狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術 第六章 滾動軸承診斷.doc

第六章 滾動軸承診斷第一節(jié) 滾動軸承的振動監(jiān)測 軸承故障的監(jiān)測與診斷一向是機械故障診斷技術中的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計，約30%的旋轉機械的故障是由于滾動軸承的損壞所造成的。由于設計不當，或零件的加工和安裝工藝不好，或軸承服役條件欠佳，或突加載荷的襲擊，使軸承在承載運轉一段時間后會產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在繼續(xù)運行中其缺陷還會進一步擴展，使軸承運轉狀態(tài)逐漸惡化以致完全失效。軸承失效形式較多，如組成軸承的各元件由于相互運動而磨損；由于潤滑油中的水份使元件表面產(chǎn)生了化學腐蝕；由于不潔的潤滑油中含有金屬碎塊致使軸承元件表面形成壓坑；由于承受反復載荷而產(chǎn)生的疲勞點蝕、剝落或裂紋，甚至導致破斷等等。軸承的種種缺陷可以在軸承的運轉狀態(tài)下用各種方法加以檢測。例如，可以采用振動和噪聲的測試及分析技術，鐵譜分析技術或測定軸承的溫度等方法。實踐告訴我們：這些滾動軸承的故障大部分可歸結為表面的劣化，進而使振動加劇。因此，與表面狀態(tài)關聯(lián)的振動信號反應最為靈敏，從中可以吸取到反映軸承狀態(tài)的重要信息。振動監(jiān)測方法已趨成熟，最為可靠也易于實現(xiàn)。 第一節(jié) 滾動軸承的振動監(jiān)測 一、 滾動軸承的振動與特征 1 新軸承的振動 滾動軸承在旋轉時，即使是新的軸承也會產(chǎn)生振動，它主要是由下列兩種振動組合而成的。第一種是由于軸承滾動元件的不圓度、凹凸不平的粗糙度和波紋度而引起的振動，這種粗糙不平的起伏是隨機的，因而所引起的振動也是隨機的，但振級極?。坏诙N是由于外力的激勵而引起的軸承某個元件，在其固有頻率上的振動。對各種軸承元件，其固有頻率有一確定范圍，可按下式計算求得。鋼球的固有頻率為：式中r-鋼球半徑(m)； -材料密度（kg/m3）； E-材料彈性模具（N/m2）； 軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率為 式中 I-套圈截面繞中性軸的慣性矩（m4）；a-回轉軸線到中性軸的半徑（m）；M-套圈單位長度內(nèi)的質量（kg/m）。 軸承元件的固有頻率其可能范圍大致在20-60kHz。人們往往利用此段頻率作為診斷頻帶，因為軸承元件的缺陷或其不規(guī)則表面在運轉中引起的脈沖沖擊能激發(fā)軸承某個元件以其固有頻率振動，從而使故障信號在此頻帶中得到放大，提高了故障信號的信噪比。 2 滾動軸承產(chǎn)生缺陷后的振動 由于潤滑不良和混入異常物等原因使?jié)L動元件表面劣化，致使?jié)L動表面原來的凹凸不平程度變得更加厲害，這種凹凸不平仍具有隨機性。因此，由此而引起的振動也保持其隨機性，只是由于凹凸形狀的變大，相應的激振力也會增大。因此，由此所產(chǎn)生的振動，其振幅也相應增大。見圖6-1所示。當軸承的滾動體表面上產(chǎn)生剝落和裂紋等局部缺陷時，隨著軸承的旋轉，缺陷部分每當與其它元件表面接觸一次就會產(chǎn)生一個沖擊激振力，該沖擊具有明顯的周期性。這種周期性脈沖振動一旦出現(xiàn)，就告訴人們：該軸承的某個元件已產(chǎn)生了某種缺陷。 軸承內(nèi)、外圈上出現(xiàn)裂紋或斑痕后，軸承產(chǎn)生振動的波形是不同的。如圖6-2所示。圖6-2（a）為軸承外圈表面產(chǎn)生剝落時的振動時域波形。由于外圈固定不動，其承受的力不變，時域波形呈現(xiàn)出一串等幅的脈沖波形；圖6-2（b）為軸承內(nèi)圈表面產(chǎn)生剝落時的振動波形。由于內(nèi)圈隨軸旋轉，因此承受的壓力具有周期性變化，其時域波形呈現(xiàn)出脈沖幅值受到某一低頻信號的調制現(xiàn)象。 由于軸承安裝質量不高，對中不良，使得保持架座孔和引導面受到偏載，進而會導致保持架斷裂。保持架斷裂會產(chǎn)生某一固定頻率的振動，其頻率大小由其斷裂的段數(shù)而定。以上的各種故障或缺陷所產(chǎn)生的振動，其頻率范圍均在0-20kHz內(nèi)，如軸承出現(xiàn)上述故障，則在軸承振動的頻譜圖上可以找出其相應的頻率成分，并可進行故障的分析和診斷。頻率在60kHz以上的信號屬于聲發(fā)射范圍，需用聲發(fā)射儀來接受其信號。聲發(fā)射是一種動態(tài)發(fā)射。當軸承在運行中由于潤滑不足而工作表面產(chǎn)生膠合，或當點蝕繼續(xù)擴展產(chǎn)生裂紋的時候，都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。圖6-3是一個航空軸承在專用的滾動軸承試驗臺上試驗所測得的頻譜圖。該軸承的參數(shù)為：軸承滾道節(jié)距D=70mm，鋼球直徑d=12.7mm；滾動體個數(shù)z=14，接觸角a=27度-30度，試驗轉速為1000rpm,預加載荷為2270N。從圖上可以清楚地看到分別處在I，II，III三個頻帶中的幾個對應的頻譜。第I段為0-20kHz，在該頻段中的各譜峰反應了軸承滾動元件表面缺陷的振動值；第II段為20-60kHz，為軸承各元件的自振頻率的頻段；第III段60kHz，它反應了聲發(fā)射信號。二、 滾動軸承缺陷的振動特征頻率 滾動軸承各元件表面上產(chǎn)生的缺陷，如剝落坑、裂紋或膠合斑痕等使軸承在運轉中產(chǎn)生振動，其振動的特征頻率，可由下列各對應的公式求得： 1 內(nèi)座圈上具有一個剝落坑的情況 該剝落坑與一個滾動體接觸時，所產(chǎn)生的振動頻率為 fi=0.5fo(1+d/D*cosa)（）2 外座圈上具有一個剝落坑的情況 該剝落坑與一個滾動接觸時，所產(chǎn)生的振動頻率為 fo=0.5fo(1-d/D*cosa)（）3 滾動體上具有一個剝落坑的情況 該剝落坑，與內(nèi)座圈接觸著又與外座圈接觸時，所產(chǎn)生的頻率為 4 保持架具有一個缺陷的情況 特征頻率為 fc=0.5fo(1-d/D*cosa)（）式中fo旋轉軸的頻率，fon/60； n-軸每分鐘的轉速（rpm）；D-軸承滾道節(jié)距，參閱圖6-4；d-滾動體直徑；a-接觸角。 這里需要說明的是：上面計算的各種特征頻率都是從理論上推導出來的，而實際軸承的各幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝后的變形，使實際的頻率與計算所得的頻率會有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時，需在計算的頻率值的上下找其近似的值來作診斷判斷。 另外，上面各特征頻率的計算公式都是以一個剝落坑與一個滾動體接觸為前提的，所以在實際使用時，在上述計算公式上還得乘上滾動體數(shù)z，即如某軸承內(nèi)座圈上出現(xiàn)一個剝落坑時，那么在頻譜上就會出現(xiàn)fi=z0.5fo(1+d/D*cosa)的頻率成分。 三、 滾動軸承的振動監(jiān)測技術 1用測振儀進行簡易診斷 用測振儀或一些簡單的專用儀器對滾動軸承作狀態(tài)監(jiān)測是一個有效的方法。它是利用由于表面缺陷的產(chǎn)生和擴展引起軸承振動能量級的增大這一現(xiàn)象來工作的。用這種方法來檢查軸承有兩種診斷標準即絕對值法和相對值法，這里僅介紹相對值法。 相對值法即利用后期測試的振動值與初始新軸承時所測試的振動值之比值來決定的。即用實際值增加的倍數(shù)來進行定性判斷。圖6-5表示了對軸承投入運轉后，定期地連續(xù)地進行加速度值測定后所繪制的曲線。Ao表示新軸承時的初始振動值。 在兩倍至六倍初始值間為注意區(qū)域，超過六倍初始值時為軸承損壞危險區(qū)域。這種方法使用便攜式測振儀就可以進行工作。花費少，也易于操作。 2 尖峰度測量法 有兩種很近似的測量尖峰度的技術：波峰因素和峭度。 波峰因素：Fc=Amax/Arms式中Amax-振動瞬時最大值； Arms-振動測量某樣本的均方根值； X-任意時刻的振幅值； （上標-）-平均值； p(x)-值的概率密度函數(shù)； -值的標準離差。 波峰因素和峭度所提供的數(shù)量是一個不斷變化著的量。圖6-6所示為波峰系數(shù)隨故障發(fā)展而變化的趨勢。特別要提出來的是軸承的初始狀態(tài)和其最壞狀態(tài)的Amax，Arms兩者比值卻沒有太大的差別。最初，即在圖中第I階段，峰值和均方根值相比是一常數(shù)，其值大約為5。當局部故障發(fā)展時，即進入第II階段，峰值水平顯著地增加，隨之達到某一極限值，起始時，均方根值水平僅有小小的波動，兩者的比值也隨之增大，最高時，此值約為10左右，稍后均方根值隨故障擴展也逐漸增高當達到接近軸承壽命終了時，即圖中第三階段，此時波峰因數(shù)會逐漸下降，其值與它的初始比值趨于相等。 用振動波峰因素檢測軸承異常情況最大特點是由于波峰因素不受振動信號絕對水平值影響，因此與傳感器和放大器的靈敏度無關。而且測定數(shù)據(jù)簡單，數(shù)據(jù)整理也容易，但它僅適用于檢測滾動面的剝落與裂紋損傷，而不適用于表面粗糙度和磨損的檢測。 3 頻率分析法 軸承振動信號經(jīng)FFT后轉換到頻域，建立振動信號的頻譜，然后進行頻譜分析。如果在譜圖中出現(xiàn)了公式（6-3）-（6-6）所描述的特征頻率成分時，就被認為對應的各軸承元件有缺陷存在。圖6-7為某軸承振動信號的頻域描述，即頻譜。根據(jù)頻譜分析，可以進行故障的分析及診斷。該例的分析及診斷的結果列于表6-1。表6-1 軸承的振動分析 頻率成分激發(fā)頻率故障說明理論值Hz實際值Hz保持架回轉頻率18.836.1大約為2倍保持架回轉頻率 保持架不規(guī)則 轉子回轉頻率5050.65 轉子不平衡外座圈206.25200.95外座圈不規(guī)則滾動體187.5380 大約為2x187.5滾動體，元件故障當其他零件產(chǎn)生了干擾噪聲，且其振動頻率又極其逼近時，就會產(chǎn)生干擾作用，該干擾信號妨礙了對被測軸承進行準確的分析與判斷。對此類問題，同樣可采用上述的同步信號平均法來分離信號，使被測信號的信噪比得到一定的改善。圖6-8表示了圖6-7的信號，經(jīng)過同步平均后的振動頻譜。經(jīng)過同步平均后，其被測特征頻率清楚地顯示出來了。4 包絡分析法 軸承運轉時，軸承的某一零件表面上的蝕坑與別的零件的接觸會產(chǎn)生一系列的高頻脈沖，其脈沖間隔，即脈沖的重復速率就是指示故障部位的重要信息。由于重復速率能量較低，容易被背景噪聲所淹沒，所以從原始信號中尋找重復速率比較困難。一般采用下面兩種辦法來找出重復速率。 （1） 從滾動軸承某元件共振區(qū)高頻部份中找出其諧波間隔，稱為共振解調法； （2） 從包絡信號中找出基波頻率。 這里簡單地介紹第（2）種包絡分析法： 實現(xiàn)包絡分析的步驟如下： （1） 將信號通過適當?shù)膸V波器，以衰減其背景噪聲； （2） 求得由脈沖序列引起的包絡線，即進行希爾伯特變換，構成以該脈沖信號為基礎的某個復變函數(shù)。 （3） 對低頻區(qū)域中的頻率，分析其包絡線，檢出重復頻率。 設實測信號為x(t)，經(jīng)希爾伯特變換，獲得其變換對目前許多FFT分析儀，如B/K2034都具有該種功能，作出信號包絡曲線后即可進行分析、診斷故障。 圖6-9表示了采用希爾伯特變換產(chǎn)生的包絡信號。該圖是它的時域包絡信號。 從包絡圖中可以看到，最初的信號圖6-9（a）顯示出了它的隨機性，幅值較低，也很平坦，沒有特別突出的成分。但隨著軸承的運轉，其振動包絡信號的周期性日趨顯著（圖6-9）(b)，（c）且輻值增大，清晰地表明了軸承故障的產(chǎn)生及其發(fā)展程度。 5 倒頻譜分析法 滾動軸承的振動信號同樣也可以用倒頻譜來分析。滾動軸承運轉時，各元件的相互動力作用形成了各自的特征頻率，且相互迭加或調制，因而在功率譜圖上呈現(xiàn)出多簇諧頻的復雜圖形，很難加以識別。采用倒頻譜分析，目的就是研究和分析其諧頻和邊頻的特征，進一步為軸承質量評定和故障診斷提供信息。 圖6-10和6-11分別為軸承正常時和有故障時的時域信號，頻譜和倒頻譜。經(jīng)分析并解剖觀察證實軸承的故障是由于軸承內(nèi)座圈具有疲勞剝落損傷，同時滾珠有凹坑缺陷引起的。 由于各頻率的相互迭加和調制，呈現(xiàn)出多簇諧頻和邊頻，故在時域和頻域圖上，正常軸承和有故障軸承的圖形幾乎很難區(qū)別。但在兩者的倒頻譜上，則有明顯的差別。有故障的滾動軸承在倒頻譜上出現(xiàn)了兩條比較醒目的譜線，其倒頻率各為q1=9.470ms(相當105.6Hz);q2=37.9ms(相當于26.39Hz)。而理論計算的滾珠故障特征頻率fb=106.35Hz;內(nèi)圈故障特征頻率fi=26.35Hz，與理論計算的值幾乎完全一致。 從上述分析可以進一步看出，在倒頻譜上反映出軸承的故障，遠比時域描述或頻譜分析來得靈敏、清晰。第二節(jié) 沖擊脈沖法（SPM法） 一、 沖擊脈沖儀原理 1 原理 利用沖擊脈沖法的軸承檢測儀種類較多，在我國各廠礦中廣泛應用的有瑞典SPM公司生產(chǎn)的SPM-43A型、SKF軸承廠生產(chǎn)的TMED-1型及我國上海長江儀器廠生產(chǎn)的軸承檢測儀等。 現(xiàn)以SKF公司的TMED-1型為例，簡介如下： TMED-1是一種基于沖擊脈沖法的軸承檢測儀。它給出的是撞擊速度的間接測量值，即兩物體撞擊一剎那時各物體速度的差值。在撞擊的那點兩個物體都立即產(chǎn)生各自的機械壓力波（沖擊脈沖）。該沖擊脈沖的峰值取決于撞擊速度，而不受物體質量與形狀的影響。 沖擊脈沖是由于機械撞擊而產(chǎn)生的一種持續(xù)很短的壓力脈沖。如滾道和滾動元件的不規(guī)則表面就會引起該種撞擊，大量實驗表明：沖擊脈沖和軸承的運轉狀態(tài)之間有著明顯的對應關系。圖6-12是TMED-1軸承檢測儀。傳感器1從運轉著的軸承中檢測到?jīng)_擊脈沖，傳感器所拾取到的信號，用諧振解調法提取沖擊信號，經(jīng)檢測儀2中的微處理器進行處理后，將測量到的脈沖值由顯示器顯示。另外，有一個與儀器聯(lián)著的耳機3用來檢聽和判別所發(fā)出的沖擊脈沖的類別。 2 介紹幾個專用名詞 （1） 地毯值dBc 表面粗糙度（小的不規(guī)則度）將會引起初始的重復的沖擊脈沖序列，將這些重復的序列聚在一起就組成了軸承的沖擊地毯，如圖6-13所示。沖擊地毯的幅值用地毯值dBc來表示（分貝地毯值）。該地毯值是與滾動體和滾道之間的油膜形態(tài)有關聯(lián)的。當油膜厚度正常時，軸承地毯值較低，當軸承調整或排列不好，安裝欠佳以及潤滑不充分時，將會使得整個軸承或軸承的局部地方油膜厚度減薄，這就會引起地毯值的增大，高于正常值，見圖6-14。 （2） 最大值dBM 軸承損壞，即表面出現(xiàn)了相當大的不規(guī)則缺陷，將會引起較高幅值的沖擊脈沖，這些較高幅值的脈沖間隔是隨機的，在軸承上測量到的最高沖擊脈沖值稱作為最大值dBM，見圖6-15。該最大值dBM 用來判別被測軸承的運行狀態(tài)，同時借助地毯值dBc,就可以分析運行狀態(tài)變化的原因。 （3） 均一化的沖擊脈沖值dBN 軸承檢測儀的測量要覆蓋較大的范圍，為了簡化讀數(shù)和評價方便，采用了對數(shù)測量單位。 圖6-16中dBsv是用來測量沖擊脈沖的通用測量單位，例如，我們測量到一個值為42dBsv，這值僅僅是我們在判斷軸承工作狀態(tài)時需要知道的信息中的一部分，而我們更需要有一個代表正常軸承的沖擊值作為標準值進行比較。 可以從大量的、新的，完好的滾動軸承中測得正常的沖擊脈沖值，它被稱為初始值dBi；從dBsv中減dBi，我們即可得到軸承的均一化沖擊脈沖值dBN。dBN=dBsv-dBi均一化的沖擊脈沖值dBN是軸承工作狀態(tài)的測量單位。32dBN意味著高于正常值32dB。 二、 軸承狀態(tài)的評價 在正常運轉狀態(tài)下，一個安裝正常和潤滑較好的軸承具有正常的平均壽命曲線，如圖6-17所示。該曲線是用對數(shù)坐標來表示沖擊脈沖值的，這樣可以有較大的動態(tài)范圍，在圖中0-60dBN范圍內(nèi)，其值可差到幾千倍。 在好的運行狀態(tài)下，軸承具有低于10dBM的值，在走向軸承壽命的終點，該值會逐步有所提高。地毯值dBc僅與軸承表面粗糙度有關，在當潤滑油膜不充分時，就會增高。最大值dBM值與軸承中較大不規(guī)則度有關。在圖中淺色區(qū)（綠區(qū)）中的最大值（35 dBM），則大部分軸承已具有可見的損傷。 上