滚动轴承的故障诊断技术

滚动轴承的故障机理及诊断技术一、概述滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件，也是最易损坏的元件之一，旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关．轴承的工作奸坏对机器的工作状态有很大影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声．甚至造成设备损坏。现代工业通用机械都配备了滚动轴承。一般说来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常，它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，由于各种原因，只有10％到20％的轴承能达到它们的设计寿命。滚动轴承类型二、轴承的故障种类疲劳——使滚动体或轨道表面产生剥落胶合——表面烧伤，有金属粘连或撕裂磨损——正常磨损和不正常磨损烧伤——使表面局部退火软化腐蚀——电或化学腐蚀，产生表明损伤破损——裂纹、断裂压痕——凸凹不平滚动轴承为什么会过早损坏？滚动轴承过早发生故障的主要因素之一是过大的动载荷即振动。研究表明，转速愈高，预期的寿命愈短。重要的是理论的轴承寿命随轴承承受的负载的三次方变化。因此，如果设计者只考虑轴承的静载和如皮带拉伸等其他部件静载。则轴承的理论计算寿命会大打折扣。如果转子在运转中，还承受由于不平衡、不对中、松动、气蚀或其它故障引起的动载荷，轴承的实际寿命可能还要短。此外，还有一些影响轴承寿命的因素，包括润滑不当、使用错误的润滑剂、被灰尘和其它污染物污染、不恰当的储存、进入潮气、出厂运输或使用时嗑碰、刮伤、错用轴承型号、轴承安装不当等。最重要的解决对策是能够监测滚动轴承的状态，早期发现轴承故障，监测跟踪其发展趋势，并知道何时需更换轴承；正确地采集轴承振动特征信号；分析其振动特征信号完成故障诊断；还可利用高频包络解调信号处理技术，更有效地监测出轴承故障。轴承故障原因及其解决过负荷引起过早疲劳，（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷过大）减少负荷或重新设计过热征兆是滚道、球和保持架变色，从金色变为蓝色温度超过200℃使滚道和滚动体材料退火，硬度降低导致轴承承重降低和早期失效，严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能布氏硬度凹痕当负荷超过滚道的弹性极限时产生滚道上的凹痕增加振动（噪声），任何静态过负荷或严重冲击都会产生布氏凹痕伪布氏凹痕在每个滚珠位置产生的椭圆形磨损凹痕，光滑，有明显边界，周围有磨削表明严重的外部振动隔振和使用抗摩添加剂正常疲劳失效疲劳失效指滚道和滚动体上发生碎裂，并随之产生材料碎片剥落这种疲劳为逐渐发生，一旦开始则迅速扩展，并伴随明显的振动增加更换轴承，和设计有更长疲劳寿命的轴承污染污染是轴承失效的主要原因之一污染的征兆是在滚道和滚动体表面有点痕，导致振动加大和磨损清洁环境，工具，规范操作。新轴承的储运和保管。润滑油失效滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑失效的征兆，随之产生滚道、滚子和保持架磨损，导致过热和严重故障。滚动轴承的正常运行取决于各部件间存在良好油膜，失效常常由润滑不足和过热引起腐蚀其征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域原因是轴承接触腐蚀性流体和气体严重情况下，腐蚀引起轴承早期疲劳失效除掉腐蚀流体，尽可能使用整体密封轴承不对中不对中的征兆是滚珠在滚道上产生的磨痕与滚道边缘不平行如果不对中超过0.001，会产生轴承和轴承座异常温升，和保持架球磨损配合松动配合松动导致配合部件的相对运动，如果这个相对运动轻微但不间断，则产生磨损这种磨损产生颗粒，并氧化成特殊的棕色。这导致研磨和松动加大。如果松动增大到内圈或外圈的显著运动，安装表面（孔径，外径和侧面）将磨损和发热，引起噪声和晃动。轴承振动的测定滚动轴承产生的振动信号中，含有丰富的有用信息。利用振动信息对滚动轴承进行故障诊断是十分有效的。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。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，可是使用细化分析谱。1．滚动轴承振动的基本参数1、滚动轴承的典型结构及其频率特征二、滚动轴承的故障机理1)内圈的旋转频率，轴的转动频率，以fr表示60/nfrn－轴的转速（r/min）几个特征频率2)一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频率rifDdf)cos1(21z个滚动体通过内圈上一点的频率rifDdzzf)cos1(21可检测内圈局部故障几个特征频率3)一个滚动体（或保持架）通过外圈上一点的频率rcfDdf)cos1(21z个滚动体通过外圈上一点的频率rifDdzzf)cos1(21可检测外圈局部故障几个特征频率4）滚动体上的一点通过内圈或外圈的频率5)保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）r22bfαcos)Dd2dDf}(1{rcfDdf)cos-1(21可检测滚子局部故障对应保持架不平衡故障d=滚动体直径；D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)；φ=径向方向接触角；z=滚动体数目；n=轴的转速。0.6,0.4,0.4irorcrffZffZff特征频率的简化的经验计算公式三、轴承的故障诊断方法振动信号分析诊断——噪声信号分析诊断——声发射诊断——油液分析诊断——典型的轴承故障发展过程DetectionbyLubricantAnalysisDetectionbyListenandFeelDetectionbyVibrationDetectionbyAcousticEmissions诊断实例：2006年12月5号，焦作一个发电厂，锅炉引风机振动大，尤其在电机端，振动异常，并有较大噪声，经测试分析发现，在16Hz处振动值0.3mm/s,而在110Hz处振动达到0.8。该风机转速为960rpm(16Hz)，分析知道，110Hz是略低于7倍频的频率，经查，该处轴承为滚子轴承，滚子数量为14，110Hz的频率正好接近于1/2*14*fr,于是，可以判断为轴承故障。振动诊断法简易诊断——测量值与标准值相比较标准有相对标准和绝对标准振动信号的幅值域诊断：①振幅值诊断法这里所说的振幅值指峰值XP、均值X0、均方根值(有效值)Xrms。②波形因数诊断法：XP/X0③波峰因数诊断法:XP/Xrms④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，则慨率密度曲线可能出现偏斜⑤峭度系数治断法峭度(Kurtosis)定义为归一化的4阶中心矩。振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3。随着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势。此方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。常见故障频谱特征图示范围——滑动轴承类转子总结05X10X15X20X25X30X35X40X45X50X02468101214滚动轴承支撑系统常见故障频谱分段幅值谱mm/s阶比不平衡不对中松动滚动轴承故障频率常见故障频谱特征图示范围——滚动轴承类转子总结