階段發現問題，并進行跟蹤在其缺陷擴展到一定階段時進行維修。
1）、滾動軸承失效過程中的振動特征：
滾動軸承在產生失效的過程中將會表現出不同的振動特征，用這些特征可以將滾動軸承的失效分為四個階段。
●階段一：最早的滾動軸承失效引起的振動會出現在35KHZ-250KHZ的超高頻范圍內，而后隨著磨損的增加下降到大約20KHZ-60KHZ，這時使用上述高頻振動檢測方法可以發現。
●階段二：輕微的軸承故障開始“ 敲擊”出軸承元件的固有頻率段，一般 在500～2KHz范圍內； 本階段后期表現為在固有頻率附近出現邊頻。
●階段三：軸承出現磨損故障頻率和諧波出現；磨損發展時出現更多故障頻率諧波，并且邊帶數目增多，振動尖 峰能量值繼續增大。這時軸承的缺陷已經擴展到軸承外圍，能夠在解體時顯見，尤其當伴有軸承缺陷頻率的諧波邊帶已經很好的成型時就要更換軸承。
●階段四：這一階段甚至影響軸自轉1X分量，并引起其它倍頻分量2X、3X等的增大。軸承故障頻率和固有頻率開始“消失”被隨機振動或噪音代替，高頻量和尖峰能量值很大，振動速度與振動位移值也會逐漸增大，這時利用日常的五官點檢可能已經能夠發現軸承異常，同時在這一階段對于高轉速的精軋機組、減定徑機組可能已經不能適應3000CPM以上的軸自轉頻率，對生產穩定構成威脅。
如果利用高頻振動分析的手段，在階段三之前發現軸承的缺陷將對生產與設備維護具有實際意義。
2）、ENETK峰值能量法簡介：
峰值能量常被描述為那種很短的脈沖，比如：有滾動元件上的小坑在運動過程中產生的沖擊能量。峰值能量是反映瞬間的重復機械沖擊產生的能量強度。峰值能量測試利用加速度傳感器檢測高頻范圍的振動能量。機械沖擊會激發加速度傳感器的固有頻率、機械部件和結構在高頻范圍內的固有頻率。而這些固有頻率擔當載波信號，軸承的缺陷頻率調制這些固有頻率。通過對加速度傳感器采集的信號進行特有的濾波和檢測電路處理，計算出軸承缺陷信號的峰值能量，這種檢測信號的幅值單位為”gSE”。 以下就是利用沖擊峰值能量（g，SE）方法診斷發現由于潤滑系統大量進水引發滾動軸承失效的實例。
3）、利用沖擊峰值能量診斷潤滑油進水引起滾動軸承失效實例：
●正常與缺陷軸承沖擊峰值能量對比：
當滾動軸承在正常運轉狀態與故障缺陷運轉狀態下，其沖擊峰值能量將會產生巨大的變化，表現為通頻能量增加同時各特征頻率與其邊頻倍頻極為豐富，其運轉狀態前后對比非常明顯，也就是說沖擊峰值能量將滾動軸承早期的故障信號表現得顯而易見。（圖4）為精軋機組某一滾動軸承從正常使用狀態進入故障運轉階段全過程的沖擊峰值能量頻譜變化過程。
[center]（圖4）某滾動軸承從正常使用狀態進入故障運轉階段全過程的沖擊峰值能量頻譜變化過程[/center]
圖四中X坐標是頻率值，Y坐標是時間，Z坐標是振動能量值，可以明顯看出此滾動軸承正常階段與故障階段的各頻率段振動能量的變化狀況。在故障階段軸承不同頻段的能量尖峰十分豐富，隨著時間的延續仍有增長的趨勢。
●峰值能量譜的分析：
在發現了以上此軸承峰值能量幅值出現了增長的同時，可以進一步利用經過快速傅立葉變化（FFT）后的峰值能量譜來進行振動量的頻域分析，通過軸承各零部件的缺陷特征頻率來確定軸承缺陷癥結所在。
從峰值能量譜中可以看見，軸承內圈、保持架故障特征頻率已經明顯形成，同時在軸承缺陷的影響下，軸自轉的一倍頻處峰值能量也被放大，這種狀態下已經可以基本確定軸承缺陷所在（此失效軸承即為前面圖二實際照片所示圓柱滾子軸承）。所以說峰值能量法在發現與診斷軸承早期的故障是一種極有力的手段。
七、 結論：
通過從線材高速軋機潤滑系統大量進水后潤滑油性能產生的變化、潤滑油引起軸承失效原因的分析、進水后軸承失效形式的分析及這種情況下如何利用振動診斷方法在軸承失效初級階段發現問題所在，這四方面內容進行的分析與研究可以得出以下結論與對策。
1） 彈性流體動力潤滑理論（EHD），通過對軸承潤滑所需最小油膜厚度的分析討論，可以發現對于線材高速軋機使用的油膜軸承油，進水后潤滑油的密度被水稀釋使得潤滑油動力粘度η0減小，使最小油膜厚度變小。
2） 據潤滑油不同含水量時其四球磨斑實驗的結果可以發現，對于線材高速軋機使用的油膜軸承油當含水量超過0.5%時將使軸承產生失效的機率大增，如果含水量超過1%時極有可能在短期內即產生滾動軸承失效。
3） 滑油大量進水后引起軸承失效的形式有表面疲勞點蝕與銹蝕，其中點蝕是由于潤滑油膜厚度形成與潤滑油極壓性能下降引起的，而銹蝕是由于潤滑油中的游離水引起的，在這種狀態下如果機械設備有一段時間的待機停轉將會使銹蝕情況更加嚴重。
4） 潤滑油大量進水后可以利用振動診斷的方法來監護與檢查滾動軸承的使用狀況，其中針對軸承運轉振動狀況檢測十分有效的手段包括沖擊峰值能量（g，SE）、沖擊脈沖（SPM）、高頻加速度（HFD）等高頻振動檢測方法，可以在滾動軸承產生失效的第三階段之前發現軸承缺陷所在，對現場設備運轉狀態掌握與維修時間確定有實際意義。
參考文獻
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[7] Concentrated Vibration Signature Analysis And Related Condition Monitoring Techniques
Authored By Mr.James E.Berry,P.E of Technical Associates Of Charlotte,Inc.
作者簡介：
余良棟，男，1971年生，高級工程師，畢業于華東冶金學院冶金機械專業，現在寶鋼股份從事線材機械技術管理工作。
