滾動軸承故障診斷分析-專家版

1、蝕滾動軸承故障診斷 1 （之國外專家版）聿滾動軸承故障肆現(xiàn)代工業(yè)通用機械都配備了相當數(shù)量的滾動軸承。一般說來，滾動軸承都是機器中最精密的部件。通常情況下，它們的公差都 保持在機器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經驗表明，只有 10% 以下的軸承能夠運行到設計壽命年限。而大約 40% 的軸承失效是由于潤滑引起的故障， 30% 失效是由于不對中或 “卡住 ”等裝配失誤，還有 20% 的失效是由過載使用或制造上缺 陷等其它原因所致。袁如果機器都進行了精確對中和精確平衡，不在共振頻率附近運轉，并且軸承潤滑良好，那么機器運行就會非?？煽俊C器的實 際壽命也會接近其設計壽命。然而遺憾的是，大多

2、數(shù)工業(yè)現(xiàn)場都沒有做到這些。因此有很多軸承都因為磨損而永久失效。你的工作 是要檢測出早期癥狀并估計故障的嚴重程度。振動分析和磨損顆粒分析都是很好的診斷方法。葿 1 、頻譜特征膈故障軸承會產生與 1X 基頻倍數(shù)不完全相同的振動分量 換言之，它們不是同步的分量。對振動分析人員而言，如果在振動 頻譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量那么極有可能是軸承出現(xiàn)故障的警告信號。 振動分析人員應該馬上診斷并排除是否是其它故障引起的這些不 同步分量。（非轉頻的倍數(shù)峰值疑似為故障信息）蕆如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關。如果同時還有諧波 （基頻的倍頻） 和邊頻帶出現(xiàn)，那么軸承磨損的可能 性就非常大 這時候你甚至不需要再

3、去了解軸承準確的擾動頻率。薃 2 、擾動頻率計算蒂有四個與軸承相關的擾動頻率：球過內圈頻率（ BPI）、球過外圈頻率（BPO）、保持架頻率（FT）和球的自旋頻率（BS）（外圈, 內圈，保持架，滾動體特征頻率）。軸承的四個物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑（滾柱圓心對應軸承的半徑D）和接觸角。其中，BPI和BPO的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果 BPO等于3.2X （轉頻），BPI等于4.8X，那么滾珠/滾柱的數(shù)量必定是 8。羋軸承擾動頻率的計算公式如下：薄注意：BS的值可能會加倍，因為所給的公式針對的是球撞擊內圈或外圈的情況。如果有庇點的滾球/滾柱同時撞擊內圈和外圈，那么其頻率值應該加倍。

4、芅需要說明的是由于受到各種實際情況如滑動、打滑、磨損、軸承各參數(shù)的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，我們所 計算出來的頻率值可能會與真實值有小范圍的差異。芁在檢查過程中你可能會經常涉及到滾珠的數(shù)目，對于軸承而言你所能了解到的信息可能只有滾珠（或滾柱）的數(shù)目。如果能夠 根據(jù)頻譜（或其它地方）確定其中一個的擾動頻率，我們就可以根據(jù)它計算出其它的頻率。莈對于四個擾動頻率計算還有一個近似的經驗公式可供參考。對于812個滾珠/滾柱的軸承：BPO通常等于滾珠數(shù)量的0.4倍,BPI是滾珠數(shù)量的0.6倍，而FT等于0.4X。羅 3、軸承失效的九個階段螃有人把軸承失效劃分為四個階段，在此我們?yōu)榱嗣枋龅酶?/p>

5、詳細將它細分為九個階段。羀第一階段：蒈在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20KHZ60KHZ之間一一或更高。有多種電子設備可以用來檢測這些頻率，包括峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測量裝置。在這個階段，普通的頻譜上不會出現(xiàn)任何顯示。莆第二階段：蒅由于軸承上的庇點增大，使它在共振（固有）頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時該頻率還作為載波頻率調制軸承的故障頻率。蝿第三階段：薈出現(xiàn)軸承故障頻率。開始的時候我們只能觀察到這個頻率本身。圖中所示為軸承內圈故障時的頻譜顯示。當軸承磨損進一步加 劇后，在故障頻率（例子中的 BPI）處的波峰值將會升高。大多數(shù)情況下波峰值將隨著時間線性增加。螇第四階段：袂隨著

6、故障的發(fā)展，故障頻率將產生諧波。這表明發(fā)生了一定程度的沖擊。故障頻率的諧波有時可能會比基頻波峰更早被發(fā)現(xiàn)。 因此，我們首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對應的時域波形中同時也會出現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。袂故障頻率及其諧波的幅值在開始階段都比較低。如果你僅僅通過線性坐標圖表來查看數(shù)據(jù)，很容易錯過這些重要的故障信號。 因此，建議結合 對數(shù)坐標 來進行分析，從而及時發(fā)現(xiàn)軸承故障的早期顯示。薈如果你想要進行軸承的 早期故障 預報， 那么就應該 使用加速度 為單位來采集高頻時域波形 （使用加速度傳感器） 也就是說， 不要進行積分 。加速度能突出信號中的 高頻成分，這對于我們的應用來說是很理想的方

7、法。袃第五階段：蚄隨著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴重，振動級將繼續(xù)升高，同時出現(xiàn)更多的諧波。由于故障自身的性質，這時還會出現(xiàn) 邊頻帶。時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過測量尖峰間的時間間隔來計算故障頻率。高頻率的軸承檢測，如 峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢都在持續(xù)上升。薀此時引起調制的原因有二個：第一種情形是當內圈出現(xiàn)故障時，如果它位于加載區(qū)域時，產生的沖擊會更加劇烈，從而產生更 高的振幅。當內圈故障位置移出加載區(qū)后，其振幅又會降低，并在軸承頂部達到最小值。在這種情況下內圈的故障頻率將被（內圈 的）旋轉頻率所調制，于是我們可以在頻譜中看到1X邊頻帶出現(xiàn)。蚈如果滾珠出現(xiàn)問題，

8、也會因相同的原因，產生調制。當滾珠運轉在載荷區(qū)會產生比運轉在非載荷區(qū)更強烈的沖擊。越接近載荷區(qū)，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動。該頻率低于1X典型的FT大約等于0.4X。芄當我們能夠從頻譜中觀察到諧波，特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經能夠用肉眼觀察到了。這時候，你就可以建議更換軸承了。肂滾動軸承故障診斷 2荿第六階段：螈1X處的幅值增大，并出現(xiàn) 1X的諧波，這是由于磨損引起間隙增大的結果。蚅第七階段：螄現(xiàn)在我們看見故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經常被叫作干草堆 。這是由于 寬帶噪聲 所致。在 * 近機器的地方，你還能聽到軸承發(fā)出的噪聲。在這個階段，高頻率的軸承測量量可能會逐漸減少。

9、如果你用測量工具測到的振幅有下降趨勢，不要以為是情 況出現(xiàn)好轉，而應該盡快去定購用來更換的軸承了！莂第八階段：袇頻譜中的 “干草堆 ”將繼續(xù)擴大，諧波隨著松動的增加而增大，高頻率的軸承測量顯示出的趨勢可能會繼續(xù)降低，但重要的是整 個噪聲水平都在上升。你能清晰的聽到軸承發(fā)出的聲音，這預示著軸承即將報廢。膆第九階段：節(jié)到了這個階段以后，頻譜會變得平直，因為機器已經不能運轉了！膁 4 、解調頻譜及在滾動軸承診斷中的應用羇振動解調可以在滾動軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息， 并且可以跟蹤軸承的故障發(fā)展， 在軸承故障的不同階段中以不 同的信息反映軸承不同的故障狀態(tài)。薇 4-1 使用和認識解調羄以上已

10、經論述了如下事實：在軸承故障的早期階段可以觀察到在機器固有頻率處的振動。軸承在固有頻率上產生 “鳴叫 ”。軸承 的損壞所引起的沖擊導致軸承 “鳴叫 ”。因此，我們實際得到的是故障頻率的邊頻帶。 （如在第二階段上的圖示）在軸承失效的晚期， 我們也能觀察到存在 1X 邊頻帶或保持架轉速的邊頻帶 調制，他們分別代表了軸承內圈和滾珠的故障。 （如在第五階段上的圖示）羀 4-2 解調肇結合上述兩種情形， 我們會想： 如果能夠檢測到故障頻率邊頻帶的軸承共振是否就還能給出非常早的軸承磨損警告呢？答案是 肯定的。但是由于測量的是高頻低幅信號，因此它容易被其他振源信號所掩蓋。一種解決方法就是對信號進行解調。簡單

11、的說，就 是首先 使用高通濾波器過濾主要的低頻成份， 然后進行檢波（解調） ，接著 為了抗混頻還需要使用 低通 濾波器去除高頻信號。蚄仔細查看頻譜，你會在原始信號中發(fā)現(xiàn)許多振動源，特別是那些比軸承共振幅值還高的地方。如果我們查看時域波形，會發(fā)現(xiàn) 正弦信號與密集的高頻雜波相伴。動態(tài)的高頻雜波來源于軸承的 “鳴叫 ”。蒂首先是要通過高通濾波器濾掉低頻信號并讓高頻信號通過。濾波器可以設置成讓高于 2000HZ 的頻率通過（用于軸承分析） 。 結果信號仍然包含高頻成份，但較高振幅的信號應已經被過濾掉了。時域波形上也只剩下軸承的沖擊信號，這才是最重要的信息。蠆滾動軸承故障診斷 3膇其次，我們將頻率坐標上

12、部的邊頻帶 “迭放 ”到“基帶 ”上?？梢杂媒庹{器來實現(xiàn)，實際上它就相當于一個典型的整流器（翻轉所 有的負向信號） 。整流的過程中會去掉負向信號，剩下的就只是正向信號了。如（Rectifiedsignal 整流信號圖所示）肅之后，我們?yōu)V掉來自其他調制源的殘余信號。一些解調器產品允許手動控制濾波器，然而大多數(shù)情況下該功能都由數(shù)據(jù)采集器 中的抗混頻濾波器來完成（基于選擇的頻率范圍） 。對時域波形而言，所有的高頻信息都被濾掉。有人也把它叫做 “包絡檢定器 ”。膄解調測試最重要的是選擇頻率范圍。一般的原則是：范圍應控制在 1520X （也就是運行速度的 1520 倍）之間。我們的目的 是要確保最后只留

13、下需要的調制信號。機器可能多半會有其他的調制信號源，因此最佳的規(guī)則是：把頻率范圍設定為 整個邊頻帶寬 度的一半 。到最后，留下的信號應該是有一系列很強的諧波 這取決于故障的嚴重程度了。螂解調頻譜與普通振動頻譜相比有些不同。 你不是根據(jù)振幅大小來確定故障的嚴重程度， 而是通過測量數(shù)據(jù)間的對比分析來進行 判斷，最重要的是將波峰和噪聲水平進行比較。一般說來當損壞程度較低時波峰將非常小。膇隨著故障破壞的進一步發(fā)展，振動波峰將逐漸從噪聲中凸顯出來。蒆當出現(xiàn)嚴重故障時，波峰值將高出噪聲水平約20dB （100X）。（10lg（a/b）-a/b=100 ）薁當軸承破壞非常嚴重處于前面所述的第七或第八階段時，

14、噪聲水平將上升到接近波峰處。這是一個非常糟糕的信號預示著軸承即將完全失效！蒀?該過程也可適用于機器的其它故障分析：齒輪嚙合分析、電機電流分析、電動機氣隙偏心分析和其它調制信號源。（注：在齒輪箱中經常會發(fā)生頻率調制，這可能導致分析振幅解調數(shù)據(jù)時得到錯誤的結果。這個問題已超出本討論的范圍，但必須對此有 所認識。）芇軸承的解調測試的一個好處是能夠幫助你查明具體哪個軸承出現(xiàn)了故障。如果你不知道軸承的詳細參數(shù)，也不知道故障頻率， 或你知道了故障頻率，但機器上有多個同樣的軸承。那么我們可以對所有的軸承進行檢測，或只取其一個作診斷測試，都能把問題 軸承找出。袆 5 、沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等（僅

15、作簡單論述）芃?不同的監(jiān)測公司往往采用了不同的監(jiān)測技術。其中包括：沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等等。簡單的說，這些 方法就是利用軸承發(fā)生故障時出現(xiàn)的癥狀進行診斷，故障軸承開始會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，然后發(fā)生共振或發(fā)出鳴叫聲。而前面討論的解調技術將產生一種頻譜，沖擊脈沖法（SPM）、峰值能量法和其它一些技術則能夠產生一個（或兩個）能顯示出趨勢的值。隨著趨勢值的升高，軸承損壞的可能性也跟著增加。艿?基本原理： 由沖擊產生的振動把能量注入到所有的頻率中。在0-3KHz 正常頻率段內，因為混有其它振動信號源而很難被檢測到。但當達到 傳感器的共振頻率 時，除了瞬態(tài)沖擊波外沒有其它強的振動信號源（不平衡、不對中等都是在較低的頻率段顯 示的故障） 。因此瞬態(tài)沖擊可以單