滚动轴承故障诊断与分析..

滚动轴承故障诊断与分析Examinationandanalysisofseriousbreakfaultdowninrollingbearing学院：机械与汽车工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：2010020101姓名：学号：指导老师：王林鸿摘要:滚动轴承是旋转机械中应用最广的机器零件，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，轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大的影响，其缺陷会产生设备的振动或噪声，甚至造成设备损坏。因此,对滚动轴承故障的诊断分析,在生产实际中尤为重要。关键词：滚动轴承故障诊断振动Abstract:Rollingbearingisthemostwidelyusedinrotatingmachineryofthemachineparts,isalsooneofthemosteasilydamagedcomponents.Manyoftherotatingmachineryfaultassociatedwithrollingbearings,bearingtheworkofgoodorbadhasgreatinfluencetotheworkingstateofthemachine,itsdefectcanproduceequipmentofvibrationornoise,andevencauseequipmentdamage.Therefore,thediagnosisofrollingbearingfaultanalysis,isespeciallyimportantinthepracticalproduction.Keywords:rollingbearingfaultdiagnosisvibration引言：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，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。如何准确判断出它的末期故障是非常重要的，可减少不必要的停机修理，延长设备的使用寿命，避免事故停机。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。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。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的，因而对作为运转机械最重要件之一的轴承，进行状态检测和故障诊断具有重要的实际意义，这也是机械故障诊断领域的重点。一滚动轴承故障诊断分析方法1滚动轴承故障诊断传统的分析方法1.1振动信号分析诊断振动信号分析方法包括简易诊断法、冲击脉冲法（SPM法）、共振解调法（IFD法）。振动诊断是检测诊断的重要工具之一。（1）常用的简易诊断法有：振幅值诊断法，反应的是某时刻振幅的最大值，适用于表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断；波峰因素诊断法，表示的是峰值和均方根值之比，适用于点蚀情况下的诊断；概率密度诊断法，通过概率密度曲线进行故障判断，一般作为故障的定性分析；峭度系数诊断法具有与波峰类似的变化趋势，它的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，但缺乏早期报警能力，在故障严重时会失去诊断能力，适用于点蚀故障诊断。（2）冲击脉冲法(SPM)是在滚动轴承运转中，当滚动体接触到内外道面的缺陷区时会产生低频冲击作用，所产生的冲击脉冲信号会激起SPM传感器的共振，共振波形一般为20kHz一60kHz,包含了低频冲击和随机干扰的幅值调制波，经过窄带滤波器和脉冲形成电路后，得到包含有高频和低频的脉冲序列。但这种固定中心频率和带宽的方法也有其局限性，因为滚动轴承局部损伤故障所激起的结构共振频率并不是固定不变的。在实际使用中，当背景噪声很强或有其他冲击源时，SPM诊断效果很差，失去了实际意义。（3）共振解调技术，亦称为包络检波技术。它是对低频(通常是数千Hz以内)的冲击所激起的高频(数十倍于冲击频率的)共振波形进行包络检波和低通滤波，即解调，以获得一个对应于低频冲击的、而又放大并展宽了的共振解调波。共振解调法诊断滚动轴承故障的基本原理可以完整地概述为：当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与其相互作用的其它的元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、传感器甚至附加的谐振器(可以是机械式的，也可以是电的)等的固有频率而激起这个测试系统的高频固有振动。根据实际情况，可选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于轴承外圈或传感器等的谐振频率的带通滤波器对测取的轴承振动信号进行带通滤波。然后，通过包络检波器进行检波，除去高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析，在频谱图上即可找出特征频率分量和对应的故障元件。1.2油液分析诊断轴承故障的一个主要原因是润滑不当。对润滑油进行分析，可了解轴承的润滑与磨损状态，进而采取措施控制故障发展。常用的有理化指标分析、污染度测试、油液中金属含量分析、红外光谱分子结构分析、铁普分析。通常需要一种以上方法进行综合判断，以提高诊断的准确性。2滚动轴承故障诊断现代分析方法2.1小波变换在轴承故障中的应用在轴承故障诊断中，常常只对轴承的局部异常区域所引起的信号局部变化感兴趣，这些信号由于非常微弱、能量很小，往往容易被噪声淹没而难以辨别。当故障诊断应用傅立叶变换进行分析时，不能进行局部化分析。而具有良好时域和频域局部化特性的小波变换，能对信号的高频、短时成分准确地在时域和频域中进行分析，可将故障特征信号有效地分离出来，从而对故障做出分析与解析。采用连续小波变换和独立分量分析的方法对滚动轴承的信号进行消噪和分离，可以提高信号的信噪比和诊断率。对滚动轴承的早期故障诊断，可将小波滤波和循环平稳度分析方法相结合，采用最小熵方法对小波滤波器参数进行优化。2.2遗传算法在轴承故障中的应用遗传算法(GA)是建立在自然选择和群体遗传学机理基础上的随机、迭代和进化，具有广泛适用性的搜索方法。它模拟了自然选择和遗传过程中发生的繁殖、交配和变异现象，根据适者生存、优胜劣汰的自然法则，利用遗传算子逐代产生，优选个体，最终搜索到较优的个体。2.3专家系统在轴承故障中的应用近年来随着人工智能技术的发展，专家系统技术得到了迅速的推广。所谓专家系统就是一个智能的计算机程序，它能模拟专家在处理问题时的一些推理方法，利用已有的知识建立模型，解决问题。将基于知识的专家系统技术应用于故障诊断领域，可以使滚动轴承诊断分析和决策分析更加准确可靠。2.4模糊诊断在轴承故障中的应用由于滚动轴承信号中故障特征振动与故障类型不存在绝对的对应关系，一种故障可能引起多种特征，而一种故障特征可能对应多类故障，因此近年来，模糊理论被引进到轴承故障诊断领域。轴承故障模糊诊断中的概念是模糊概念，可以用模糊集合来表示，而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的。二滚动轴承故障诊断案例分析1案例一123泵轴承的故障诊断分析大庆石化公司腈纶厂系统车间有盐水输送泵8台，属离心式双吸泵，功率较大，是腈纶厂设备中长期运行，重要的生产设备。位号123泵由于长期运行，振动值较大，所以在不影响生产情况下让123泵备用。2004年9月lO日，由于生产需要，要求123泵投人生产，在开启运行中，发现其振动值较大，继续运行可能发生事故，于是对其振动进行测量并采集频谱对其进行故障诊断。‘1）故障分析123泵主要参数见表1，123泵测点位置图如图1所示。对其现场测量振动值见表2所示。通过现场测量数据，发现泵后轴承的轴向振动值超标，振动较大，并且杂声较大。对其进行频谱采集，时域谱和幅值谱图如图2、图3所示。通过泵后轴承轴向时域波形图，可明显地看到冲击信号的存在，峭度指标达到3．59，并且频谱图中大量高次谐波的存在，说明轴承可能已经存在问题。该泵轴承型号为63ll，在1480r／min转速下根据轴承参数，得到的轴承元件的故障特征频率是：内环121．93Hz；外环75．38Hz；保持架9．42Hz；滚动体98．74Hz。泵后轴承的轴向频谱，出现了390I-Iz明显的频率信号，其次为415Hz和510Hz。由下式可得：接近于390Hz，伴有415Hz和510Hz的2、3次谐波，所以诊断为轴承内圈可能发生点蚀或偏心。维修车间对该泵进行了拆卸检修，更换泵的后轴承，检查后轴承损坏情况，发现故障原因为轴承内环点蚀严重。2案例二内圈滚道剥落故障诊断备煤车间1号破碎机已接近大修期,于1996年4月15日对破碎机轴承进行测试。图1是用北京振通902机器分析仪/数据采集器,对1号破碎机后轴承水平测点采集的包络功率频谱图。图1计算破碎机轴承故障特征频率:轴承型号:22232(原3532)转速N=740r/min轴承外圈故障特征频率fe=94.966Hz轴承内圈故障特征频率fi=127.033Hz。图1中130.00Hz的谱峰与轴承内圈故障特征频率127.03Hz比较接近,并且幅值较高。在二倍频260.00Hz处有较低峰值,115.00Hz的谱峰是被转频12.33Hz调制的边频带。在二倍频260Hz两旁也有被转频调制的边频带。由于轴承内圈随轴一起转动,所以,以轴承内圈故障特征频率的各阶倍频(包括零倍频)为中心,两旁将出现被转频调制的边频带。图2是使用美国恩泰克公司的EDL数据采集器,于5月29日对该轴承轴向测点采集的幅值频谱图,图中129.01Hz的谱峰较接近轴承内圈故障特征频率,255.00Hz为二倍频,50.44Hz的谱峰是转频的四倍频,与4月15日所作的分析相吻合。该测点振动速度有效值为26.0mm/s,根据国际ISO2372振动烈度标准,已达到D级,即不可使用的范围。根据4月15日和5月29日的频谱图分析,又根据滚动轴承故障特征频率一般在1000Hz以下,是滚动轴承故障的特征之一。因此,可以判断1号破碎机后轴承内圈滚道有剥落坑。大修时拆机验证,该轴承内滚道有30mm×15mm,深1mm的一块顺向剥落坑。图23案例三外圈滚道压痕故障诊断1996年8月29日,1号破碎机大修完毕试车,对其进行振动测试,发现电机前轴承处振动位移值较大,表1是电机前轴承测量数据。参照国际ISO2372振动烈度标准,属较正常范围。但垂直方向加速度峰值13.68m/s2,水平方向位移峰峰值119.8um,轴向包络幅值3.75m/s2,均高出平时测量值,所以对该测点采集包络谱进行分析。计算轴承(型号:N324(原2324),转速:740r/min)故障特征频率:外圈故障特征频率fe=69.52Hz,内圈故障特征频率fi=103.15Hz。图3是水平测点的包络幅值谱,可以看出,图中70.00Hz的谱峰比较接近轴承外圈故障特征频率,69.52Hz、140.00Hz、210.00Hz和285.00Hz的谱峰均为70.00Hz的倍频,各阶倍频两旁基本没有被转频调制的边频带。从图3的时域波形可以看出,有间隔周期为13.5ms的冲击脉冲信号,频率范围为71.94Hz,接近轴承外故障特征频率。对轴向测点做倒频谱分析(图4),在14.46ms处有较高尖峰,经计算频率范围为69.156Hz,也接近轴承外圈故障特征频率。根据以上分析,初步可判断该轴承外圈滚道存在表面损伤。但该测点的振动速度有效值未超出国际ISO2372振动烈度标准。可以判断出损伤的程度较轻。据经验所知,轴承有单个损伤点时,频谱图上轴承故障特征频率峰值较高,其倍频峰值较低。而图3表明轴承故障特征频率峰值与其倍频峰值相差不大,并呈衰减趋势。损伤可能不是单一剥落坑,估计是由多处轻微损伤所至。拆机检查发现轴承外圈滚道内有7～8条不同程度的压痕,其中四条较严重,约20mm宽,0.2mm深。经了解,这台电机在半年前更换新轴承后,一直存放在备件库,压痕是由于一直未盘车造成的。4案例四煤气鼓风机轴承的故障诊断分析煤气鼓风机是我厂重点设备,对其进行定期状态监测,3#煤气鼓风机配用电机功率630kW,型号JB710M1—2,转速N:2986r/min,轴承型号:6222/P64(原4E222),计算轴承故障特征频率如下:轴承外圈故障特征频率fe=200.