這個單元要來探討的主題是:「轉動機械 」 (rotary machinery ) / 「轉子系統 」 (rotor system ) 的「頻率 」 (frequency ) 有哪些? (3) 甚麼是「軸承缺陷頻率 」 (bearing defective frequency ) ?
這是這個系列的第 3 篇 ,著重在介紹常見的「軸承缺陷頻率 」(bearing defective frequency ) 。
參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「轉子系統 」示意圖,主要的組成,包括:(1) 「馬達 」(motor ) 驅動源(driving unit ) ,(2) 機械式聯軸器(mechanical coupling ) 的連接機構(connection unit ) ,以及(3) 軸(shaft ) 的被動元件(driven unit ) ,兩端各有一個滾動軸承(rolling element bearing ) 。
首先就來看甚麼是「軸承 」(bearing ) ?可以概分為兩大類型:
1. 「滾動軸承 」(Rolling element bearing ) :依照滾動元件的幾何形狀,又可區分為:(1) 「滾珠軸承 」(Ball bearing ) 。(2) 「滾子 / 滾柱軸承 」(Roller bearing ) 。
2. 「滑動軸承 」(Journal bearing ) :也有多種通用的名稱,如「平軸承 」(Plain bearing ) 、「套筒軸承 」(Sleeve bearing ) ,由於是以油膜隔離轉軸與套筒之間的潤滑與摩擦,因此,廣泛稱為「油膜軸承 」(Fluid film bearing ) 。
本單元討論的「軸承缺陷頻率 」(bearing defective frequency ) ,主要是「滾動軸承 」(Rolling element bearing ) 。參閱圖片中間上方圖示,就是典型的「滾動軸承 」組成示意圖,包括:
1. 「外圈 / 外環 」(Outer-ring ) :通常「外圈 / 外環 」是以緊配合、固定於軸承座上,因此,「外圈 / 外環 」是固定不動的。
2. 「內圈 / 內環 」(Inner-ring ) :一般來說,「內圈 / 內環 」會和轉軸,以緊配合方式組裝,轉軸旋轉,會帶動「內圈 / 內環 」一起同步旋轉。不過,除了是「外圈 / 外環 」固定,「內圈 / 內環 」旋轉的方式之外,也有「內圈 / 內環 」固定,而是「外圈 / 外環 」旋轉的方式。
3. 「滾珠 / 滾子 」(Ball / Roller ) :依照滾動元件(rolling element ) 的幾何形狀,就可以區分為:(1) 「滾珠 」(Ball ) 。(2) 「滾子 / 滾柱 」(Roller ) 。
4. 「保持架 」(Cage / Fundamental Train ) :主要功能是在框限「滾珠 / 滾子 」的移動,確保「滾珠 / 滾子 」可以順利地隨著轉軸的旋轉、而滾動。
「軸承缺陷頻率 」(bearing defective frequency ) ,或是更完整的說,「滾動軸承缺陷頻率 」(Rolling bearing defective frequency ) ,會有4 個「軸承缺陷頻率 」,簡稱如下:
1.
BPFO
2.
BPFI
3.
BSF
4.
FTF
首先,看BPFO 「滾珠外圈 / 外環通過頻率 」(B all P ass
F requency of O uter-ring,
BPFO ) ,參閱圖片右上方的「外圈 / 外環 」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:
1. 如果「外圈 / 外環 」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現BPFO 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,或簡稱為「諧頻 」、也有人稱「諧波 」。
2. 甚麼是「簡諧倍頻 」(harmonics ) ?當一個信號的「時間波形 」(time waveform ) ,有「週期的 」(periodic ) 、「重複的 」(repeated ) 的特徵,此信號經過FFT 「外速傅立葉轉換 」(fast Fourier transform, FFT ) ,所得到的頻譜 (spectrum ) ,會出現該「週期 」所對應的「頻率 」,在「外圈 / 外環 」有損傷時,此「週期 」對應的「頻率 」就是BPFO 。因為是「週期的 」、「重複的 」時間波形,其頻譜就會有BPFO 的倍數頻率,如:2xBPFO 、3xBPFO 、4xBPFO 等,所以稱為「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,可簡稱「諧頻 」、或「諧波 」。
3. 又,因為「外圈 / 外環 」是以緊配合、固定於軸承座上,不會旋轉。當「外圈 / 外環 」有損傷時,「滾珠 / 滾子 」的旋轉、移動,通過「外圈 / 外環 」的損傷位置,會產生撞擊波。此撞擊波的「時間波形 」特徵,是對應於BPFO 「頻率 」的「週期 」,而且撞擊波的大小量值,大約相同。所以,「外圈 / 外環 」損傷時之「頻譜 」,就會有BPFO 「頻率 」的「簡諧倍頻 」(harmonics ) 。
其次,看BPFI 「滾珠內圈 / 內環通過頻率 」(B all P ass
F requency of I nner-ring,
BPFI ) ,參閱圖片右邊中間的「內圈 / 內環 」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:
1. 如果「內圈 / 內環 」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現BPFI 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,並且有1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) ,如圖示的紅色峰值頻率。
2. 會產生BPFI 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,是因為「滾珠 / 滾子 」的旋轉、移動,通過「內圈 / 內環 」的損傷位置,會產生撞擊波。此撞擊波的「時間波形 」特徵,是對應於BPFI 「頻率 」的「週期 」。所以,「內圈 / 內環 」損傷時之「頻譜 」,就會有BPFI 「頻率 」的「簡諧倍頻 」(harmonics ) 。
3. 會有1X 「1 倍轉速頻率 」的「邊帶 」(side bands ) ,是因為在「內圈 / 內環 」的損傷,會隨著轉軸旋轉,當「內圈 / 內環 」的損傷在轉軸的下部6 點鐘位置,由於轉軸有最大負荷,作用在損傷位置,因此,撞擊波會有較大的量值。當「內圈 / 內環 」的損傷位置,隨著轉軸順時鐘旋轉到7 點鐘、8 點鐘位置,此撞擊波的響應會逐漸變小。當「內圈 / 內環 」的損傷位置,旋轉到轉軸的正上方12 點鐘位置,這時轉軸負荷作用在「內圈 / 內環 」的損傷位置,作用力最小,所以,撞擊波的量值最小。隨著轉軸再旋轉到1 點鐘、2 點鐘位置,此撞擊波的響應會逐漸變大。當「內圈 / 內環 」的損傷位置,旋轉到轉軸的正下方6 點鐘位置,撞擊波又會有最大的量值。於此週而復始的循環,形成了「時間波形 」的AM 「振幅調制 」(amplitude modulation, AM ) 效應。
4. 已知「時間波形 」的AM 「振幅調制 」效應,其Fmod 「調制頻率 」(modulated frequency ) ,在「內圈 / 內環 」的損傷,就會是Fmod =1X 。AM 「振幅調制 」所對應的「頻譜 」,就會形成1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) 。
接著,看BSF 「滾珠旋轉頻率 」(B all S pin
F requency, BSF ) ,參閱圖片右邊下方的「滾珠 / 滾子 」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:
1. 如果「滾珠 / 滾子 」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現BSF 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,並且有FTF 「保持架旋轉頻率 」(F undamental T rain
F requency, FTF /Cage Frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) ,如圖示的橘色峰值頻率。
2. 此FTF 「保持架旋轉頻率 」的「邊帶 」(side bands ) ,就是如同「內圈 / 內環 」有損傷時,BPFI 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,以及1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) 。也是「時間波形 」的AM 「振幅調制 」(amplitude modulation, AM ) 效應,所以,「滾珠 / 滾子 」有損傷時,對應的「頻譜 」,在BSF 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) 的兩側,就會形成FTF 「保持架旋轉頻率 」的「邊帶 」(side bands ) 。
最後,看FTF 「保持架旋轉頻率 」(F undamental T rain
F requency, FTF /Cage Frequency ) ,參閱圖片右邊下方的「保持架 」損傷時之頻譜示意圖,說明如下:
1. 如果「保持架 」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現FTF 「保持架旋轉頻率 」會是小於1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 。
2. 「保持架 」是會隨著「滾珠 / 滾子 」旋轉而運動,也是隨著旋轉,但是,FTF 「保持架旋轉頻率 」會低於1X 「1 倍轉速頻率 」。當「保持架 」有損傷時,就會出現FTF 的撞擊頻率。
綜合一下這個單元的討論:甚麼是「軸承缺陷頻率 」(bearing defective frequency ) ?實際上,指的是「滾動軸承缺陷頻率 」(Rolling bearing defective frequency ) ,會有4 個「軸承缺陷頻率 」,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現的頻譜特徵,總結如下:
1. BPFO 「滾珠外圈 / 外環通過頻率 」(B all P ass
F requency of O uter-ring,
BPFO ) :如果「外圈 / 外環 」有損傷時,「頻譜 」(spectrum ) 會出現BPFO 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,或簡稱為「諧頻 」、也有人稱「諧波 」。
2. BPFI 「滾珠內圈 / 內環通過頻率 」(B all P ass
F requency of I nner-ring,
BPFI ) :如果「內圈 / 內環 」有損傷時,「頻譜 」(spectrum ) 會出現BPFI 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,並且有1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) ,如圖示的紅色峰值頻率。
3. BSF 「滾珠旋轉頻率 」(B all S pin
F requency, BSF ) :如果「滾珠 / 滾子 」有損傷時,「頻譜 」(spectrum ) 會出現BSF 頻率的「簡諧倍頻 」(harmonics ) ,並且有FTF 「保持架旋轉頻率 」(F undamental T rain
F requency, FTF /Cage Frequency ) 的「邊帶 」(side bands ) 。
4. FTF 「保持架旋轉頻率 」(F undamental T rain
F requency, FTF /Cage Frequency ) :如果「保持架 」有損傷時,在軸承座上量測到的「頻譜 」(spectrum ) ,會出現FTF 「保持架旋轉頻率 」會是小於1X 「1 倍轉速頻率 」(rotating frequency ) 。
以上個人看法,請多指教!
王栢村
2025.08.21
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