第五章 滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

第五章滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷,概述滾動軸承的失效形式滾動軸承的振動滾動軸承的故障診斷方法,第一節(jié)概述,外圈內(nèi)圈滾動體保持架,滾動軸承的故障診斷開始于60年代。1966年瑞典SKF公司發(fā)明了用沖擊脈沖儀（ShockPulseMeter）檢測軸承損傷，將滾動軸承的故障診斷水平提高了一個檔次。,1969年，根據(jù)滾動軸承的運(yùn)動分析得出了滾動軸承的滾動體在內(nèi)外滾道上的通過頻率和滾動體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式。1976年，日本新日鐵株式會社研制了MCV系列機(jī)器檢測儀，可分別在低頻、中頻和高頻段檢測軸承的異常信號。,滾動軸承尺寸的選擇2,第二節(jié)滾動軸承的失效形式,疲勞點(diǎn)蝕或剝落,膠合,斷裂,滾動軸承常見的失效形式：,磨損,保持架損壞,燒傷,第三節(jié)滾動軸承的振動,與軸承的結(jié)構(gòu)有關(guān)的振動無論軸承正常與否，都會產(chǎn)生振動與軸承滾動表面狀況有關(guān)的振動兩種類型反映了軸承的損壞狀況,一、滾動軸承的振動機(jī)理1、承載狀態(tài)下滾動軸承的振動（1）軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的振動滾動軸承在承載時，由于在不同位置承載的滾子數(shù)目不同，因而承載剛度會有所變化，引起軸心的起伏波動。要減少這種振動的振幅可以采用游隙小的軸承或加預(yù)緊力去除游隙。,（2）軸承剛度非線性引起的振動滾動軸承的軸向剛度常呈非線性，特別是當(dāng)潤滑不良時，易產(chǎn)生異常的軸向振動。在剛度曲線呈對稱非線性時，振動頻率為fn,2fn.,3fn,；在剛度曲線呈非對稱非線性時，振動頻率為分?jǐn)?shù)諧頻（fn為軸回轉(zhuǎn)頻率）。,圖軸承的軸向剛度,（3）軸承制造裝配的原因加工面波紋度引起的振動由軸承零件的加工面（內(nèi)圈、外圈滾道面及滾動體面）的波紋度引起的振動和噪聲在軸承中比較常見，這些缺陷引起的振動為高頻振動（比滾動體在滾道上的通過頻率高很多倍）。,圖由軸承零件波紋度引起的軸心擺動,當(dāng)軸承游隙過大或滾道偏心時都會引起軸承振動。,圖軸承偏心引起的軸承振動,軸承偏心引起的振動,滾動體大小不均勻會導(dǎo)致軸心擺動，還有支承剛性的變化。,滾動體大小不均勻引起軸心擺動,圖滾動體大小不均勻引起的軸心,2、故障軸承振動信號特征（1）磨損類損傷軸承磨損后產(chǎn)生的振動同正常軸承的振動具有相同的性質(zhì)，即兩者的波形均無規(guī)則、隨機(jī)性強(qiáng)，但磨損后振動水平（幅值）明顯高于正常軸承。,圖正常軸承和磨損軸承的振動波形a)正常軸承b)磨損軸承,（2）疲勞剝落損傷,損傷點(diǎn)通過軸承元件表面時要產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力，該脈沖力是一寬帶信號，所以必然覆蓋軸承系統(tǒng)的固有振動頻率而引起諧振。,Tn,Tc,圖產(chǎn)生表面損傷軸承的振動信號,特征頻率,由于軸承的旋轉(zhuǎn),滾動體便在內(nèi),外圈之間滾動.軸承的滾動表面雖加工得非常平滑,但從微觀來看,仍有小的凹凸。滾動體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動時,產(chǎn)生交變的激振力。所產(chǎn)生的振動既是隨機(jī)的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率為滾動軸承的特征頻率。,圖滾動軸承的典型結(jié)構(gòu),內(nèi)圈的故障頻率,外圈的故障頻率,滾動體故障頻率,保持架故障頻率,Z-滾動體數(shù)、-內(nèi)外環(huán)相對轉(zhuǎn)速頻率、d-滾動體直徑、D-節(jié)圓直徑、-接觸角、分別為內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)速頻率，二者方向一致取正號，方向相反則取負(fù)號。,不計(jì)軸承各元件的彈性變形并認(rèn)為滾動體與滾道之間為純滾動。,3、滾動軸承元件的固有振動頻率滾動軸承元件出現(xiàn)缺陷或結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，在運(yùn)行中，激發(fā)各個元件以其固有頻率振動，各軸承元件的固有頻率取決于元件本身的材料、外形和質(zhì)量。,軸承圈的固有頻率為：式中n振動階數(shù)（變形波數(shù)），n2，3，；E彈性模量；I套圈橫截面的慣性矩；密度；A套圈橫截面積，Abh；D套圈橫截面中性軸直徑；g重力加速度。,鋼球振動的固有頻率為：式中R鋼球半徑；,二、測點(diǎn)的選擇,滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點(diǎn)以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件、軸承座傳到箱體或機(jī)架。由于沖擊振動所含的頻率很高，每通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80。因此，測量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被測軸承的承載區(qū)，應(yīng)盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測點(diǎn)離軸承外圈的距離越近越直接越好。,圖傳感器位置對故障檢測靈敏度的影響,三、分析譜帶的選擇滾動軸承的故障特征在不同頻帶上都有反映，因此，可以利用不同的頻帶，采用不同的方法對軸承的故障做出診斷。1低頻段在滾動軸承的故障診斷中，低頻率段指1kHz以下的頻率范圍。由于軸承的故障特征頻率（通過頻率）通常都在1kHz以下，此法可直接觀察頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線，做出判斷。2中頻段在滾動軸承的故障診斷中，中頻段指120kHz頻率范圍。包含有軸承元件表面損傷引起的軸承外圈的固有振動頻率等。通過分析這一頻帶內(nèi)的振動信號，可以較好地診斷出軸承的損傷類故障。如果測量用的傳感器諧振頻率較高，那么由于軸承損傷引起的沖擊在高頻帶（20kHz以上），對此頻帶分析也可以診斷出軸承的故障。,四、傳感器的選擇與固定方式,滾動軸承的振動屬于高頻振動，對于高頻振動的測量，傳感器的固定采用手持式方法顯然不合適，一般也不推薦磁性座固定，建議采用鋼制螺栓固定，這樣不僅諧振頻率高，可以滿足要求，而且定點(diǎn)性也好，對于衰減較大的高頻振動，可以避免每次測量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。,3高頻段在滾動軸承的故障診斷中，高頻率段指2080kHz頻率范圍。由于軸承故障引起的沖擊有很大部分沖擊能量分布在高頻段，如果采用合適的加速度傳感器和固定方式保證傳感器較高的諧振頻率，利用傳感器的諧振或電路的諧振增強(qiáng)所得到衰減振動信號，對故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計(jì)（SPM）和美國首創(chuàng)的IFD法就是利用這個頻段。,五、軸承失效的四個階段,滾動軸承的頻譜分析,高頻段是否有能量堆積或峰群出現(xiàn),無：沒有早中期故障,有：存在早中期故障,在低頻段出現(xiàn)軸承的故障特征頻率及倍頻故障特征頻率的峰值增大，故障惡化,診斷思路,第三節(jié)滾動軸承的故障診斷方法一、滾動軸承的簡易診斷,1.振幅值診斷法振幅值指峰值XP、均值X以及均方根值（有效值）Xrms。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r/min以上）。均方根值是對時間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。日本NSK公司生產(chǎn)NB系列軸承監(jiān)測儀和新日鐵研制的MCV-21A型機(jī)械監(jiān)測儀就是這類儀器。,2.波形因數(shù)診斷法波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（）。當(dāng)XP/X值過大時，表明滾動軸承可能有點(diǎn)蝕；而XP/X小時，則有可能發(fā)生了磨損。,圖滾動軸承沖擊振動的波形因數(shù),3.波峰因數(shù)診斷法波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（XP/Xrms)。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點(diǎn)在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響。適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。通過對（XP/Xrms)值隨時間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢。當(dāng)滾動軸承無故障時，XP/Xrms，為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故XP/Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。,4.概率密度診斷法無故障滾動軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖所示。,圖滾動軸承的損傷,4.峭度系數(shù)診斷法峭度（Kurtosis）,圖軸承疲勞試驗(yàn)過程,無故障軸承，峭度值Kv3；如果出現(xiàn)故障，峭度值Kv先增大，后減小。峭度系數(shù)對于診斷軸承的點(diǎn)蝕等沖擊類故障，靈敏性好。,5.滾動軸承的沖擊脈沖診斷法（SPM法）,5.滾動軸承的沖擊脈沖診斷法（SPM法）,dBN=dBsv-dBi,總的沖擊能量dBsv與初始沖擊能量dBi之差稱為標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量(背景分貝)dBN,圖沖擊脈沖值與軸承壽命的關(guān)系,圖沖擊脈沖儀示意圖,6.滾動軸承共振解調(diào)診斷法（IFD法）美國波音公司提出的一項(xiàng)技術(shù)，稱為早期故障探測法（IncipientFailureDetection）。軸承故障會產(chǎn)生周明性的沖擊振動信號，通常是高頻低幅值信號，在故障的早期和中期，因不平衡、不對中、松動等故障的幅值較高，在常規(guī)速度譜和加速度譜難以觀察到軸承的故障頻率?，F(xiàn)場使用最多的是帶磁座的壓電加速度傳感器，對常規(guī)振動通常取傳感器安裝共振頻率的1/3，以保證所測譜線幅值在線性范圍之內(nèi)。包絡(luò)分析采用帶通濾波器，通常選取以加速度傳感器安裝共振頻率為中心的頻帶做為載波頻率，使微弱的軸承故障信號搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來，否則高頻低幅的軸承故障信號在多個界面經(jīng)過反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對所測信號進(jìn)行絕對值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調(diào)制信號的包絡(luò)線，然后進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，便可得到軸承的包絡(luò)譜，這個過程也稱為共振解調(diào)。,利用解調(diào)技術(shù)對信號進(jìn)行頻譜分析的過程如圖所示。軸承故障引起的沖擊脈沖F(t)經(jīng)傳感器拾取及諧振，得到放大的高頻衰減振動a（t），再經(jīng)包絡(luò)檢波得到的波形a1（t），相當(dāng)于將故障引起的脈沖加以放大和拓寬，并且摒除了其余的機(jī)械干擾，最后作頻譜分析可以得到與故障沖擊周期T相對應(yīng)的頻率成分f及其高次諧波。據(jù)此，可以用于滾動軸承故障及故障部位的診斷。圖IFD法的信號變換過程,二、滾動軸承的精密診斷,、軸承內(nèi)滾道損傷軸承內(nèi)滾道產(chǎn)生損傷時，如：剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等（如圖所示），若滾動軸無徑向間隙時，會產(chǎn)生頻率為nfi（n1，2,）的沖擊振動。,圖內(nèi)滾道損傷振動特征,通常滾動軸承都有徑向間隙，且為單邊載荷，根據(jù)點(diǎn)蝕部分與滾動體發(fā)生沖擊接觸的位置的不同，振動的振幅大小會發(fā)生周期性的變化，即發(fā)生振幅調(diào)制。若以軸旋轉(zhuǎn)頻率fr,進(jìn)行振幅調(diào)制，這時的振動頻率為nfi士fr（n1，2）。,.軸承外滾道損傷當(dāng)軸承外滾道產(chǎn)生損傷時，如剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等（如圖2所示），在滾動體通過時也會產(chǎn)生沖擊振動。由于點(diǎn)蝕的位置與載荷方向的相對位置關(guān)系是一定的，所以，這時不存在振幅調(diào)制的情況，振動頻率為nfo(n1，2,），振動波形如圖所示。,圖外滾道損傷振動特征,、滾動體損傷當(dāng)軸承滾動體產(chǎn)生損傷時，如剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等，缺陷部位通過內(nèi)圈或外圈滾道表面時會產(chǎn)生沖擊振動。在滾動軸承無徑向間隙時，會產(chǎn)生頻率為nZfb（n1，2,）的沖擊振動。通常滾動軸承都有徑向間隙，因此，同內(nèi)圈存在點(diǎn)蝕時的情況一樣，根據(jù)點(diǎn)蝕部位與內(nèi)圈或外圈發(fā)生沖擊接觸的位置不同，也會發(fā)生振幅調(diào)制的情況，不過此時是以滾動體的公轉(zhuǎn)頻率fc進(jìn)行振幅調(diào)制。這時的振動頻率為nZfbfc。,圖滾動體損傷振動情況,、軸承偏心當(dāng)滾動軸承的內(nèi)圈出現(xiàn)嚴(yán)重磨損等情況時，軸承會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，軸心（內(nèi)圈中心）便會繞外圈中心擺動，如圖示，此時的振動頻率為nfr（n1,2,）。,圖滾動軸承偏心振動特征,實(shí)例,6210軸承的監(jiān)測與診斷一臺單級并流是鼓風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖。該機(jī)組自86年1月30日起，測點(diǎn)的振動加速度逐漸增加至正常值10倍，為查明原因，對測點(diǎn)的振動信號進(jìn)行頻譜分析。,已知：軸承型號6210（深溝球軸承），鋼球直徑d=12.7mm，節(jié)圓直徑D=70mm，鋼球個數(shù)Z=10，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速=900r/min。軸承的故障特征頻率：鼓風(fēng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動頻率：15（HZ）內(nèi)圈的故障特征頻率：88.6（HZ）外圈的故障特征頻率：61.3（HZ）滾動體的故障特征頻率：40.6（HZ）,測點(diǎn)的頻譜圖,a）高頻段頻譜b）低頻段頻譜,頻譜分析：,在高頻段的加速度譜圖上，頻率1350Hz和2450Hz處，出現(xiàn)高頻峰群，這是軸承元件的固有頻率，表明該軸承可能已有損傷。在低頻段的加速度譜圖上，在軸的轉(zhuǎn)頻15Hz，內(nèi)圈的故障特征頻率88Hz，外圈的故障特征頻率61Hz及其2次、3次諧波上，均出現(xiàn)峰值。初步判定：軸承外圈存在故障，內(nèi)圈也可能有問題。,檢查驗(yàn)證：,停機(jī)后發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)、外圈存在較長的軸向裂紋,三、滾動軸承其他診斷方法,、光纖監(jiān)測診斷法光纖位移傳感器的構(gòu)造如圖1所示，它由多根光導(dǎo)纖維組成，可分為發(fā)送光纖束和接收光纖束兩種。兩束光纖在橫截面中的分布方式有多種，在圖1(a)中為隨機(jī)分布，圖1(b)中為相間分布，圖1(c)中則為圓環(huán)形分布。在這三種分布中，圓環(huán)形分布最常用，等間隔分布最靈敏，但制造最困難。光纖位移傳感器的安裝方式如圖2所示。,圖1光纖傳感器的橫截面形式圖2光纖傳器的安裝方法,圖光纖式位移傳感器的原理及特性曲線1光送光纖束；2接收光纖束；3發(fā)送光維；4反射光錐；5軸承表面,采用光纖監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行滾動軸承故障診斷具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)光纖位移傳感器具有較高