滚动轴承故障及其诊断方法

滚动轴承故障诊断概述旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的轴承结构：由内环、外环、滚动体和保持架组成滚动体类型有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子和球面滚子等安装轴承损坏内环缺陷1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，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。滚动轴承的主要故障形式与原因如下：这是滚动轴承常见的一种异常形式。在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种疲劳剥落现象造成运转时的冲击载荷，使得振动和噪声加剧。1滚动轴承异常的基本形式(1).疲劳剥落轻微剥落严重是滚动轴承另一种常见的异常形式。轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因及杂质异物的侵入引起表面磨损。磨粒的存在是轴承磨损的基本原因，润滑不良会使磨损加剧。磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙，增大振动和噪声。1滚动轴承异常的基本形式(2).磨损轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、落入硬质异物等在滚道表面上形成凹痕或划痕。而一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。这样，载荷的累积作用或短时超载就有可能引起轴承塑性变形。1滚动轴承异常的基本形式(3).塑性变形润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀（化学腐蚀）轴承内部有较大的电流通过造成的电腐蚀以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀(是微动磨损与腐蚀协同作用的结果)1滚动轴承异常的基本形式(4).腐蚀过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。1滚动轴承异常的基本形式(5).断裂所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。1滚动轴承异常的基本形式(6).胶合由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。1滚动轴承异常的基本形式(7).保持架损坏2滚动轴承的振动类型及其故障特征在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：与轴承的弹性有关的振动，其二为与轴承滚动表面的状况（波纹、伤痕等）有关的振动前者与异常状态无关，后者反映了轴承的损伤情况。滚动轴承在运转时，滚动体在内、外圈之间滚动。如果滚动表面损伤，滚动体在损伤表面转动时，便产生一种交变的激振力。由于滚动表面的损伤形状是不规则的，所以激振力产生的振动，将是由多种频率成分组成的随机振动。2滚动轴承的振动类型及其故障特征从轴承滚动表面状况产生振动的机理可以看出，轴承滚动表面损伤的形态和轴的转速，决定了激振力的频率。轴承和外壳，决定了振动系统的传递性。振动系统的最终振动频率，由上述二者决定。即，轴承异常所引起的振动频率，由轴的旋转速度、损伤部分的形态与外壳振动系统的传递特性所决定。通常，轴的转速越高，损伤越严重，其振动的频率就越高；轴承的尺寸越小，其固有振动频率越高。2.1滚动轴承的固有振动频率滚动轴承在工作时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击而引起轴承各元件的固有振动。各轴承元件的固有频率与轴承的外形、材料和质量有关与轴的转速无关。轴承元件的固有频率值，受安装状态的影响。一般情况下，滚动轴承的固有频率通常可达数千赫到数十千赫。滚动轴承的几何参数主要有：轴承节径D：轴承滚动体中心所在的圆的直径滚动体直径d：滚动体的平均直径内圈滚道半径rl：内圈滚道的平均半径外圈滚道半径r2：外圈滚道的平均半径接触角a：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角滚动体个数Z：滚珠或滚珠的数目2.2滚动轴承的特征频率为分析轴承各部运动参数，先做如下假设：(1)滚道与滚动体之间无相对滑动；(2)每个滚道体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间(3)承受径向、轴向载荷时各部分无变形；方法：研究出不承受轴向力时轴承缺陷特征频率，进而，推导出承受轴向力时轴承缺陷特征频率2.2滚动轴承的特征频率(1)外环固定，内环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于外环的旋转频率：由图(a)可知，内环滚道的切线速度为式中，fr为轴的旋转频率，d为滚动体的直径，Di为内环滚道的直径，Dm为轴承滚道节径，即内外滚道的平均值。因为滚动体滚而不滑，所以滚动体与内环滚道接触点A的速度为)(dDffDVmrriiiAVV1.不承受轴向力时轴承缺陷特征频率图(a)图(b)又因外环固定，所以滚动体与接触点C的速度为而滚动体中心B的速度（即保持架的速度）为单个滚动体（或保持架）相对于外环的旋转频率为0CVrmABfdDVV)(221rmmrmmBBofDdDfdDlVf)1(21)(2lm为滚道节圆周长(2)内环固定，外环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于内环的旋转频率：若外环的的旋转频率仍为fr，则保持架相对内环的切向速度从图(b)可知为单个滚动体（或保持架）相对于内环的旋转频率为rmABfdDVV)(221rmmrmmBBifDdDfdDlVf)1(21)(2图(a)图(b)滚动轴承的特征频率(3)轴承内外环有缺陷时的特征频率：如果内环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的频率为如果外环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的频率为(4)单个滚动体有缺陷时的特征频率：如果单个有缺陷的滚动体每自传一周只冲击外环滚道（或外环）一次，则其相对于外环的转动频率为ZfDdZffrmBii)1(21ZfDdZffrmBoo)1(21dDfDdddDffmrmmBoRS)1(21)(22滚动轴承的特征频率(5)保持架与内外环发生碰磨的频率：保持架碰外环的频率（等于单滚动体的外环通过频率）保持架碰内环的频率（等于单滚动体的内环通过频率）rmBofDdf)1(21rmBifDdf)1(21滚动轴承的特征频率2.承受轴向力时轴承缺陷特征频率由于滚动体具有相当大的间隙，在承受轴向力时，轴承内外环轴向相互错开，滚珠与滚道的接触点有移动由A、B点移动到C、E。此时，轴承的节径不变，但内滚道的工作直径变大，外滚道的工作直径变小，就是说滚珠的工作直径由d变为dcosa。只须将不受轴向力时轴承缺陷特征频率计算公式进行替换（轴承特征频率只与轴承节径和滚珠直径有关）滚动轴承的特征频率内圈故障的频率fi为：滚动体故障的频率fRS为外圈故障的频率fo为：ZfDdfrmi)cos1(21ZfDdfrmo)cos1(21dDfDdfmrmRS)cos1(212222.3滚动轴承的振动及其故障特征1.滚动轴承的时域波形特征正常情况下，滚动轴承的振动时域波形。有两个特点：一是无冲击，二是变化慢。2.3滚动轴承的振动及其故障特征轴承元件发生异常时，就会产生冲击脉冲振动：冲击脉冲周期为基阶故障特征频率的倒数冲击脉冲宽度在μs数量级，它将激起系统或结构的高频响应（固有振动）响应水平取决于系统或结构的固有频率及阻尼的大小。2.3滚动轴承的振动及其故障特征通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，点蚀部分与滚动体发生冲击接触的位置的不同(内圈和滚动体均滚动)载荷受力不同，则振幅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nZfi±fr（n＝1，2…）；若以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fm进行振幅调制，这时的振动频率为nZfi±fm（n＝1，2，…）。内滚道损伤振动特征2.3滚动轴承的振动及其故障特征当轴承外滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，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固定的（外圈固定），所以，这时不存在振幅调制的情况，振动频率为nZfo(n＝1,2,…），振动波形如图所示。外滚道损伤振动特征2.3滚动轴承的振动及其故障特征当滚动体产生损伤时，如剥落、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nZfRS（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fm进行振幅调制。这时的振动频率为nzfRS±fm，如图所示。滚动体损伤振动情况2.3滚动轴承的振动及其故障特征轴承偏心引起的振动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，如图所示，此时的振动频率为nfr（n＝1,2,…）。滚动轴承偏心振动特征不同轴引起的振动当两个轴承不对中，轴承装配不良等都会引低频振动。2.3滚动轴承的振动及其故障特征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，因此具有“弹簧”的性质（刚性很大）。当润滑状态不良时，就会出现非线性弹簧性质的振动。轴向非线性振动频率为轴的旋转频率fr，分数谐波1/2fr,1/3fr,…，及其高次谐波2fr,3fr,…2.3滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承正常时和发生剥落损伤时的轴承振动信号的幅值概率密度分布如图。从图中可以看出，轴承发生剥落时，幅值分布的幅度广，这是由于存在剥落的冲击振动。这样，从概率密度分布的形状，就可以进行异常诊断。轴承振动的概率密度分布2.幅值域中的概率密度特征3滚动轴承故障诊断方法3.1振动诊断法3.2其它诊断方法3滚动轴承故障诊断方法振动诊断法在轴承故障诊断中的优点（1）可以检测出各种类型轴承的异常现象；（2）在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定；（3）由于振动信号发自轴承本身，所以不需要特别的信号源；（4）信号检测和处理比较容易。3.1滚动轴承常用振动诊断方法时域：有效值和峰值判断法时域：峰值指标法幅域：振幅概率密度分析法时序模型参数分析法冲击脉冲法包络法高通绝对值频率分析法3.1滚动轴承常用振动诊断方法时域指标：有效值和峰值判断法滚动轴承振动的瞬时值随时间在不断地进行变化，表现这种振动变化大小的方法广泛使用有效值（振动幅值的均方根值）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。但对表面剥落或者伤痕等具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。（由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作时间平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来。）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。21))(1(02dttxTTx3.1滚动轴承常用振动诊断方法无量纲指标：峰值指标法峰值指标是指峰值与有效值的比。由剥落或伤痕引起的瞬时冲击振动，峰值比有效值的反映灵敏。一般来讲，正常轴承振动的峰值指标约为5，当轴承发生伤痕时，峰值指标有时会达到10，所以用该方法容易对滚动轴承的异常做出判断。特点由于峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的的判断可非常单纯地进行；此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大器的灵敏度即使发生变动，也不会出现测定误差。但这种方法对表面皱裂或磨损之类的异常，诊断能力很弱。3.1滚动轴承常用振动诊断方法振幅概