旋转机械的振动监测与诊断(二)

旋转机械的振动监测与诊断滚动轴承的振动诊断方法主要内容：1.旋转机械的振动及故障概论2.旋转机械故障的诊断信息的表达和分析3.旋转机械故障的简易诊断方法4.旋转机械故障的精密诊断及典型故障分析5.滚动轴承的振动诊断方法6.齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法7.其他分析方法简介第五节、滚动轴承的振动诊断方法5.1滚动轴承的失效与振动测定5.1.1滚动轴承的失效形式滚动轴承在运行过程中，由于装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能使轴承过早损坏。即使不出现上述情况，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的损伤形式是十分复杂的。表5-1为滚动轴承的主要损伤形式及产生原因。损伤形式损伤原因损伤特征损伤结果疲劳①轴向载荷过大②轴向载荷过大，对中不良，润滑不良③保持架的圆度误差太大④装配不当，对中不良，轴弯曲⑤轴、保持架精度不高⑥安装时冲击载荷过大，圆柱滚子轴承的装配过盈量太大①向心轴承的滚道仅一侧表面剥落②双列轴承的表面仅一侧表面剥落③滚动体及滚道接触边缘剥落④滚动体的圆周方向在对称位置上有剥落⑤滚子轴承的疾驰道和滚动体靠近端部外表面产生剥落⑥受力表面较大面积压光和微观剥落使滚动体或滚道表面产生剥落坑，并向大片剥落发展，导致轴承失效胶合①润滑不良，润滑脂过硬，启动时加速度太大②滚道面不平行，转速过高③润滑不良,装配不当,轴向载荷过大①滚道面和滚动体表面出现胶合②深沟球轴承的滚道面出现螺旋状胶合③滚子端面和挡边外出现胶合导致表面烧伤，并使金属从一个表面粘附到另一表面表5-1滚动轴承的主要损伤形式及产生原因磨损①运输中轴承受到振幅很小的摇摆运动作用②配合面间有微小间隙造成的滑动磨损③异物落入，润滑不良，对中不良，装配不当①类似静压痕②在配合面上出现红褐色磨损粉末的局部磨损③滚道面、滚动体面、凸缘面、保护架等磨损④圆锥滚子轴承挡边磨损过大损伤轴承，降低轴承运转精度腐蚀①轴承内部配合面等锈蚀②滚动面上出现模板状凸凹③表面红色或黑色的锈斑①空气中水分的凝结，腐蚀性介质侵入②电流通过产生电火花熔化③微振，装配不当表面由于电流、化学和机械作用产生损伤，丧失精度而不能继续工作破损①冲击载荷过大，装配不当，胶合发展②冲击载荷，热处理不当，装配不当，胶合发展③对中不良，装配不当，润滑不良，异常载荷，转速过快，异物进入①外环或内环产生裂纹②滚动体产生裂纹③保持架断裂导致产生裂纹，断裂，使轴承失效5.1.2滚动轴承的振动测定1.测定部位测定部位选择的基本思路是选择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上。一般讲，若轴承座是外露的，测点位置可直接选在轴承座上；若轴承座是非外露的，测点应选择在轴承座刚性较好的部分或基础上。同时，应在测点处做好标记，以保证不会由于测点部位的不同而导致测量值的差异。由于滚动轴承的振动在不同方向上反映出不同的特性，因此一般情况下都应按图5-1所示那样在水平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行检测。2.测定参数根据滚动轴承的固有特性、制造条件、使用情况的不同，它所引起的振动可能是频率为1kHz以下的低频脉动，也可能是频率为1kHz以上，数千赫乃至数十千赫的高频振动，更多的情况是同时包含了上述两种振动成分。因此，通常检测的振动速度和加速度分别覆盖了上述的两个频带，必要时可用滤波器取出需要的频率成分。如果是在较宽的频带上检测振动级，则对于要求低频振动小的轴承检测振动速度，而对于要求高频振动小的轴承检测振动加速度。3.测定周期滚动轴承的振动检测可分为：A定期检测对于定期检测，为了早期发现轴承故障，以免故障迅速发展到严重的程度，检测的周期应尽可能短一些。但如果检测周期定得过短，则在经济上可能是不合理的。因此，应综合考虑技术上的需要和经济上的合理性来确定合理的检测周期。B连续在线监测连续在线监测主要适用于重要场合或由于工况恶劣不易靠近滚动轴承的场合，以及滚动轴承加速劣化的阶段，相应的监测仪器较定期检测的仪器要复杂，成本也要高些。5.2滚动轴承的振动机理图5-2滚动轴承结构简图1—外圈2—滚动体3—内圈4—保持架12345.2.1滚动轴承振动的基本参数1.滚动轴承的结构滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。图5-2为滚动轴承的结构简图。2.滚动轴承的固有振动频率滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时的振动频率为轴承各部分的固有频率。固有振动中，外圈的振动表现最明显，计算内圈及外圈的固有振动频率时，将它们看作为矩形截面的圆环，故可用如下近似公式：222(1)()2(/2)1nnnEIgHzADnE—材料的弹性模量I—圆环中性轴截面二次矩—材料密度A—圆环的截面积D圆环中性轴直径n—变形波的节线数5.2.2滚动轴承的振动特征1.滚动轴承的振动形式引起滚动轴承振动的原因很多，除了其本身的固有振动以外还包括以下振动：图5-3滚动轴承承载状态与滚动体位置（1）轴承构造引起的振动图5-3所示的轴承，随滚动体位置不同，其承载状态也不断变化，这将导致内、外圈和滚动体产生弹性变形而引起振动。（2）滚动体的非线性伴生振动滚动轴承靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷，具有一定的弹性，其刚性很高；当轴承润滑不良时，就会出现非线性的特性，如图5-4所示，从而产生非线性振动。图5-4滚动轴承的非线性特征轴向位移推力（3）由于精加工波纹引起的振动若加工制造时，在滚道或滚动体上留有如图5-5所示的加工波纹，那么当凸起数目达到一定量值时，会产生特有的振动。(4)滚动轴承的损伤引起的振动当轴承损伤时，如图5-6所示内圈点蚀，就会引起相应的冲击振动。点蚀图5-6滚动轴承的损伤(三)滚动轴承的故障诊断方法滚动轴承的故障诊断方法振动信号分析诊断声发射诊断油液分析诊断光纤监测诊断其中，振动信号分析诊断方法最为常用。5.3.1振动信号分析诊断滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为：（1）简易诊断法简易诊断的目的是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障。（2）精密诊断法精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为是出现了故障的轴承的类别及故障原因。用于滚动轴承简易诊断的判定标准可大致分为三种：⑴绝对判定标准是用于判断实测振值是否超限的绝对量值。⑵相对判定标准是对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较，以轴承无故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断的标准。⑶类比判定标准是对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振动检测，并将振值相互比较进行判断的标准。注：绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有轴承的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准。这样才能获得准确、可靠的诊断结果。（一）振动信号简易诊断法有以下几种：A振幅值诊断法这里所说的振幅值指峰值均值（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值(有效值)。pXX诊断的。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于象表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况，也常采用峰值进行诊断。均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速较高的情况。均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随时间缓缓变化的故障诊断。B波形因数诊断法波型因数定义为峰值与均值之比。该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。/XpX/XpX如图5-7所示，当值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀，而值过小时，则有可能发生了磨损。C概率密度诊断法无故障滚动轴承的振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分散的现象。D峭度系数诊断法峭度定义为归一化的4阶中心矩，即式中44()()xxpxdx—振幅均值；—标准差。x—瞬时振幅P(x)—概率密度；x峭度系数诊断法的优点：在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。E冲击脉冲法（SPM法）冲击脉冲法（ShockPulseMethod）的原理是，滚动轴承运行中有缺陷（如疲劳剥落、裂纹、磨损和混入杂物）时，就会发生冲击，引起脉冲性振动。由于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰减性振动，因而冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。当滚动轴承无损伤或有极微小损伤时，脉冲值（dB值）很小；随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。当冲击能量达到初始值的1000倍（60dB）时，就认为该轴承的寿命已经结束。当轴承工作表面出现损伤时，所产生的实际脉冲值用表示，它与初始脉冲值之差称为标准冲击能量svdBidBNdBNdBsvdB﹣idB﹦根据值可以将轴承的工作状态分为三个区域进行诊断。NdB(二)滚动轴承故障的精密诊断法通过对滚动轴承实施简易诊断发现有故障后，应进一步对其进行精密诊断，即通过振动信号的频率分析，以判明故障的类别和原因。常用的精密诊断方法有：A低频信号分析法B中、高频信号绝对值分析法5.3.2声发射诊断当固体受到力作用时，由于内部缺陷的存在，会产生应力集中，使塑性变形加大或形成裂纹与扩展，这时均要释放弹性波。这种现象称声发射（AcousticEmission,缩写AE）。由于滚动轴承的故障信息较微弱，而背景噪声强，因此与振动信号分析法比较，用声发射法进行故障监测诊断有以下主要优点：A特征频率明显（如右图）B预报故障时间早