机械故障诊断技术--滚动轴承故障诊断

第七章滚动轴承故障诊断7．1滚动轴承的失效形式7．2滚动轴承的振动机理与信号特征7．3滚动轴承信号分析方法7．4滚动轴承故障诊断案例实例1宣化钢铁公司高速线材轧机26架实例2宣化钢铁公司高速线材轧机20架实例3唐山钢铁公司高速线材轧机的增速箱实例4安阳钢铁公司高速线材轧制线上吐丝机7．1滚动轴承的失效形式1.滚动轴承的磨损失效•磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式。•在滚动轴承运转中，滚动体和套圈之间均存在滑动，这些滑动会引起零件接触面的磨损。尤其在轴承中侵入金属粉末、氧化物以及其他硬质颗粒时，则形成严重的磨料磨损，使之更为加剧。•另外，由于振动和磨料的共同作用，对于处在非旋转状态的滚动轴承，会在套圈上形成与钢球节距相同的凹坑，即为摩擦腐蚀现象。•如果轴承与座孔或轴颈配合太松，在运行中引起的相对运动，又会造成轴承座孔或轴径的磨损。•当磨损量较大时，轴承便产生游隙噪声，振动增大。•2.滚动轴承的疲劳失效在滚动轴承中，滚动体或套圈滚动表面由于接触载荷的反复作用，表层因反复的弹性变形而致冷作硬化，下层的材料应力与表层出现断层状分布，导致从表面下形成细小裂纹，随着以后的持续负荷运转，裂纹逐步发展到表面，致使材料表面的裂纹相互贯通，直至金属表层产生片状或点坑状剥落。轴承的这种失效形式称为疲劳失效。随着滚动轴承的继续运转，损坏逐步增大。因为脱落的碎片被滚压在其余部分滚道上，并给那里造成局部超载荷而进一步使滚道损坏。轴承运转时，一旦发生疲劳剥落，其振动和噪声将急剧恶化。•3.滚动轴承的腐蚀失效轴承零件表面的腐蚀分三种类型。a.化学腐蚀，当水、酸等进入轴承或者使用含酸的润滑剂，都会产生这种腐蚀。b.电腐蚀，由于轴承表面间有较大电流通过使表面产生点蚀。c.微振腐蚀，为轴承套圈在机座座孔中或轴颈上的微小相对运动所至。结果使套圈表面产生红色（Fe2O3）或黑色的锈斑。轴承的腐蚀斑则是以后损坏的起点。•4.滚动轴承的塑变失效压痕主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。载荷过大时会在滚道表面形成塑性变形凹坑。另外，若装配不当，也会由于过载或撞击造成表面局部凹陷。或者由于装配敲击，而在滚道上造成压痕。•5.滚动轴承的断裂失效造成轴承零件的破断和裂纹的重要原因是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善而产生过大的热应力，也有的是由于磨削或热处理不当而导致的。•6.滚动轴承的胶合失效滑动接触的两个表面，当一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象称为胶合。对于滚动轴承，当滚动体在保持架内被卡住或者润滑不足、速度过高造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子上而形成胶合。其胶合状为螺旋形污斑状。还有的是由于安装的初间隙过小，热膨胀引起滚动体与内外圈挤压，致使在轴承的滚道中产生胶合和剥落。7．2滚动轴承的振动机理与信号特征引起滚动轴承振动的因素很多。有与部件有关的振动，也有与制造质量有关的振动，还有与轴承装配以及工作状态有关的振动。如图7－1所示，我们通过对轴承振动的剖析，找出激励特点，并通过不同的检测分析方法的研究，从振动信号中，获取振源的可靠信息，用以进行滚动轴承的故障诊断。图7－1滚动轴承振动的时域信号(a)新轴承的振动波形(b)表面劣化后的轴承振动波形•1.轴承刚度变化引起的振动当滚动轴承在恒定载荷下运转时(如图7—2)，由于其轴承和结构所决定，使系统内的载荷分布状况呈现周期性变化。如滚动体与外圈的接触点的变化，使系统的刚度参数形成周期的变化，而且是一种对称周期变化，从而使其恢复力呈现非线性的特征。由此便产生了分数谐波振动。此外，当滚动体处于载荷下非对称位置时，转轴的中心不仅有垂直方向的，而且还有水平方向的移动。这类参数的变化与运动都将引起轴承的振动，也就是随着轴的转动，滚动体通过径向载荷处即产生激振力。这样在滚动轴承运转时，由于刚度参数形成的周期变化和滚动体产生的激振力及系统存在非线性，便产生多次谐波振动并含有分谐波成分，不管滚动轴承正常与否，这种振动都要发生。图7—2滚动轴承刚度的变化•2.由滚动轴承的运动副引起的振动当轴承运转时，滚动体便在内外圈之间滚动。轴承的滚动表面虽加工得非常平滑，但从微观来看，仍高低不平，特别是材料表面产生疲劳斑剥时，高低不平的情况更为严重。滚动体在这些凹凸面上转动，则产生交变的激振力。所产生的振动，既是随机的，又含有滚动体的传输振动，其主要频率成分为滚动轴承的特征频率。滚动轴承的特征频率(即接触激发的基频)，完全可以根据轴承元件之间滚动接触的速度关系建立的方程求得。计算的特征频率值往往十分接近测量数值，所以在诊断前总是先算出这些值，作为诊断的依据。滚动轴承的特征频率（内圈旋转，外圈固定时）•1)内圈旋转频率ƒ1：Hz•2)保持架旋转频率ƒ2：•3）滚动体自转频率ƒ3：•4）保持架过内圈频率ƒ4：•5）滚动体通过内圈频率ƒ5：•6）滚动体通过外圈频率ƒ6：式中，n—内圈转速(r/min)，z—滚动体个数在故障诊断的实践中，内圈旋转频率ƒ1、滚动体通过内圈频率ƒ5、滚动体通过外圈频率ƒ6对表面缺陷有较高的敏感度，是重要的参照指标。60/1nf12)cos1(21fDdf123)cos(1cos21fDddDf1214)cos1(21fDdfff145)cos1(2fDdzzff126)cos1(2fDdzzff图7—3向心推力球轴承结构简图（内圈旋转，外圈固定）图7－4滚动轴承内缺陷所激发的振动波形•3.滚动轴承的早期缺陷所激发的振动特征滚动轴承内出现剥落等缺陷，滚动体以较高的速度从缺陷上通过时，必然激发两种性质的振动。见图7－4，第一类振动是上节所讲的以结构和运动关系为特征的振动，表现为冲击振动的周期性；第二类振动是被激发的以轴承元件固有频率的衰减振荡，表现为每一个脉冲的衰减振荡波。轴承元件的固有频率取决于本身的材料、结构形式和质量，根据某些资料介绍，轴承元件的固有频率在20K～60KHz的频率段。因此,有些轴承诊断仪，就针对这一特点进行信号分析处理，在这一频段内工作的仪表。利用低频段信号诊断轴承故障的要点轴承缺陷所激发的周期性脉冲的频率与轴承结构和运动关系相联系，处于振动信号的低频段内，在这个频段内还有轴的振动、齿轮的啮合振动等各种零件的振动。由于这些振动具有更强的能量，轴承早期缺陷所激发的微弱周期性脉冲信号往往淹没在这些强振信号中，给在线故障监测系统带来困难，但是，滚动轴承故障在低频段的特征还是可以得到的。因为滚动轴承在机器设备中的作用是支撑传动轴的旋转，所以滚动轴承故障所激发的振动必然对轴及轴上的机械零件产生影响。对于转轴上的零件为齿轮等非转子类零件的轴而言，其动不平衡量是不随时间变化的。滚动轴承影响到轴的空间定位，轴承故障将使轴的空间定位出现波动，当轴的工作状态处于非重载时，轴的转频振动幅值升高，有时还表现为转频的2X、3X…5X频率的振幅升高。这种情况往往预示着滚动轴承出现早期故障。当轴的转频振动幅值再次降低时，滚动轴承故障已进入晚期，到了必需更换的程度。7．3滚动轴承信号分析方法轴承故障信号的拾取实际上是传感器及安装部位和感应频率段的选择。传感器的安装部位往往选择轴承座部位，并按信号传动的方向选择垂直、水平、轴向布置。这里距故障信号源最近，传输损失最小，也是轴、齿轮等故障信号传输路径必经的最近位置。所以几乎所有的在线故障监测与诊断系统都选择轴承座作为传感器的安装部位。由于轴的空间位置波动，也必然影响齿轮等零件的振动。滚动轴承故障在某种条件下（如轻载、空载）也会在齿轮啮合频率的振幅升高中反映出来。因此其特征为齿轮啮合频率的边频很微弱，几乎看不见。图7－5滚动轴承的振动频谱传感器和感应频率段的选择轴承故障信号分布的频段传感器和感应频率段的选择，如图7－5所示，这是一个航空轴承通过故障实验得到的频谱图。轴承的故障信号分布在3个频段，即图中阴影部分。a).低频段：在8kHz以下，滚动轴承中与结构和运动关系相联系的故障信号在这个频率段，少数高速滚动轴承的信号频段能延展到B点以外。因为轴的故障信号、齿轮的故障信号也在这个频段，因而这也是绝大部分在线故障监测与诊断系统所监测的频段。b).高频段：位于Ⅱ区，这个频段的信号是轴承故障所激发的轴承自振频率的振动。c).超高频段：位于Ⅲ区，它们是轴承内微裂纹扩张所产生的声发射超声波信号。信号拾取方式：针对不同的信号所处频段，需采用不同的信号拾取方式。a)监测低频段的信号，通常采用加速度传感器，由于同时也要拾取其它零件的故障信号，因此采用通用的信号处理电路（仪器）。b)监测高频段的信号，其目的是要获取唯一的轴承故障信号，采用自振频率在25～30KHz的加速度传感器，利用加速度传感器的共振效应，将这个频段的轴承故障信号放大，再用带通滤波器将其它频率的信号（主要是低频信号）滤除，获得唯一的轴承故障信号。c)监测超高频段的信号，则采用超声波传感器，将声发射信号检出并放大。仪表统计单位时间内声发射信号的频度和强度，一旦频度或强度超过某个报警限，则判定轴承故障。滚动轴承故障信号分析方法1．有效值与峰值判别法有效值：滚动轴承振动信号的有效值反映了振动的能量大小，当轴承产生异常后，其振动必然增大。因而可以用有效值作为轴承异常的判断指标。峰值：有效值指标对具有瞬间冲击振动的异常是不适用的。因为冲击波峰的振幅大，并且持续时间短。用有效值来表示故障特征，其特征并不明显，对于这种形态异常的故障特征，用峰值比有效值更适用。2．峰值系数法所谓峰值系数，是指峰值与有效值之比。用峰值系数进行诊断的最大特点，是由于它的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响。正常时，滚动轴承的峰值系数约为5，当轴承有故障时，可达到几十。轴承正常、异常的判定可以很方便判别。另外，峰值系数不受振动信号的绝对水平所左右。测量系统的灵敏度即使变动，对示值也不会产生多大影响。3．峭度指标法峭度指标Cq反映振动信号中的冲击特征。峭度指标Cq峭度指标Cq对信号中的冲击特征很敏感，正常情况下其值应该在3左右，如果这个值接近4或超过4，则说明机械的运动状况中存在冲击性振动。*当轴承出现初期故障时，有效值变化不大，但峭度指标值已经明显增加，达到数十甚至上百，非常明显。它的优势在于能提供早期的故障预报。*当轴承故障进入晚期，由于剥落斑点充满整个滚道，峭度指标反而下降。也就是对晚期故障不适应。441)(1rmsNiiqXxxNC4．冲击脉冲法（SPM）冲击脉冲法是利用轴承故障所激发的轴承元件固有频率的振动信号，经加速度传感器的共振放大、带通滤波及包络检波等信号处理，所获得的信号振幅正比于冲击力的大小。在冲击脉冲技术中，所测信号振幅的计量单位是dB。测到的轴承冲击dBi值与轴承基准值dB0相减（dB0是良好轴承的测定值）。dBN=dBi－dB0冲击脉冲计的刻度就是用dBN值表示的。轴承的状况分为三个区：（0～20）dBN表示轴承状况良好（20～35）dBN表示轴承状况已经劣化，属发展中的损伤期（35～60）dBN表示轴承已经存在明显的损伤。图7—6共振解调法的信号变换过程5．共振解调法•共振解调法也称为包络检波频谱分析法，是目前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一。共振解调法的基本原理可用图7—6所示信号变换过程中的波形特征来说明。图(a)为理想的故障微冲击脉冲信号F(t)（原始脉冲波），它在时域上的脉宽极窄，幅值很小，而脉冲的频率成分很丰富。虽然这种脉冲是以T为周期，但在频谱上却直接反映不出对应的频率1／T成分。图(b)是脉冲信号由传感器接收后，经过电子高频谐振器谐振，产生的一组组共振响应波。这是一种振幅被放大了的高频自由衰减振荡波，振荡频率就是谐振器的谐振频率ƒn(ƒn=1/Tn)，它的最大振幅与故障冲击的强度成正比，而且每组振荡波在时域上得到了展宽，振荡波的重复频率与故障冲击的重复频率相同。图(c)为振荡波经过绝对值处理后留下了对应的频率，但它还不是完全的周期信号，在频谱上不能形成简单波形那样的离散谱线。图(d)为对图(c)所示振荡波再进行包络检波处理后