第五章 滚动轴承的状态监测和故障诊断

第五章滚动轴承的状态监测与故障诊断概述滚动轴承的失效形式滚动轴承的振动滚动轴承的故障诊断方法第一节概述•外圈•内圈•滚动体•保持架滚动轴承的故障诊断开始于60年代。1966年瑞典SKF公司发明了用冲击脉冲仪（ShockPulseMeter）检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。1969年，根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式。1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪，可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。滚动轴承尺寸的选择2第二节滚动轴承的失效形式疲劳点蚀或剥落胶合断裂滚动轴承常见的失效形式：磨损保持架损坏烧伤第三节滚动轴承的振动与轴承的结构有关的振动——无论轴承正常与否，都会产生振动与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型——反映了轴承的损坏状况一、滚动轴承的振动机理1、承载状态下滚动轴承的振动（1）轴承结构特点引起的振动滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载的滚子数目不同，因而承载刚度会有所变化，引起轴心的起伏波动。要减少这种振动的振幅可以采用游隙小的轴承或加预紧力去除游隙。（2）轴承刚度非线性引起的振动滚动轴承的轴向刚度常呈非线性，特别是当润滑不良时，易产生异常的轴向振动。在刚度曲线呈对称非线性时，振动频率为fn,2fn.,3fn,…；在刚度曲线呈非对称非线性时，振动频率为…分数谐频（fn为轴回转频率）。图轴承的轴向刚度（3）轴承制造装配的原因加工面波纹度引起的振动由轴承零件的加工面（内圈、外圈滚道面及滚动体面）的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见，这些缺陷引起的振动为高频振动（比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍）。图由轴承零件波纹度引起的轴心摆动当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动。图轴承偏心引起的轴承振动轴承偏心引起的振动滚动体大小不均匀会导致轴心摆动，还有支承刚性的变化。。滚动体大小不均匀引起轴心摆动图滚动体大小不均匀引起的轴心2、故障轴承振动信号特征（1）磨损类损伤轴承磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同的性质，即两者的波形均无规则、随机性强，但磨损后振动水平（幅值）明显高于正常轴承。图正常轴承和磨损轴承的振动波形a)正常轴承b)磨损轴承（2）疲劳剥落损伤损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是一宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的固有振动频率而引起谐振。TnTc图产生表面损伤轴承的振动信号特征频率由于轴承的旋转,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,仍有小的凹凸。滚动体在这些凹凸面上转动时,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，其主要频率为滚动轴承的特征频率。图滚动轴承的典型结构)cos1(2DdfZfri)cos1(2DdfZfro])cos(1[22DdfdDZfrc2/]}/)(cos1[]/)(cos1[{11DdfDdffoici内圈的故障频率外圈的故障频率滚动体故障频率保持架故障频率Z-滚动体数、-内外环相对转速频率、d-滚动体直径、D-节圆直径、α-接触角、、分别为内外环转速频率，二者方向一致取正号，方向相反则取负号。rf1if1of不计轴承各元件的弹性变形并认为滚动体与滚道之间为纯滚动。3、滚动轴承元件的固有振动频率滚动轴承元件出现缺陷或结构不规则时，在运行中，激发各个元件以其固有频率振动，各轴承元件的固有频率取决于元件本身的材料、外形和质量。轴承圈的固有频率为：式中n—振动阶数（变形波数），n＝2，3，…；E—弹性模量；I—套圈横截面的惯性矩；γ—密度；A—套圈横截面积，A≈bh；D—套圈横截面中性轴直径；g—重力加速度。钢球振动的固有频率为：式中R—钢球半径；二、测点的选择滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动所含的频率很高，每通过零件的界面传递一次，其能量损失约80％。因此，测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。图传感器位置对故障检测灵敏度的影响三、分析谱带的选择滚动轴承的故障特征在不同频带上都有反映，因此，可以利用不同的频带，采用不同的方法对轴承的故障做出诊断。1．低频段在滚动轴承的故障诊断中，低频率段指1kHz以下的频率范围。由于轴承的故障特征频率（通过频率）通常都在1kHz以下，此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断。2．中频段在滚动轴承的故障诊断中，中频段指1～20kHz频率范围。包含有轴承元件表面损伤引起的轴承外圈的固有振动频率等。通过分析这一频带内的振动信号，可以较好地诊断出轴承的损伤类故障。如果测量用的传感器谐振频率较高，那么由于轴承损伤引起的冲击在高频带（20kHz以上），对此频带分析也可以诊断出轴承的故障。四、传感器的选择与固定方式滚动轴承的振动属于高频振动，对于高频振动的测量，传感器的固定采用手持式方法显然不合适，一般也不推荐磁性座固定，建议采用钢制螺栓固定，这样不仅谐振频率高，可以满足要求，而且定点性也好，对于衰减较大的高频振动，可以避免每次测量的偏差，使数据具有可比性。3．高频段在滚动轴承的故障诊断中，高频率段指20～80kHz频率范围。由于轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段，如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊断非常有效。瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国首创的IFD法就是利用这个频段。第四阶段第三阶段第二阶段第一阶段在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被随机振动或噪音代替轴承故障频率的谐波开始出现，边频带数目逐渐增多轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段故障频率出现在超声频段五、轴承失效的四个阶段滚动轴承的频谱分析•高频段是否有能量堆积或峰群出现无：没有早中期故障有：存在早中期故障在低频段出现轴承的故障特征频率及倍频故障特征频率的峰值增大，故障恶化诊断思路第三节滚动轴承的故障诊断方法一、滚动轴承的简易诊断1.振幅值诊断法振幅值指峰值XP、均值X以及均方根值（有效值）Xrms。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像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（如300r/min以下），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（如300r/min以上）。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慢变化的故障诊断。日本NSK公司生产NB系列轴承监测仪和新日铁研制的MCV-21A型机械监测仪就是这类仪器。2.波形因数诊断法波形因数定义为峰值与均值之比（）。当XP/X值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而XP/X小时，则有可能发生了磨损。图滚动轴承冲击振动的波形因数XXP3.波峰因数诊断法波峰因数定义为峰值与均方根值之比（XP/Xrms)。该值用于滚动轴承简易诊断的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响。适用于点蚀类故障的诊断。通过对（XP/Xrms)值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障时，XP/Xrms，为一较小的稳定值；一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故XP/Xrms增大；当故障不断扩展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，XP/Xrms逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。4.概率密度诊断法无故障滚动轴承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，如图所示。图滚动轴承的损伤4.峭度系数诊断法峭度（Kurtosis）β44)()(dxxpxx图轴承疲劳试验过程无故障轴承，峭度值Kv≈3；如果出现故障，峭度值Kv先增大，后减小。峭度系数对于诊断轴承的点蚀等冲击类故障，灵敏性好。5.滚动轴承的冲击脉冲诊断法（SPM法）5.滚动轴承的冲击脉冲诊断法（SPM法）dBN=dBsv-dBi总的冲击能量dBsv与初始冲击能量dBi之差称为标准冲击能量(背景分贝)dBN图冲击脉冲值与轴承寿命的关系图冲击脉冲仪示意图6.滚动轴承共振解调诊断法（IFD法）美国波音公司提出的一项技术，称为早期故障探测法（IncipientFailureDetection）。轴承故障会产生周明性的冲击振动信号，通常是高频低幅值信号，在故障的早期和中期，因不平衡、不对中、松动等故障的幅值较高，在常规速度谱和加速度谱难以观察到轴承的故障频率。现场使用最多的是带磁座的压电加速度传感器，对常规振动通常取传感器安装共振频率的1/3，以保证所测谱线幅值在线性范围之内。包络分析采用带通滤波器，通常选取以加速度传感器安装共振频率为中心的频带做为载波频率，使微弱的轴承故障信号搭载在高幅值的谐振频段传递出来，否则高频低幅的轴承故障信号在多个界面经过反射、衰减之后，传感器很难拾取。再对所测信号进行绝对值处理，之后采用低通滤波，即可获得调制信号的包络线，然后进行快速傅立叶变换FFT，便可得到轴承的包络谱，这个过程也称为共振解调。利用解调技术对信号进行频谱分析的过程如图所示。轴承故障引起的冲击脉冲F(t)经传感器拾取及谐振，得到放大的高频衰减振动a（t），再经包络检波得到的波形a1（t），相当于将故障引起的脉冲加以放大和拓宽，并且摒除了其余的机械干扰，最后作频谱分析可以得到与故障冲击周期T相对应的频率成分f及其高次谐波。据此，可以用于滚动轴承故障及故障部位的诊断。图IFD法的信号变换过程二、滚动轴承的精密诊断１、轴承内滚道损伤轴承内滚道产生损伤时，如：剥落、裂纹、点蚀等（如图所示），若滚动轴无径向间隙时，会产生频率为nfi（n＝1，2,…）的冲击振动。图内滚道损伤振动特征通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据点蚀部分与滚动体发生冲击接触的位置的不同，振动的振幅大小会发生周期性的变化，即发生振幅调制。若以轴旋转频率fr,进行振幅调制，这时的振动频率为nfi士fr（n＝1，2…）。２.轴承外滚道损伤当轴承外滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等（如图2所示），在滚动体通过时也会产生冲击振动。由于点蚀的位置与载荷方向的相对位置关系是一定的，所以，这时不存在振幅调制的情况，振动频率为nfo(n＝1，2,…），振动波形如图所示。图外滚道损伤振动特征３、滚动体损伤当轴承滚动体产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击振动。在滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为nZfb（n＝1，2,…）的冲击振动。通常滚动轴承都有径向间隙，因此，同内圈存在点蚀时的情况一样，根据点蚀部位与内圈或外圈发生冲击接触的位置不同，也会发生振幅调制的情况，不过此时是以滚动体的公转频率fc进行振幅调制。这时的振动频率为nZfb＋fc。图滚动体损伤振动情况４、轴承偏心当滚动轴承的内圈出现严重磨损等情况时，轴承会出现偏心现象，当轴旋转时，轴心（内圈中心）便会绕外圈中心摆动，如图示，此时的振动频率为nfr（n＝1,2,…）。图滚动轴承偏心振动特征实例•6210轴承的监测与诊断•一台单级并流是鼓风机，其结构如图。该机组自86年1月30日起，测点③的振动加速度逐渐增加至正常值10倍，为查明原因，对测点③的振动信号进行频谱分析。•已知：轴承型号6210（深沟球轴承），钢球直径d=12.7mm，节圆直径D=70mm，钢球个数Z=10，风机转速=900r/min。•轴承的故障特征频率：•鼓风机轴的转动频率：15（HZ）•内圈的故障特征频率：88.6（HZ）•外圈的故障特征频率：61.3（HZ）•滚动体的故障特征频率：40.6（HZ）测点③的频谱图»a）高频段