（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于沖擊脈沖法的滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究.pdf

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中最常見的零部件 它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺機(jī)器的 功能 本文首先從理論上分析總結(jié)了滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)理 失效形式 振動(dòng)類 型及發(fā)生故障的原因 針對滾動(dòng)軸承故障缺陷的特點(diǎn) 本文采用了沖擊脈沖法分析 滾動(dòng)軸承故障 軸承信號經(jīng)過帶通濾波 包絡(luò)檢波 沖擊脈沖值轉(zhuǎn)化 得出軸承運(yùn) 行狀態(tài) 然后將小波包濾波引入到?jīng)_擊脈沖法中來 提出了基于小波包濾波的沖擊脈 沖法 并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的正確性 最后設(shè)計(jì)研發(fā)了基于l a b v i e w 軟件的 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)有效地提取了滾動(dòng)軸承的故障特征 診斷識別出了 滾動(dòng)軸承的故障缺陷 關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承 故障診斷 沖擊脈沖 小波包 虛擬儀器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a t i n gm a c h i n e r y a n d t h er u n n i n gs t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sf u n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y t h ef a u l t v i b r a t i o np r o p e r t y t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf a u l t s s h o c kp u l s em e t h o d s p m i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t od i a g n o s eb e a r i n gf a u l t t h es i g n a l sa r ep r o c e s s e db yb a n d p a s sf i l t e r i n g e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n v i b r a t i o ns i g n a l st r a n s f o r m a t i o ni n t od e c i b e lv a l u ea n da m p l i t u d ea n a l y s i s t h e nan e wm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s w h i c hb a s e do nt h e w a v e l e tp a c k e t sa n ds h o c kp u l s em e t h o d s p m t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o f t w a r ef o rt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n g b e a r i n g si sd e s i g n e db yl a b v i e w w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s et h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y l o uy u a n y u a n m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s p r o f w a ns h u t i n g k e y w o r d s r o l l i n gb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s s h o c kp u l s em e t h o d w a v e l e t p a c k e t v i r t u a li n s t r u m e n t s 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中最常見的零部件 它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺機(jī)器的 功能 本文首先從理論上分析總結(jié)了滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)理 失效形式 振動(dòng)類 型及發(fā)生故障的原因 針對滾動(dòng)軸承故障缺陷的特點(diǎn) 本文采用了沖擊脈沖法分析 滾動(dòng)軸承故障 軸承信號經(jīng)過帶通濾波 包絡(luò)檢波 沖擊脈沖值轉(zhuǎn)化 得出軸承運(yùn) 行狀態(tài) 然后將小波包濾波引入到?jīng)_擊脈沖法中來 提出了基于小波包濾波的沖擊脈 沖法 并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的正確性 最后設(shè)計(jì)研發(fā)了基于l a b v i e w 軟件的 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)有效地提取了滾動(dòng)軸承的故障特征 診斷識別出了 滾動(dòng)軸承的故障缺陷 關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承 故障診斷 沖擊脈沖 小波包 虛擬儀器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a t i n gm a c h i n e r y a n d t h er u n n i n gs t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sf u n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y t h ef a u l t v i b r a t i o np r o p e r t y t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf a u l t s s h o c kp u l s em e t h o d s p m i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t od i a g n o s eb e a r i n gf a u l t t h es i g n a l sa r ep r o c e s s e db yb a n d p a s sf i l t e r i n g e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n v i b r a t i o ns i g n a l st r a n s f o r m a t i o ni n t od e c i b e lv a l u ea n da m p l i t u d ea n a l y s i s t h e nan e wm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s w h i c hb a s e do nt h e w a v e l e tp a c k e t sa n ds h o c kp u l s em e t h o d s p m t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o f t w a r ef o rt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n g b e a r i n g si sd e s i g n e db yl a b v i e w w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s et h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y l o uy u a n y u a n m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s p r o f w a ns h u t i n g k e y w o r d s r o l l i n gb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s s h o c kp u l s em e t h o d w a v e l e t p a c k e t v i r t u a li n s t r u m e n t s 聲明尸明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學(xué)位論文 基于沖擊脈沖法的滾動(dòng)軸承故障診斷 方法研究 是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 和取得的研究成果 據(jù)本人所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的 學(xué)位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 耋匾丕 日 期 2 宰 f 了 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán)保管 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件 學(xué)?？梢圆捎糜坝?縮印或其它復(fù)制手 段復(fù)制并保存學(xué)位論文 學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱 學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為 目的 復(fù)制贈送和交換學(xué)位論文 同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表 傳播 學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 耋 厘匠 日 期 q 仝 l1 導(dǎo)師簽名 丕壺呈 日期 q2 f j q 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 課題研究的意義 第一章引言 隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展 生產(chǎn)過程中基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化 這時(shí)品質(zhì)檢測的 自動(dòng)化和智能化引起了人們的重視 現(xiàn)代機(jī)械的主流之一是被稱為 傳動(dòng)系統(tǒng) 的 動(dòng)力機(jī)械和傳動(dòng)機(jī)械 而傳動(dòng)系統(tǒng)最關(guān)鍵 最重要的部件則是軸承 軸承部件相對 于整臺機(jī)械來說是價(jià)格低廉的部件 但卻是故障率最高的部件 有關(guān)資料統(tǒng)計(jì) 機(jī) 械故障的7 0 是振動(dòng)故障 而振動(dòng)故障中有3 0 是由滾動(dòng)軸承引起的n 1 這是因?yàn)檩S 承是機(jī)械設(shè)備中工作條件最為惡劣的部件 軸承在機(jī)械設(shè)備中起著承受載荷 傳遞 載荷的作用 因而其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺機(jī)器的功能 軸承部件故障所造成的 整臺設(shè)備損壞 引發(fā)災(zāi)難性事故 造成重大經(jīng)濟(jì)損失的事例不勝枚舉疆1l 作為基礎(chǔ)零部件的滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中 滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的 識別與診斷一直是人們關(guān)注的研究課題 研究滾動(dòng)軸承的缺陷和故障識別技術(shù)及方 法無疑具有重要的意義 滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中 受到力 熱 以及摩擦磨損等多 種作用 其運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化 一旦發(fā)生故障 往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果 因此 必須在事故發(fā)生以前就能診斷出故障并加以消除 即必須在滾動(dòng)軸承運(yùn)行過程中對 其運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)做出判斷 采取相應(yīng)的對策 杜絕事故的發(fā)生 這樣做 就可大大 提高機(jī)器運(yùn)行的可靠性 迸一步提高機(jī)器的使用率 因此滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)是 機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的重要組成部分 分析研究滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)具有重大 的科學(xué)意義和實(shí)際意義 1 2 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 2 1 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)視與故障診斷在國外大概開始于2 0 世紀(jì)6 0 年代 在其后幾 十年的發(fā)展時(shí)間應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大 診斷的有效性不斷提高 總的來說 滾動(dòng)軸 承故障診斷的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段d 枷 第一階段 利用通用的頻譜分析儀診斷軸承故障 2 0 世紀(jì)6 0 年代中期 由于 快速傅立葉變換 f f t 技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展 振動(dòng)信號的頻譜分析得到了很大的發(fā)展 人們根據(jù)對滾動(dòng)軸承元件有損傷時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號特征頻率的計(jì)算和采用頻譜分 析儀實(shí)際分析得到的結(jié)果進(jìn)行比較來判斷滾動(dòng)軸承是否有故障 第二階段 利用沖擊脈沖技術(shù)診斷軸承故障 2 0 世紀(jì)6 0 年代末 瑞典儀器公 司根據(jù)各個(gè)鋼制軸承元件表面損傷后在受載情況下接觸時(shí)要產(chǎn)生沖擊引起高頻壓 1 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 縮波的現(xiàn)象開發(fā)了一種成為沖擊脈沖計(jì) s h o c kp u l s em e t e r 的儀器來監(jiān)測軸承故 障 并且不需要進(jìn)行頻譜分析 所以它一經(jīng)發(fā)明便很快被美國 英國等工業(yè)發(fā)達(dá)國 家所采用 早期的沖擊脈沖計(jì)只用來檢測軸承的局部損傷類故障 后來 隨著這一 技術(shù)的不斷發(fā)展和完善 世界上其他一些國家的公司可廠家相繼開發(fā)出各種更新?lián)Q 代的產(chǎn)品 這些儀器不但用于監(jiān)測軸承局部損傷類故障 而其用來監(jiān)測軸承的潤滑 情況甚至油膜厚度等 盡管s p m 技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了幾十年時(shí)間 但現(xiàn)在仍然在廣泛的 使用 6 1 第三階段 利用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承故障 1 9 7 4 年 美國波音公司的 d r h a r t i n g 發(fā)明了一項(xiàng)叫做搿共振解調(diào)分析系統(tǒng) 的專利m 共振解調(diào)技術(shù)與沖 擊脈沖技術(shù)相比 對軸承早期損傷類故障更有效 共振解調(diào)技術(shù)不但能診斷出軸承 是否有故障 而且可以判斷出故障發(fā)生在那個(gè)軸承元件上以及故障發(fā)生的大致嚴(yán)重 程度 第四階段 開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng) 2 0 世紀(jì)9 0 年 代以來 隨著微機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展 開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)引起 了國內(nèi)外研究者的重視 微機(jī)信號分析和故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高 適應(yīng)性 強(qiáng) 易于維護(hù)和升級的特點(diǎn) 而且易于推廣和應(yīng)用 在國外 機(jī)械設(shè)備的故障診斷發(fā)展比較早 美國是最早開展設(shè)備故障診斷的國 家之一 最早進(jìn)行滾動(dòng)軸承故障診斷方面研究的是美國學(xué)者g u a t a f s s o n 和 t a l lj a n 他們于1 9 6 2 年提出初始故障可以用加速度傳感器所采集的信號峰值變化 來檢測 即用測量信號的峰數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)信號的峰數(shù)值對比方法來評價(jià)軸承狀態(tài)嘲 1 9 7 6 年 日本新日鐵株會社研制了m c v 系列機(jī)器檢測儀 m a c h i n ec h e c k e r 可分別在低頻 中頻 高頻段檢測軸承的異常信號 該公司還推出了油膜檢測儀 它是利用超聲波和高頻電流對軸承的潤滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測 檢測油膜是否破裂 而導(dǎo) 致金屬間的直接接觸 1 9 7 6 1 9 8 3 年 日本精工公司 n s k 相繼研制出了n b 系列 軸承檢測儀器 利用1 1 5 k h z 范圍內(nèi)的軸承振動(dòng)信號測量有效值和峰值來檢測軸承 故障 英國d y e r 等首先采用峭度系數(shù)法在軸承壽命機(jī)上檢測滾動(dòng)軸承損傷情況 指出峭度系數(shù)不隨載荷和轉(zhuǎn)速變化 只與故障程度有關(guān)諍1 k o i z u m i r e i f w h e e l e r 等采用信號的均方根幅值 峰值作為參數(shù)來診斷故障 效果也比較理想n h t a y l o r 比較了潤滑不足和多種故障的頻譜特點(diǎn) 并提出尺寸故障計(jì)算方法n 羽 r a n d a l l 進(jìn) 行倒頻譜分析 并指出倒頻譜分析比功率譜更好n 鍆 m a t h e w 等針對f f l 技術(shù)的不足 采用共振解調(diào)法和a r 模型來檢測低速軸承故障 取得了滿意的效果n 射 我國的故障診斷技術(shù)研究起步較晚 從1 9 7 9 年到1 9 8 3 年 設(shè)備故障診斷技術(shù) 從初步認(rèn)識進(jìn)入到初步實(shí)踐階段 主要是學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn) 對滾動(dòng)軸承 的故障診斷 在國內(nèi)雖然起步較晚 但近年來發(fā)展較快 較早進(jìn)行研究的是上海交 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 通大學(xué) 對滾動(dòng)軸承故障診斷進(jìn)行了較全面 系統(tǒng)的研究 重慶大學(xué)的雷繼堯等在 軸承壽命實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)了 高頻峰群 現(xiàn)象 并據(jù)此開發(fā)了一套 微機(jī)診斷系統(tǒng)n 引 南京航空航天大學(xué)等開發(fā)了一套軋鋼機(jī)軸承在線監(jiān)測和診斷系 統(tǒng) 提出了同一軸承內(nèi)多個(gè)同類故障的診斷方法n 引 國內(nèi)很多院校也都將滾動(dòng)軸承 故障診斷作為研究的一項(xiàng)主要內(nèi)容 吉林大學(xué)的陳向東等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼 近和記憶能力實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的故障監(jiān)測 吉林大學(xué)的陳向東等利用神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的逼近函數(shù)和記憶能力實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的故障監(jiān)測n 7 1 西北工業(yè)大學(xué) 的王平利用共振解調(diào)技術(shù)和b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承故障在線智能診斷 n h 們 該儀器具有自動(dòng)化和智能化的優(yōu)點(diǎn) 且故障診斷準(zhǔn)確性高 使用方便 從國 內(nèi)召開的全國機(jī)械設(shè)備故障診斷學(xué)術(shù)會議論文集來看 研究開展的情況也比較活 躍 國內(nèi)還研制開發(fā)了一些檢測儀器 如j k 8 2 4 1 軸承齒輪故障分析儀 h b a 2 電腦 軸承分析儀等 1 2 2 發(fā)展趨勢 隨著信號檢測技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 數(shù)字信號處理技術(shù) 人工智能技術(shù)的迅速發(fā) 展 軸承故障診斷已經(jīng)成為融合數(shù)學(xué) 物理 力學(xué)等自然科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 數(shù)字 信號處理技術(shù) 人工智能技術(shù)的綜合學(xué)科 與傳統(tǒng)的診斷方法相比 目前的研究方 向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面降船1 l 小波變換 從8 0 年代后期開始 作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支 小波變換得到了迅速的發(fā)展 由于小波變換在時(shí) 頻域的局部化和可變時(shí)頻窗的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的傅立葉變換相比 小波變換更適合分析非穩(wěn)態(tài)信號 因?yàn)闈L動(dòng)軸承的損傷故障信號是典型非穩(wěn)態(tài)信 號 所以用小波變換處理軸承振動(dòng)信號 可更為有效地獲得故障特征信息 2 專家系統(tǒng) 近年來隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展 專家系統(tǒng)技術(shù)得到了迅速的推廣 所謂的專 家系統(tǒng)就是一個(gè)智能的計(jì)算機(jī)程序 它能模擬專家在處理問題時(shí)的一些推理方法 利用己有的知識和經(jīng)驗(yàn)建立模型 解決問題 將基于知識的專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于故 障診斷領(lǐng)域可以使?jié)L動(dòng)軸承診斷分析和決策分析更加準(zhǔn)確可靠 3 模糊診斷 由于滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號中故障特征振動(dòng)與故障類型不存在絕對的對應(yīng)關(guān)系 一 種故障可能引起多種特征 而一種故障特征可能對應(yīng)多類故障 因此近年來 模糊 理論被引進(jìn)到軸承故障診斷領(lǐng)域 軸承故障模糊診斷中的概念是模糊概念 可以用 模糊集合來表示 而模糊變換運(yùn)算是用來討論模糊判斷和推理的 4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 3 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 軸承故障診斷的目的 是從故障定位到確定故障性質(zhì) 進(jìn)而確定故障發(fā)生的程 度 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具用處理復(fù)雜多模式及進(jìn)行聯(lián)想 推測和記憶的功能 因而近年 來在故障診斷領(lǐng)域引起了廣泛的研究 1 2 3 滾動(dòng)故障診斷的基本環(huán)節(jié) 滾動(dòng)軸承故障診斷要識別滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài) 研究其運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信 息中的反映 它的內(nèi)容包括對滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的識別 故障預(yù)測和故障監(jiān)視等 概括為以下5 個(gè)方面洶啪1 1 測取 根據(jù)滾動(dòng)軸承的工況 選擇并測取能夠反映滾動(dòng)軸承工作情況或狀態(tài) 的信號 2 特征 征兆 提取 從狀態(tài)信號中提取與滾動(dòng)軸承故障對應(yīng)的特征信息 征 兆 3 監(jiān)視 狀態(tài)識別 根據(jù)特征信息 識別滾動(dòng)軸承的故障 故障識別 4 診斷 狀態(tài)分析 根據(jù)滾動(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)的征兆和故障 進(jìn)一步分析故障的 部位 類型 原因和趨勢等 5 決策干預(yù) 根據(jù)滾動(dòng)軸承的故障及其發(fā)展趨勢 做出評價(jià)和決策 包括控制 自診治 調(diào)整 維修 繼續(xù)監(jiān)測等措施 整個(gè)診斷過程如圖1 1 所示 圖1 1 滾動(dòng)軸承故障診斷的過程 基于振動(dòng)信號分析的機(jī)械監(jiān)測診斷技術(shù) 目前仍然是軸承診斷的主要手段之 一 振動(dòng)法是通過安裝在軸承座適當(dāng)方位的振動(dòng)傳感器監(jiān)測軸承的振動(dòng)信號 并對 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 此信號進(jìn)行分析處理來判斷軸承的狀況和故障 由于振動(dòng)法具有 適用于各種類 型 各種工況的軸承 可以有效診斷出早期故障 信號測試與處理簡單直觀 診 斷結(jié)果相對可靠等優(yōu)點(diǎn) 所以在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用 1 3 本論文的內(nèi)容 本論文主題在如何有效地運(yùn)用沖擊脈沖法從滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號中提取故障信 息 繼而判斷滾動(dòng)軸承是否存在故障及其故障程度 圍繞這個(gè)主題 本文的研究內(nèi) 容如下 第一章 概述滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)研究的意義 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 第二章 系統(tǒng)的介紹了滾動(dòng)軸承的主要失效形式 振動(dòng)機(jī)理以及其典型故障的 振動(dòng)特征 第三章 詳細(xì)的闡述了沖擊脈沖法原理 希爾伯特變換 h i i b e r t 原理 并 通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性 第四章 詳細(xì)闡述了基于小波包濾波的沖擊脈沖原理 提出了基于小波包變換 的滾動(dòng)軸承故障診斷方法 并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性 第五章 在前面分析的基礎(chǔ)上 采用l a b v i e w 軟件編寫了基于虛擬儀器的滾動(dòng) 軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承參數(shù)的設(shè)置 信號的時(shí)域和頻域分析 信號的故障沖擊脈沖值顯示與診斷等功能 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章滾動(dòng)軸承故障特征分析 軸承是機(jī)械系統(tǒng)中重要的支撐部件 其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯(lián) 的轉(zhuǎn)軸以及安裝在轉(zhuǎn)軸上的齒輪乃至整個(gè)機(jī)器設(shè)備的性能 據(jù)統(tǒng)計(jì) 在使用軸承的 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中 大約有3 0 的故障都是由軸承引起的 因此 開展對軸承的故障診斷 很有現(xiàn)實(shí)意義 根據(jù)其工作原理的不同 軸承可分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類 在生產(chǎn)實(shí)際中 滾動(dòng)軸承應(yīng)用較廣泛 所以 在本文中我們只討論滾動(dòng)軸承的故障 診斷 2 1 滾動(dòng)軸承的失效形式 滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中 由于裝配不當(dāng) 潤滑不良 水分和異物侵入 腐蝕和 過載等都可能視軸承過早損壞 即使不出現(xiàn)上述情況 經(jīng)過一段時(shí)間后 軸承也會 出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作 總之 滾動(dòng)軸承的損傷形式是十分復(fù)雜的 下面列出滾動(dòng)軸承的主要損傷形式及原因咖1 2 1 1 滾動(dòng)軸承的正常疲勞失效 滾動(dòng)軸承在其運(yùn)行總小時(shí)數(shù)超過軸承計(jì)算壽命后 所發(fā)生的疲勞剝落為正常疲 勞失效 產(chǎn)生正常失效的原因是滾動(dòng)表面的金屬由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)超過材料 的疲勞極限 從次表層開始萌生疲勞裂紋 并向表面層開裂而落下金屬碎片一剝落 正常疲勞失效所表現(xiàn)的特征 疲勞裂紋的萌生在次表層 故看不見 用普通儀器也 無法偵聽到 剝落的屑片表面粗糙而不規(guī)則 原滾動(dòng)表面留下疤痕狀小坑 稱為點(diǎn) 蝕 點(diǎn)蝕一旦出現(xiàn) 即迅速擴(kuò)展 短時(shí)間內(nèi)即引起全面疲勞剝落 應(yīng)及早更換軸承 否則將引起軸承的事故性報(bào)廢 可能對安裝部位甚至對整機(jī)帶來嚴(yán)重的后果 超過計(jì)算壽命的疲勞剝落 實(shí)際上是不可避免的最終必然發(fā)生的現(xiàn)象 這時(shí)材 料的潛力已被充分利用 如用戶在工作壽命方面的要求仍不滿足 可在軸承的潤滑 劑中加添合適的極壓添加劑 改用性能更高或尺寸更大的軸承 或選用真空冶煉 多次真空重?zé)挼蠕摬乃戚S承 2 1 2 滾動(dòng)軸承的正常磨損失效 滾動(dòng)軸承在其運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)或總轉(zhuǎn)數(shù)超過軸承的計(jì)算壽命 或超過磨損壽命后 的過度磨損 為正常磨損失效 產(chǎn)生原因是 滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)都伴有微小滑動(dòng) 所 受負(fù)荷也總有一定波動(dòng) 因而潤滑可以延緩磨損但實(shí)際不能避免兩界面的固體接 觸 即不能完全避免磨損 它所表現(xiàn)出的特征是 滾動(dòng)表面沿運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較光滑 的磨損條紋 新條紋有顯著的金屬光澤 滾動(dòng)軸承的正常磨損也有三個(gè)階段 即短 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 期的 跑合 磨損 很長時(shí)間的平緩磨損 以及短期的劇烈磨損 最終使軸承的精 度喪失 或引起振動(dòng)和噪聲而不能繼續(xù)使用 超過額定壽命或磨損壽命的磨損失效 在現(xiàn)有技術(shù)水平條件下實(shí)際上也是不可 避免的 如用戶在工作壽命方面的要求仍不滿足 可改進(jìn)軸承的潤滑方式 選用更 有效的潤滑劑 或按具體情況加添合適的油性添加劑或抗磨添加劑 提高軸承及其 潤滑劑的清潔程度 改進(jìn)密封等 2 1 3 滾動(dòng)軸承的疲勞失效 疲勞是滾動(dòng)軸承的另一種失效形式 常表現(xiàn)為滾動(dòng)體或滾道表面剝落或脫皮 初期是在表面上形成不規(guī)則的凹坑 以后逐漸延伸成片 滾動(dòng)軸承在工作時(shí) 由于 滾動(dòng)體與內(nèi) 外圈接觸面積很小 因此接觸應(yīng)力很大 在高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 由于巨大交 變接觸應(yīng)力多次反復(fù)作用 軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞 產(chǎn)生剝落形成小凹坑 造成剝落的主要原因是載荷引起的交變應(yīng)力 有時(shí)是因?yàn)闈櫥涣紡?qiáng)迫安裝 2 1 4 滾動(dòng)軸承的膠合失效 膠合發(fā)生在滾動(dòng)接觸的兩個(gè)表面間 為一個(gè)表面上的金屬粘附到另一個(gè)表面的 現(xiàn)象 當(dāng)滾子在保持架內(nèi)卡住 由于潤滑不良 速度過高和慣性力的影響 保持架 的材料粘附到滾子端面上形成螺旋型污斑狀的膠合 2 1 5 滾動(dòng)軸承的磨損失效 磨損是滾動(dòng)軸承最常見的一種失效形式 是軸承滾道 滾動(dòng)體 保持架 座空 或安裝軸承的軸頸 由于機(jī)械原因或潤滑雜質(zhì)引起的表面磨損 在工作環(huán)境惡劣的 情況下 許多雜質(zhì)會混雜在潤滑油中 進(jìn)入軸承 從而就會在滾動(dòng)體和滾道上產(chǎn)生 磨料磨損 在滾動(dòng)體和滾道上出現(xiàn)不均勻的劃痕 磨料的存在 是軸承磨損的基本 原因 2 1 6 滾動(dòng)軸承的燒傷失效 滾動(dòng)軸承的燒傷失效損傷結(jié)果是 表面局部軟化 降低使用壽命 滾動(dòng)軸承的 燒傷失效損傷特征是 滾道面 滾動(dòng)體面 擋邊面變色 軟化 熔體滾動(dòng)軸承的燒 傷失效損傷原因是 裝配不當(dāng) 潤滑不良 2 1 7 滾動(dòng)軸承的腐蝕失效 疲勞是滾動(dòng)軸承的另一種失效形式 常表現(xiàn)為滾動(dòng)體或滾道表面剝落或脫皮 初期是在表面上形成不規(guī)則的凹坑 以后逐漸延伸成片 滾動(dòng)軸承在工作時(shí) 由于 滾動(dòng)體與內(nèi) 外圈接觸面積很小 因此接觸應(yīng)力很大 在高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 由于巨大交 變接觸應(yīng)力多次反復(fù)作用 軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞 產(chǎn)生剝落形成小凹坑 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 造成剝落的主要原因是載荷引起的交變應(yīng)力 有時(shí)是因?yàn)闈櫥涣紡?qiáng)迫安裝 2 1 8 滾動(dòng)軸承的破損失效 滾動(dòng)軸承的破損失效損傷結(jié)果是 導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋 斷裂 使軸承失效 滾動(dòng)軸 承的破損失效損傷特征是 外環(huán)或內(nèi)環(huán)裂紋 滾動(dòng)體產(chǎn)生裂紋 保持架斷裂 滾動(dòng) 軸承的破損失效損傷原因是 沖擊載荷過大 裝配不當(dāng) 膠合發(fā)展 沖擊載荷 熱 處理不當(dāng) 制造原因 對中不良 潤滑不良 異物載荷 轉(zhuǎn)速過快 異物進(jìn)入 2 1 9 滾動(dòng)軸承的壓痕失效 壓痕是由于軸承過載 撞擊或異物進(jìn)入滾道內(nèi)使得滾動(dòng)體或滾道表面上產(chǎn)生局 部變形而出現(xiàn)的凹坑 其原因主要是由于裝配不當(dāng) 有時(shí)也可能是過載或撞擊造成 2 2 滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)的診斷 滾動(dòng)軸承不同類型的故障會引起軸承系統(tǒng)不同性質(zhì)的振動(dòng) 如圖2 i 所示m 1 囊損 壕心 圖2 i 滾動(dòng)軸承故障框圖 8 一一一一一一一一 一一一一一一 一一一一一一一一 藿一一 薹一一一一一一 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 1 引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)的原因和特征頻率 引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)和噪聲的原因 除了外部激勵(lì)因素 如轉(zhuǎn)子的不平衡 不對 中 流體激勵(lì) 結(jié)構(gòu)共振的振動(dòng)傳遞 之外 屬于軸承本身內(nèi)部原因產(chǎn)生的振動(dòng)可 分如下三種類型口2 1 第一類由于軸承結(jié)構(gòu)本身引起的振動(dòng) 這部分包括 滾動(dòng)體通過載荷的方向 產(chǎn)生的振動(dòng) 套圈的固有振動(dòng) 軸承彈性特性引起的振動(dòng) 第二類由于軸承形狀和精度問題引起的振動(dòng) 這部分包括 套圈 滾道和滾 動(dòng)體波紋度引起的振動(dòng) 滾動(dòng)體大小不均勻和內(nèi) 外圈偏心引起的振動(dòng) 第三類由于軸承使用不當(dāng)或裝配不正確引起的振動(dòng) 這部分包括 滾道接觸 表面局部缺陷引起的振動(dòng) 潤滑不良 由摩擦引起的振動(dòng) 裝配不正確 軸頸偏斜 產(chǎn)生的振動(dòng) 下面將分別敘述滾動(dòng)軸承發(fā)生振動(dòng)的各類故障原因和特征 l 滾動(dòng)體通過載荷方向產(chǎn)生的振動(dòng) 軸承在外載荷的作用下 最下面的滾動(dòng)體受力最大 最上面的滾動(dòng)體受力最小 其余的滾動(dòng)體的受力依據(jù)其位置的不同是不相同的 軸在旋轉(zhuǎn)過程中 最下面的滾動(dòng)體從載荷中心線下面向非載荷中心線位置滾 動(dòng) 其接觸力由大變小 并且引起軸頸中心6 的位移 軸頸中心不僅有上下方向的 微動(dòng) 隨著滾動(dòng)體接觸位置的變動(dòng) 還有水平方向的微動(dòng) 因此 只要軸在旋轉(zhuǎn) 每個(gè)滾動(dòng)體通過載荷的中心線時(shí) 就會發(fā)生一次力的變化 對軸頸或軸承座產(chǎn)生激 勵(lì)的作用 2 套圈的固有振動(dòng) 套圈的固有振動(dòng)主要表現(xiàn)在外圈上 因?yàn)橐话爿S承中外圈與軸承殼體為動(dòng)配 合 外圈在殼體內(nèi)可以自由活動(dòng) 因此軸承上受到任何沖擊性的激勵(lì)力 均可激起 外圈固有頻率的振動(dòng) 內(nèi)圈因?yàn)榕c軸為靜配合 固有振動(dòng)頻率較高 振動(dòng)相對要小 套圈徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率可近似地按下式計(jì)算 厶 一n n 2 而1 2 a d 2 償p a h z 2 1 砌 2 2 1v 式中e 一材料的彈性模數(shù) p a 鋼材為2 1 0 g p a i 一圓環(huán)縱向截面的慣性矩 刪4 g 一重力加速度 j 2 p 一材料密度 磁 刪3 a 一圓環(huán)縱向截面面積 h b h m 2 h 圓環(huán)厚度 m b 圓環(huán)寬度 m 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 卜圓環(huán)中性軸直徑 m 2 n 一振動(dòng)階數(shù) 3 軸承彈性特性引起的振動(dòng) 軸承彈性特性除了引起套圈振動(dòng)之外 滾動(dòng)體也會像一個(gè) 彈簧 那樣產(chǎn)生彈 性變形 但是它的剛性很高 并且具有非線性彈簧的特性 如果潤滑不良 容易出 現(xiàn)非線性振動(dòng) 振動(dòng)頻率有軸的轉(zhuǎn)速頻率 高次諧波和分?jǐn)?shù)諧波 不過球軸承的彈 性特征具有對稱的非線性 一般產(chǎn)生奇數(shù)倍的諧波振動(dòng) 有游隙的大型軸承 承受徑向載荷或作低速旋轉(zhuǎn)時(shí) 滾動(dòng)體從負(fù)荷區(qū)進(jìn)入非負(fù) 荷區(qū)變成自由運(yùn)動(dòng) 因滾動(dòng)體自身重力使其位置超前或滯后 將沖撞保持架和套圈 產(chǎn)生自由振動(dòng) 軸承套圈的固有頻率從數(shù)千赫茲至數(shù)十千赫茲 而滾動(dòng)體的固有頻率可達(dá)數(shù)百 千赫 可見滾動(dòng)軸承元件的固有頻率都是很高的 軸承接觸表面的缺陷所產(chǎn)生的沖 擊力 能夠激起軸承元件的固有頻率振動(dòng) 一般在2 0 6 0 k h z 范圍內(nèi)總是有它的振 動(dòng)響應(yīng) 因此很多振動(dòng)診斷方法利用這一頻段作為檢測頻帶 4 套圈 滾道和滾動(dòng)體波紋度引起的振動(dòng) 軸承內(nèi) 外圈經(jīng)過精加工的 雖然明顯的起伏波紋并不存在 但是一些微小的 加工波紋也會引起軸承的振動(dòng) 波紋度是引起軸承振動(dòng)的主要原因之一 振動(dòng)頻率 與波紋數(shù)n 的關(guān)系和所處的元件有關(guān) 當(dāng)球軸承承受軸向載荷 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn) 外圈靜 止時(shí) 其溝道上的波紋峰數(shù)與外圈振動(dòng)頻率的關(guān)系見表2 1 所示 表2 1軸承滾動(dòng)面波紋度與振動(dòng)頻率的關(guān)系 波紋峰數(shù)振動(dòng)頻率 軸承元件 徑向或角度軸向徑向或角度軸向 方向方向 內(nèi)圈滾道 肥 1 忍z 嘲l(fā) t f 礪 外圈滾道 7 1 7 土l 舷 碩 吐 滾動(dòng)體滾動(dòng) 2 n2 n 2 礬 f o喊 面 注 露一正整數(shù) n l 2 3 z 一滾動(dòng)體數(shù) 一軸轉(zhuǎn)速頻率 1 0 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 z 一一個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈上的通過頻率 z 一保持架轉(zhuǎn)速頻率 一滾動(dòng)體相對于保持架的轉(zhuǎn)速頻率 從表2 1 中看到 只有當(dāng)內(nèi) 外圈的加工波紋峰數(shù)為n z l 是 才會產(chǎn)生外圈的 徑向移動(dòng) 而當(dāng)波紋峰數(shù)為舷時(shí) 外圈不產(chǎn)生徑向移動(dòng) 5 滾動(dòng)體大小不均勻和內(nèi) 外圈偏心引起的振動(dòng) 滾動(dòng)體大小不均勻 不僅使大的滾動(dòng)體受到較大的應(yīng)力 過早產(chǎn)生疲勞剝落 而且軸承在工作中容易發(fā)生顫振 發(fā)出噪聲 研究證明 大小不同的滾動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)后 的磨耗程度是不相同的 小球的磨耗反而大于大球 而且球的大小相差愈大 磨耗 愈明顯 結(jié)果是軸承游隙增大 運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低 振動(dòng)和噪聲增加 所以對直徑較小 的滾動(dòng)軸承 直徑d 1 5 m m 一般規(guī)定滾動(dòng)體直徑大小相差不超過0 0 0 2 m m 較精 密的軸承不大于0 0 0 1 m m 超精軸承要求不大于0 0 0 0 6 m m 6 滾道接觸表面局部性缺陷引起的振動(dòng) 滾動(dòng)軸承可能由于潤滑不良 載荷過大 材質(zhì)不良 軸承內(nèi)落入異物 修飾等 原因引起軸承工作表面上的剝落 裂紋 壓痕 腐蝕凹坑和膠合等離散型缺陷或局 部損傷 當(dāng)滾動(dòng)體通過一個(gè)缺陷時(shí) 就會產(chǎn)生一個(gè)微弱的沖擊脈沖信號 好像小榔 頭敲擊一樣 軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起軸承和軸承座各零件以其固有頻率振 動(dòng) 振動(dòng)能量隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減 因此 這種由局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈 沖信號 其頻率成分不僅有反映軸承故障特征的問隔頻率 即通過缺陷處的沖擊頻 率 而且還包含有反映軸承元件自振頻率的高頻成分 7 潤滑不良 由摩擦引起的振動(dòng) 滾動(dòng)軸承發(fā)生摩擦 主要由下列幾部分產(chǎn)生 滾動(dòng)體與滾道之間的滾動(dòng)與滑動(dòng) 摩擦 滾柱軸承的滾動(dòng)體端面與套圈擋邊之間的滑動(dòng)摩擦 滾動(dòng)體與保持架之間的 滑動(dòng)摩擦 保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦 軟化劑 空氣對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)元件的 摩擦 密封裝置的滑動(dòng)摩擦 在上述這幾部分的摩擦中 滾動(dòng)體與滾道之間除了滾動(dòng)摩擦之外 還有一定量 的滑動(dòng)摩擦 滾動(dòng)軸承中存在各個(gè)元件之間的滑動(dòng)摩擦 摩擦導(dǎo)致磨損 擦傷 疲勞剝落和 裂紋的損傷 如果潤滑劑不足或潤滑不良 滾動(dòng)體在滾道上不能形成良好的油膜 金屬之間的直接摩擦在滾道上產(chǎn)生更多的缺陷或損傷 使軸承工作時(shí)振動(dòng)加大 保持架的引導(dǎo)面與滾動(dòng)體之間無油膜隔離 則可能使?jié)L動(dòng)體在保持架內(nèi)被卡 住 滾動(dòng)體在滾道上以滑動(dòng)代替滾動(dòng) 產(chǎn)生摩擦發(fā)熱 保持架的材料膠合到滾動(dòng)體 上 潤滑不良首先會使保持架產(chǎn)生異常的振動(dòng)和噪聲 這種振動(dòng)是由于滾動(dòng)體和保 持架之間發(fā)生摩擦 引起保持架的自激振動(dòng)所致 1 1 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 裝配不正確 軸頸偏斜產(chǎn)生的振動(dòng) 如果軸承在軸上裝歪或者旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生了彎曲 軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的角度不 對中現(xiàn)象 將表現(xiàn)出以轉(zhuǎn)速頻率 為特征的振動(dòng)頻率 但在滾動(dòng)軸承中 由于軸的 彎曲式軸承單側(cè)受力 因此又具有滾動(dòng)體通過頻率 的特征 兩者結(jié)合成為以士 成為這種故障振動(dòng)的主要頻率成分 2 2 2 滾動(dòng)軸承缺陷產(chǎn)生的間隔頻率 當(dāng)滾動(dòng)體和滾道接觸處遇到一個(gè)局部缺陷時(shí) 就有一個(gè)沖擊信號產(chǎn)生 缺陷在 不同元件上 接觸點(diǎn)經(jīng)過缺陷的頻率是不同的 這個(gè)頻率就稱為沖擊脈沖的問隔頻 率或特征頻率 間隔頻率可以根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速 軸承零件的形狀和尺寸由軸承的簡 單運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析中得到 圖2 2 滾動(dòng)軸承中各元件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 如圖2 2 所不 設(shè)外幽和內(nèi)圈滾遭上分別有一袋觸點(diǎn)a 和b 如果徑向辯隙為 零 則a 點(diǎn)和b 點(diǎn)的圓周速度分別為 匕 魯 2 2 匕 苜 心吃 畸 魯啊 2 3 畸 苜啊 皚峭 式中 匕 m 一外圈 內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的圓周速度 i m f 見 4 一外圈 內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的直徑 所肌 吩一外圈 內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速 r n l i n 令 若c o 孵 c2 訓(xùn) 式中d 滾動(dòng)體直徑 m 聊 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 見一滾動(dòng)體中心圓直徑 m m 口一接觸角 指接觸中心線與滾動(dòng)體中心線在軸承軸向平面上的夾角 t a d 或 o 滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)線速度也就式保持架中心圓的線速度 保持架的轉(zhuǎn)速為 l l c 寺 啊 1 一廠 1 廠 2 5 二 內(nèi)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速為 1 吩一心 寺 吩一心 1 2 6 外圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速為 以鐘 一他 寺 心一啊 1 一力 2 7 二 絕大多數(shù)滾動(dòng)軸承在實(shí)際應(yīng)用中總是保持外圈靜止 內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn) 當(dāng)軸 的轉(zhuǎn)速為刀時(shí) 則 啊2 再 20 由上面式 9 6 可得內(nèi)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速 內(nèi)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速 7 1 1 艫i 1 椰 等 2 8 因?yàn)楸３旨苌嫌衵 個(gè)滾動(dòng)體 所以內(nèi)圈上某一點(diǎn)每分鐘通過的滾動(dòng)體數(shù)為 mw 7 1 1 警弦 k 7 1 卜艫 1 卜等 k 2 互刀 卜 2 卜1 i 外圈上某一點(diǎn)每分鐘通過的滾動(dòng)體數(shù)為 札釧擴(kuò)i 1 椰一半z 滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)速度為 p 告以c l y 2 卜銣 d 2 吒c o s 2 口 1 3 2 9 9 1 0 2 1 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)內(nèi)圈 外圈 滾子出現(xiàn)點(diǎn)蝕等故障時(shí) 會產(chǎn)生一定 特征 頻率的沖擊 引 起軸承振動(dòng) 機(jī)器運(yùn)行會出現(xiàn)周期性脈沖 在外圈固定 內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)的情況 下 假如內(nèi)圈滾道 外圈滾道或滾動(dòng)體上有一處局部缺陷 剝落或裂紋 則兩種 金屬在缺陷處相接觸時(shí)的沖擊振動(dòng)間隔頻率見表2 2 表2 2 由局部缺陷引起的沖擊振動(dòng)間隔頻率 缺陷位置沖擊振動(dòng)發(fā)生的間隔頻率備注 h z 內(nèi)圈z 個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)圈上一處缺 石 赤 麥 弦 陷的頻率 外圈z 個(gè)滾動(dòng)體通過外圈上一處缺 z 赤 1 一壽讎咖 陷的頻率 滾動(dòng)沖擊單側(cè)即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率 體 滾道 0 1 一見d 1 番2 吶 沖擊兩側(cè)滾動(dòng)體上一處缺陷沖擊內(nèi) 外 滾道 厶 麗n 了o 1 一番c o s 2 口 圈滾道的頻率 保持架與外圈摩即保持架的頻率 擦 厶 赤 1 一番 保持架與內(nèi)圈摩亦即一個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)圈上某 擦 無 赤 1 壽 s 一點(diǎn)的頻率 2 3 本章小結(jié) 本章詳細(xì)闡述了滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)理 失效形式 振動(dòng)類型及發(fā)生故障的 原因 為以后幾章的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號的故障分析提供了理論依據(jù) 1 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章沖擊脈沖法在滾動(dòng)軸承故障中的研究 沖擊脈沖法 英文稱s p m 即s h o c kp u l s em e t h o d 是由瑞典s p mi n s t r u m e n t a b 公司在上世紀(jì)6 0 年代末最先提出的一套系統(tǒng)監(jiān)測方法 專門用于滾動(dòng)軸承多種 失效的診斷 尤其對疲勞失效 磨損失效 潤滑不良等失效的診斷準(zhǔn)確率相當(dāng)高 是滾動(dòng)軸承失效診斷的主要方法 目前被公認(rèn)為對診斷滾動(dòng)軸承局部損傷故障工程 實(shí)用性最強(qiáng) 3 1 沖擊脈沖法介紹 2 0 世紀(jì)6 0 年代末 瑞典儀器公司根據(jù)各個(gè)鋼制軸承元件表面損傷后在受載情 況下接觸時(shí)要產(chǎn)生沖擊引起高頻壓縮波的現(xiàn)象開發(fā)了一種成為沖擊脈沖計(jì) s h o c k p u l s em e t e r 的儀器來監(jiān)測軸承故障 并且不需要進(jìn)行頻譜分析 所以它一經(jīng)發(fā)明 便很快被美國 英國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家所采用 早期的沖擊脈沖計(jì)只用來檢測軸承的 局部損傷類故障 后來 隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和完善 世界上其他一些國家的 公司可廠家相繼開發(fā)出各種更新?lián)Q代的產(chǎn)品 這些儀器不但用于監(jiān)測軸承局部損傷 類故障 而其用來監(jiān)測軸承的潤滑情況甚至油膜厚度等 盡管s p m 技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生了 幾十年時(shí)間 但現(xiàn)在仍然在廣泛的使用 3 1 1 沖擊脈沖法基本原理 傳統(tǒng)的振動(dòng)分析技術(shù)是直接對振動(dòng)信號作f f t 分析 得到 振動(dòng)頻譜一 該頻 譜中含有 機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡 支承對中不良等因素引起的低頻振動(dòng)的多階頻譜 軸 承故障損傷引起沖擊的若干階頻譜等 軸承故障沖擊的譜線實(shí)際上是看不到的 在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械及其軸承故障診斷領(lǐng)域所論的振動(dòng) 通常是指周期振動(dòng) 即與機(jī)器 轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)的 周而復(fù)始的 其頻譜相對于引起該現(xiàn)象周期作用力之重復(fù)頻率僅數(shù)倍 以內(nèi)的運(yùn)動(dòng) 而沖擊則是相對于引起該現(xiàn)象周期作用力的重復(fù)頻率有幾乎無限豐富 的高階頻譜的特殊振動(dòng) 振動(dòng)主要是由連續(xù)的不平衡作用力引起的 而沖擊擇主要 由不連續(xù)的沖擊力所致的碰撞引起 則主要由不連續(xù)的沖擊力所致的碰撞引起b 鍆 圖3 i 沖擊和振動(dòng)的瞬時(shí)信號 1 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 盡管沖擊的基本重復(fù)頻率也與振動(dòng)的重復(fù)頻率相同或相近 但是 初期故障引 起的沖擊的量值常常遠(yuǎn)小于振動(dòng)值 這是因?yàn)檎駝?dòng)表現(xiàn)為上述的持久過程 能量是 持續(xù)釋放的 積累量值較大 而沖擊則是異常短暫的過程 峰值能量也許較大 但 積累能量甚微 圖3 2 沖擊脈沖的形成過程圖3 3 振動(dòng)的形成過程 共振 同樣是人們司空見慣的物理現(xiàn)象 如果外力的激勵(lì)頻率與物體的固有頻 率相同 則將激起物體產(chǎn)生很大的振動(dòng) 如果物體的阻尼很小的話 振動(dòng)將趨于無 窮大 但是 上面的論述 僅僅描述了共振的一個(gè)方面 值得注意的另一種共振現(xiàn) 象是 任何一個(gè)諧振系統(tǒng) 不管激勵(lì)它的外部作用的重復(fù)頻率如何不同于其固有頻 率 只要外作用力的高階頻譜落在以固有頻率為中心的一個(gè)通帶內(nèi) 也將激起該系 統(tǒng)的共振現(xiàn)象發(fā)生 我們可以應(yīng)用共振的這一獨(dú)有特征 來提取深埋于正常振動(dòng)信息中的軸承故障 沖擊的信息 由于正常的振動(dòng)中不含高頻的分量 而軸承等故障沖擊中則含有 因 此 可設(shè)一個(gè)高頻的 正常振動(dòng)頻率所不達(dá)的諧振系統(tǒng) 剔除正常振動(dòng) 響應(yīng)沖擊 激勵(lì) 實(shí)現(xiàn)沖擊信息的提取 由此得出沖擊脈沖的理論依據(jù) 在一個(gè)滾動(dòng)軸承內(nèi) 當(dāng)內(nèi)圈 外圈或滾動(dòng)體損 傷時(shí) 在其受載相接觸時(shí)要產(chǎn)生沖擊 該沖擊在軸承內(nèi)外圈滾道上產(chǎn)生壓力波 并 且以不連續(xù)的沖擊脈沖波形式傳遞到軸承座上 在這個(gè)沖擊力作用下 軸承元件或 結(jié)構(gòu)的某一部分的固有頻率可能被激發(fā) 盡管沖擊脈沖的重復(fù)率遠(yuǎn)低于軸承的固有 頻率 但只要這個(gè)沖擊產(chǎn)生的高階頻率落在軸承固有頻率的通帶內(nèi) 也會激起軸承 系統(tǒng)的共振現(xiàn)象 沖擊脈沖法正是通過檢測沖擊點(diǎn)處的沖擊波幅值來判斷軸承內(nèi)滾 動(dòng)體與滾道間的碰撞程度 從而有效識別出軸承的工作狀態(tài)與故障類型 軸承的沖擊振動(dòng)激起其固有頻率的減幅振蕩 經(jīng)軸承座傳播到加速度傳感器 上 這個(gè)振動(dòng)的幅度與軸承故障的嚴(yán)重程度成正比 對此加速度信號進(jìn)行采集 經(jīng) 過帶通濾波器 濾除軸承附近的中低頻的機(jī)械干擾 只讓反映沖擊脈沖振動(dòng)的高頻 成分通過 其高頻信號經(jīng)過可調(diào)衰減器和放大器 再經(jīng)包絡(luò)檢波得到解調(diào)后的信號 對此信號進(jìn)行分析處理 最終顯示出沖擊脈沖值來確定軸承的運(yùn)行狀態(tài) 沖擊脈沖 信號處理的過程如圖3 4 所示m l 信號變換過程如圖3 5 所示 1 6 且 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 4 脈沖信號明處理過程 f l 原始脈沖渡 l 二笨x 一吣一啊一 弋伯 共攮響應(yīng)渡 lk j 吣k 盈k a 地對僵處理 缸 l 一 爭叫p 宅 乜絡(luò)檢波 i 一t t i i口 口 口 口口口 口 沖擊脈沖僵 圈3 5 沖擊脈沖法酌信號蠻換討稃 采用沖擊脈沖診斷滾動(dòng)軸承 只能判明其總體的狀態(tài) 不可確定其中哪個(gè)元件 損壞 這在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備中已經(jīng)足夠 因?yàn)閷τ跐L動(dòng)軸承來說只要其中任何一個(gè)元 件損壞 都得進(jìn)行總體更換 無需將故障定位到某個(gè)元件 3 1 2 滾動(dòng)軸承的壽命及其評定參數(shù) 3 1 2 1s p m 法軸承壽命定義 滾動(dòng)軸承的壽命是以同一批型號的軸承 在相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下9 0 的軸承不發(fā)生 破壞前的轉(zhuǎn)數(shù)或工作小時(shí)數(shù)作為軸承的壽命 并把這個(gè)壽命叫做額定壽命 而沖擊 脈沖對軸承壽命的定義為 一只完好的新軸承有一個(gè)初始沖擊振動(dòng)值 當(dāng)沖擊振動(dòng) 值達(dá)到初始沖擊振動(dòng)值的1 0 0 0 倍左右時(shí) 就認(rèn)為該軸承已經(jīng)達(dá)到使用壽命的終點(diǎn) 用分貝 d b 表示時(shí) 軸承壽命終點(diǎn)的沖擊振動(dòng)值為6 0d b 即 2 0 i g l 0 0 0 l 2 0 x1 9 1 0 3 2 0 3 6 0 d b 3 1 3 1 2 2s p m 法軸承狀態(tài)評定參數(shù) d b s v 沖擊脈沖值的絕對分貝 是用來衡量沖擊脈沖能量強(qiáng)度的絕對值 d b i 沖擊脈沖值的背景分貝 即滾動(dòng)軸承初始值 其數(shù)值大小取決于滾動(dòng)軸 承內(nèi)徑大小和轉(zhuǎn)速的大小 d b i 2 0 i g n o 6 1 9 d 1 9 2 1 5 0 3 2 1 7 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 d b i 式中 n 一滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn) 分 d 一滾動(dòng)軸承內(nèi)圈直徑 毫米 d b n 沖擊脈沖值的標(biāo)準(zhǔn)分貝 用來評定滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn) d b n d b s v 峨 2 0 l g 丁2 0 0 0 s v 3 3 式中 s 卜初級儀表量度得到的