摘要：线材高速轧机润滑系统进水是一个普遍性的问题，本文就润滑系统大量进水之后产生对润滑油质与传动设备运转带来的影响作了理论与实验的分析研究，同时就此引起的滚动轴承失效特征与形式进行了分析，最后就如何在润滑系统大量进水之后通过状态诊断来判断轴承运行状态进行了研究与探讨。目的在于通过轴承振动诊断方法与油液极压性能分析相结合，来确定润滑油大量进水后高速线材轧机的运转状态与润滑油质间的关联，对实际生产与设备维护起指导性意义。
关键词：弹性流体动力润滑，最小油膜厚度，四球磨斑，ENTEK峰值能量法
一、 引言
根据统计一般滚动轴承失效主要有以下原因：
显然，轴承的润滑质量是轴承寿命得以保证的最基本要素。这是由于滚动轴承各元件承受负荷的面积很小，单位表面压力很大，所以要选择合适的润滑油来防止润滑油膜的断裂。同时轴承运转中滚动体与滚道、保持架之间，保持架与内外圈之间均存在滑动摩擦，这类滑动摩擦随速度与负荷的增加而增大。为了减少摩擦与磨损，滚动轴承工作时各元件之间必须有良好的润滑油膜，利用润滑油膜来隔离各元件的接触表面，防止产生金属与金属的直接接触。润滑油还具有防止锈蚀、带走运转中产生多余的热量，减少各元件的磨损量等功能。
滚动轴承润滑油膜的最小厚度与影响最小油膜厚度形成的原因是关系到轴承润滑状况、运转状态及轴承使用寿命的关键问题。在高速线材轧机中，润滑系统进水问题是影响传动设备正常寿命的要素，润滑油含水量过多后会对滚动轴承产生什么后果？这是本文第一个要探讨的问题。当轴承由于润滑油的原因产生失效，如何在失效的最初阶段通过有效的手段来发现，它们二者之间又有什么联系呢？这也是本文所要探讨的另一个问题。
二、 润滑油膜的最小厚度与形成要素：
轴承运转过程中润滑油膜产生于滚动摩擦与滑动摩擦发生的接触表面，根据弹性流体动力润滑理论（EHD），在轴承滚动体与滚道接触表面间，由于承载两者都会产生一定量的弹性变形，位于边部的滑动摩擦区所承受的压力要远小于位于中间的滚动摩擦区产生弹性变形处所承受的压力。最小油膜厚度指的也就是产生弹性变形区起点处的油膜厚度。对于点接触承载的轴承，例如角接触球轴承、深沟球轴承等可以利用Hamrock and Dowson公式计算其最小油膜厚度。对于线接触承载的轴承，例如圆柱滚子轴承等可以利用 Dowson公式计算其最小油膜厚度。
从式1、2中可以看出动力粘度η0、线速度V、压粘系数α对最小润滑油膜厚度的影响最大，而载荷Q对其影响相对较小。在载荷与轴承运转线速度这两个客观条件不便的情况下，显然动力粘度η0、压粘系数α将是影响油膜厚度的主要要素。
三、 理论分析最小油膜厚度受进水影响的变化趋势：
宝钢线材高速轧机润滑系统C使用的是BP MG88润滑油，其运动粘度近似为88 m m2/s。以宝钢高线检测到的润滑油含水量历史最高记录为例，见下表。
四、 利用实验直观地说明润滑油性能的变化：
如果通过有效的润滑油性能实验，可以很明显地发现进水后油品极压性能的变化。我们利用了四球磨斑测定方法来测定一定压力下球体表面磨损痕迹的直径，这也可以直接反映轴承受载时润滑油膜是否形成良好，是否起到了润滑保护作用。实验数据如下表。
从以上实验数据中可以发现：
1）、含水量0.1-0.5%时油膜轴承油的四球磨斑直径都在0.44-0.45mm，属于正常范围。
2）、含水量达到0.75%以上之后四球磨斑直径立刻产生快速增大，此时润滑油的极压性能受到含水量的影响，磨斑直径已经超出许可值。
3）、在含水量过高的情况下，油膜已经无法形成，此时将对轴承的使用寿命造成威胁，高速受载工况下轴承将会在短期内产生失效。
五、 润滑油大量进水引起滚动轴承失效的形式：
当润滑油大量进水以后最有可能的是产生两种轴承失效的形态，其一为金属表层疲劳点蚀（Tipping）,其二为金属表层锈蚀（Corrosing）。
1）、润滑油进水产生的金属表层疲劳点蚀（Tipping）：
轴承稳定运转所需的最小油膜厚度与油膜强度在润滑油大量进水后将会产生严重破坏，其危害性已经在前面章节通过理论公式推算与实际四球磨斑实验进行了表述。从实际轴承失效的外观形式来看也较有代表性，如(图1)所示，轴承外圈滚道表面疲劳点蚀形貌特征。
当润滑油大量进水之后，滚动轴承高速运转状态时有可能出现这样的状况：轴承各接触部件之间润滑油膜虽然形成，由于润滑油中有较多游离水分子存在，不可避免地使润滑油膜厚度无法达到所需最小油膜厚度，同时较多游离水分子存在又使润滑油膜强度下降。首先在轴承运转启动停止的瞬间产生的边界润滑状态时容易引起摩擦副表面个别接触区处于干摩擦状态。其次在负载的极压状态下，摩擦副间温度上升很快，润滑油膜强度不足被外载荷压溃，轴承滚动体与内外圈滚道表面产生干摩擦状态，这时最容易出现金属接触表面的疲劳失效。
2）、润滑油进水产生的锈蚀失效（Corrosing）：
润滑油大量进水之后，产生了许多游离的水分子，使得油液外观已经呈乳白色，在这种状态下如果设备有一段时间处于停机状态，极有可能造成滚动轴承的锈蚀失效。这种锈蚀失效斑迹会出现在轴承的内外圈滚道与轴承滚动体的接触区域，见下面（图2）所示。
从以上照片中可以看出轴承滚动体上的斑迹是水曾经停留在此处产生的斑点，并且在较浅与较深的斑迹上均有发绣的颜色。轴承产生锈蚀的主要原因可以归纳成以下两点：
●润滑油中一旦有较多游离水存在传动原件就有被锈蚀的可能。润滑油中的水分子受热蒸发，当遇到温度较低的箱体或其它传动部件会到达露点形成水珠，如果此时设备停转水珠是会停留在轴承内外圈滚道上对相互接触的轴承内外圈滚道与滚动体产生锈蚀作用。
六、 润滑系统大量进水后滚动轴承使用状态的诊断：
以上各段阐述了由于润滑油大量进水导致滚动轴承失效的原因与结果，但在实际情况中此时产生的轴承失效也是属于失效的早期阶段，在这个阶段设备高速运转时并不会表现出异常的声音、温度上升、剧烈振动等人的五官触觉所能感知的不良状况。笔者的实际经验表明，此时利用运转时轴承缺陷产生的高频振动（大约5000HZ-10000HZ），通过冲击峰值能量（g，SE）、冲击脉冲（SPM）、高频加速度（HFD）等针对轴承诊断有效的高频振动检测方法能够在轴承失效的初级阶段发现问题，并进行跟踪在其缺陷扩展到一定阶段时进行维修。
1）、滚动轴承失效过程中的振动特征：
滚动轴承在产生失效的过程中将会表现出不同的振动特征，用这些特征可以将滚动轴承的失效分为四个阶段。
●阶段一：最早的滚动轴承失效引起的振动会出现在35KHZ-250KHZ的超高频范围内，而后随着磨损的增加下降到大约20KHZ-60KHZ，这时使用上述高频振动检测方法可以发现。
●阶段二：轻微的轴承故障开始“ 敲击”出轴承元件的固有频率段，一般 在500～2KHz范围内； 本阶段后期表现为在固有频率附近出现边频。
●阶段三：轴承出现磨损故障频率和谐波出现；磨损发展时出现更多故障频率谐波，并且边带数目增多，振动尖 峰能量值继续增大。这时轴承的缺陷已经扩展到轴承外围，能够在解体时显见，尤其当伴有轴承缺陷频率的谐波边带已经很好的成型时就要更换轴承。
●阶段四：这一阶段甚至影响轴自转1X分量，并引起其它倍频分量2X、3X等的增大。轴承故障频率和固有频率开始“消失”被随机振动或噪音代替，高频量和尖峰能量值很大，振动速度与振动位移值也会逐渐增大，这时利用日常的五官点检可能已经能够发现轴承异常，同时在这一阶段对于高转速的精轧机组、减定径机组可能已经不能适应3000CPM以上的轴自转频率，对生产稳定构成威胁。
如果利用高频振动分析的手段，在阶段三之前发现轴承的缺陷将对生产与设备维护具有实际意义。
2）、ENETK峰值能量法简介：
峰值能量常被描述为那种很短的脉冲，比如：有滚动元件上的小坑在运动过程中产生的冲击能量。峰值能量是反映瞬间的重复机械冲击产生的能量强度。峰值能量测试利用加速度传感器检测高频范围的振动能量。机械冲击会激发加速度传感器的固有频率、机械部件和结构在高频范围内的固有频率。而这些固有频率担当载波信号，轴承的缺陷频率调制这些固有频率。通过对加速度传感器采集的信号进行特有的滤波和检测电路处理，计算出轴承缺陷信号的峰值能量，这种检测信号的幅值单位为”gSE”。 以下就是利用冲击峰值能量（g，SE）方法诊断发现由于润滑系统大量进水引发滚动轴承失效的实例。
3）、利用冲击峰值能量诊断润滑油进水引起滚动轴承失效实例：
●正常与缺陷轴承冲击峰值能量对比：
当滚动轴承在正常运转状态与故障缺陷运转状态下，其冲击峰值能量将会产生巨大的变化，表现为通频能量增加同时各特征频率与其边频倍频极为丰富，其运转状态前后对比非常明显，也就是说冲击峰值能量将滚动轴承早期的故障信号表现得显而易见。（图4）为精轧机组某一滚动轴承从正常使用状态进入故障运转阶段全过程的冲击峰值能量频谱变化过程。
[center]（图4）某滚动轴承从正常使用状态进入故障运转阶段全过程的冲击峰值能量频谱变化过程[/center]
图四中X坐标是频率值，Y坐标是时间，Z坐标是振动能量值，可以明显看出此滚动轴承正常阶段与故障阶段的各频率段振动能量的变化状况。在故障阶段轴承不同频段的能量尖峰十分丰富，随着时间的延续仍有增长的趋势。
●峰值能量谱的分析：
在发现了以上此轴承峰值能量幅值出现了增长的同时，可以进一步利用经过快速傅立叶变化（FFT）后的峰值能量谱来进行振动量的频域分析，通过轴承各零部件的缺陷特征频率来确定轴承缺陷症结所在。
从峰值能量谱中可以看见，轴承内圈、保持架故障特征频率已经明显形成，同时在轴承缺陷的影响下，轴自转的一倍频处峰值能量也被放大，这种状态下已经可以基本确定轴承缺陷所在（此失效轴承即为前面图二实际照片所示圆柱滚子轴承）。所以说峰值能量法在发现与诊断轴承早期的故障是一种极有力的手段。
七、 结论：
通过从线材高速轧机润滑系统大量进水后润滑油性能产生的变化、润滑油引起轴承失效原因的分析、进水后轴承失效形式的分析及这种情况下如何利用振动诊断方法在轴承失效初级阶段发现问题所在，这四方面内容进行的分析与研究可以得出以下结论与对策。
1） 弹性流体动力润滑理论（EHD），通过对轴承润滑所需最小油膜厚度的分析讨论，可以发现对于线材高速轧机使用的油膜轴承油，进水后润滑油的密度被水稀释使得润滑油动力粘度η0减小，使最小油膜厚度变小。
2） 据润滑油不同含水量时其四球磨斑实验的结果可以发现，对于线材高速轧机使用的油膜轴承油当含水量超过0.5%时将使轴承产生失效的机率大增，如果含水量超过1%时极有可能在短期内即产生滚动轴承失效。
3） 滑油大量进水后引起轴承失效的形式有表面疲劳点蚀与锈蚀，其中点蚀是由于润滑油膜厚度形成与润滑油极压性能下降引起的，而锈蚀是由于润滑油中的游离水引起的，在这种状态下如果机械设备有一段时间的待机停转将会使锈蚀情况更加严重。
4） 润滑油大量进水后可以利用振动诊断的方法来监护与检查滚动轴承的使用状况，其中针对轴承运转振动状况检测十分有效的手段包括冲击峰值能量（g，SE）、冲击脉冲（SPM）、高频加速度（HFD）等高频振动检测方法，可以在滚动轴承产生失效的第三阶段之前发现轴承缺陷所在，对现场设备运转状态掌握与维修时间确定有实际意义。
参考文献
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FAG OEM UND Handel AG Publ.No.WL81 115/4EA
[7] Concentrated Vibration Signature Analysis And Related Condition Monitoring Techniques
Authored By Mr.James E.Berry,P.E of Technical Associates Of Charlotte,Inc.
作者简介：
余良栋，男，1971年生，高级工程师，毕业于华东冶金学院冶金机械专业，现在宝钢股份从事线材机械技术管理工作。
