峭度系數(shù)診斷法診斷滾動(dòng)軸承故障

1、峭度系數(shù)診斷法診斷滾動(dòng)軸承故障 機(jī)械1202 3120301052 馬也 摘要：滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中最常見的零部件，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30的故障都是由于軸承引起的。因此，研究滾動(dòng)軸承的失效機(jī)理，提出相應(yīng) 的預(yù)防和維護(hù)措施，對(duì)于降低設(shè)備的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備維修周期，提高經(jīng)濟(jì)效益，保證設(shè) 備的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，均有現(xiàn)實(shí)的意義。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷方法有：振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)易診 斷法,美國(guó)恩泰克公司開發(fā)的g/SE診斷法等。還有其他診斷方法，如：光纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)、油污染分析法（光譜測(cè)定法、磁性磁屑探測(cè)法和鐵

2、譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等，重點(diǎn) 研究傅里葉變換。 關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障；振動(dòng)；診斷 Kurtosis coefficient of diagnosis method in the diagnosis of rolling bearing fault Abstract.Rolling bearing is the mechanical equipment is the most common parts, its p erformance and modes of the direct influence on the shaft and the associated with the

3、 ge ar axis installed in the whole machine equipment performance. According to statistics, in the use of rotating machine, bearing about 30% of the fault is due to bearing cause. There fore, the study of rolling bearings failure mechanism and corresponding preventive and m aintenance measures, for r

4、educing the equipment of the cost of maintenance of the equip ment, prolong maintenance cycle, to improve the economic benefit and guarantee the saf e and stable operation of the equipments long-term, all have realistic significance. Vibration of rolling bearings diagnosis methods are: vibration sig

5、nal simple diagnostics, America n grace tektronix company developed the g/SE diagnostics, etc. There are other diagnostic methods, such as optical fiber monitoring technology, oil pollution process (spectrometr ic method, magnetic crumbs detection method and iron spectral analysis, etc.), acoustic e

6、mission method, resistance method, key research Fourier transformation. Key words：Bearing；vibration；fault；diagnosis 0 引言： 機(jī)械故障診斷過程本質(zhì)上是一個(gè)故障模式識(shí)別的過程1，針對(duì)某一個(gè)具體的機(jī)械 故障診斷問題，選擇不同的模式識(shí)別方法，其分類精度和準(zhǔn)確性可能會(huì)有較大的差異2,3。 對(duì)于不同類型的故障以及故障在不同機(jī)械上的存在，我們應(yīng)該選擇合適的方法對(duì)其進(jìn)行診 斷，以保證高的分類精度和準(zhǔn)確性。滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中最常見的零部件，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

7、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30的故障都是由于軸承引起的。 滾動(dòng)軸承的失 效形式大概可以分為幾類，第一類是滾動(dòng)軸承的疲勞失效，滾動(dòng)軸承在商接觸應(yīng)力的作用下，通過多次應(yīng)力循環(huán)后，在套圈或滾動(dòng)體工 作表面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金屬剝落，形成麻點(diǎn)或凹坑，從而引起振動(dòng)，噪聲增大，磨損加劇，導(dǎo)致不能正常工作的現(xiàn)象稱為接觸疲勞失效，是滾動(dòng)軸承失效的主要形式。由于材質(zhì)、工作條件、潤(rùn)滑環(huán)境等不同，接觸疲勞失效分為麻點(diǎn)剝落、淺層剝落、硬化層剝落。滾動(dòng)軸承的疲勞失效損傷結(jié)果是：使?jié)L動(dòng)體或滾幼表面產(chǎn)生剝落坑，并向大片剝落發(fā)展導(dǎo)致軸承失效。第二類是滾動(dòng)軸承的膠合失效

8、，高速重載、潤(rùn)滑嚴(yán)重不足、滾子與套圈滾道或擋邊產(chǎn)生嚴(yán)重滑動(dòng)、軸承游隙 過小摩擦力增大、滾子與保持架兜孔間隙過小或卡緊等現(xiàn)象都會(huì)造成金屬間的直接接觸產(chǎn)生固相焊合。當(dāng)漢和強(qiáng)度大于接觸零件任一基本強(qiáng)度，使剪切力高于焊合強(qiáng)度，在接觸一方或二方的金屬深處產(chǎn)生的局部破壞稱為膠合。第三類是滾動(dòng)軸承的磨損失效，軸承在工作過程中由于滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道間的滾動(dòng)和滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，保持架與引 導(dǎo)面間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，引起軸承工作表面金屬不斷損失的現(xiàn)象叫做軸承的磨損。由于軸承工作表面不斷磨損使軸承零件產(chǎn)生尺寸和形狀的變化導(dǎo)致軸承配合間隙增大，工作表面形貌變壞而喪失旋轉(zhuǎn)精度，由此引起工作溫度升高、振動(dòng)、噪聲、摩擦力矩增大等，致使軸承不

9、能正常工作的現(xiàn)象稱為磨損失效。磨損失效與材料性質(zhì)、粗糙度、潤(rùn)滑狀態(tài)、接觸應(yīng)力、相對(duì)滑動(dòng)率、表面摩擦系數(shù)、速度、溫度及環(huán)境介質(zhì)等有著密切聯(lián)系。 滾動(dòng)軸承的磨攢失效損傷結(jié)果是：損傷軸承，降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)周期。第四類是滾動(dòng)軸承的燒傷失效，滾動(dòng)軸承的燒傷失效。第五類是滾動(dòng)軸承的腐蝕失效，銹蝕是滾動(dòng)軸承最嚴(yán)重的問題之一，高精度軸承可能會(huì)由于表面銹蝕導(dǎo)致精度喪失而不能繼續(xù)工作。水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵人會(huì)引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承停止工作后，軸承溫度下降達(dá)到露點(diǎn)，空氣中水分凝結(jié)成水滴附在軸承表面上也會(huì)引起銹蝕。此外，當(dāng)軸承內(nèi)部有電流通過時(shí)，電流有可能通過滾道和滾動(dòng)體上的接觸點(diǎn)處，很薄的油膜引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表

10、面上形成搓板狀的凹凸不平。滾動(dòng)軸承的腐蝕失效損傷結(jié)果是：表面由于電流、化學(xué)和機(jī)械作用產(chǎn)生損傷，喪失精度面不能繼續(xù)工作。第六類是滾動(dòng)軸承的破損失效，過高的載荷會(huì)可能引起軸承零件產(chǎn)生裂紋或斷裂。磨削、熱處理和裝配不當(dāng)都會(huì)引起殘余應(yīng)力，工作時(shí)熱應(yīng)力過大也會(huì)引起軸承零件斷裂。另外，裝配方法、裝配工藝不當(dāng)，也可能造成軸承套圈擋邊和滾子倒角處掉塊。滾動(dòng)軸承的破損失效結(jié)果是：導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，斷裂，使軸承失效。第七類是滾動(dòng)軸承的壓痕失效，由于滾動(dòng)軸承承受的靜載荷過大，沖擊載荷過大，異物進(jìn)入引起軸承的壓痕失效，裝配不當(dāng)，滾道承受載荷不均勻也是引起滾動(dòng)軸承壓痕失效的主要原因。滾動(dòng)軸承的壓痕失效損傷結(jié)果是：導(dǎo)致表面凹

11、凸不平，降低使用壽命，。 圖1是滾動(dòng)軸承的示意圖。滾動(dòng)軸承在發(fā)生表面剝落、裂紋、壓痕等滾動(dòng)面局部損傷時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。這種振動(dòng)從性質(zhì)上可分成兩類：第一類是由于軸承元件的缺陷，滾動(dòng)體依次滾過工作面缺陷受到反復(fù)沖擊而產(chǎn)生的低頻脈動(dòng)，稱為軸承的“通過振動(dòng)”，其發(fā)生周期可從轉(zhuǎn)速和零件的尺寸求得。例如，在軸承零件的圓周上發(fā)生了一處剝落時(shí)，由于沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的相應(yīng)頻率稱為“通過頻率”，我們通常也叫“故障頻率”，因剝落的位置不同而不同，表1給出了求取這種通過頻率的相應(yīng)公式。其中Fz為軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，D為軸承節(jié)圓直徑，d為滾動(dòng)體直徑，為接觸角，Z為滾動(dòng)體數(shù)目 。 本文將采用峭度系數(shù)診斷法診斷滾動(dòng)軸承機(jī)械故障，

12、旨在通過此方法準(zhǔn)確、可靠地達(dá)到對(duì)滾動(dòng)軸承故障的診斷和預(yù)防的目標(biāo)，并且能夠在準(zhǔn)確診斷滾動(dòng)軸承故障的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的處理，以消除故障從而保證其在一定的工作期限內(nèi)可靠、有效地實(shí)現(xiàn)其功能。 1滾動(dòng)軸承的基本參數(shù) 1.1.1滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu) 圖2標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承圖 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它由內(nèi)圈，外圈，滾動(dòng)體和保持架四部分組成。 滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有: 滾動(dòng)軸承節(jié)徑D、滾動(dòng)體直徑d、內(nèi)圈滾道半徑 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z。 r、外圈滾道半徑r12、接觸角?、 1.1.2滾動(dòng)軸承的特征頻率 為分析滾動(dòng)軸承各部分的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，先做如下假設(shè): (1)滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng); (2)承受徑向,軸向載荷時(shí)各部

13、分無變形; (3)滾動(dòng)軸承外圈固定，內(nèi)圈(即軸)的旋轉(zhuǎn)頻率為 則滾動(dòng)軸承工作時(shí)各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度如下: 內(nèi)圈滾道上一點(diǎn)的速度為: fs; V 1?2?r1fs?f?D?dcos? （2-1） s外圈滾道上一點(diǎn)的速度為: V0?0 （2-2） 保持架上一點(diǎn)的速度為: Vc? 1?21?0fcD （2-3） 由此可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率(即滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率)為: fc?101d?2?1?Dcos?2?Dfs （2-4） 從固定在保持架上的動(dòng)坐標(biāo)系來看，滾動(dòng)體與內(nèi)圈作無滑動(dòng)滾動(dòng)，它的回轉(zhuǎn)頻率之比與d成反比: 2r1 b s?21d?D?dcos?D?d?1? d?Dcos? 由此可得滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率(滾動(dòng)體通

14、過內(nèi)滾道或外滾道的頻率)fb: Fb?D2df?d?2?2?1?cos? （2-5） ?D?s? 同時(shí)考慮到滾動(dòng)軸承有Z個(gè)滾動(dòng)體，則: (1)Z個(gè)滾動(dòng)體與外圈滾道上某一固定點(diǎn)的接觸頻率f0為: f0?Zfc?1?d?Z?1?cos?2?D?fs （2-6） (2)Z個(gè)滾動(dòng)體與內(nèi)圈滾道上某一固定點(diǎn)的接觸頻率 fi為: fi?Z?fs?fcd?1Z?1?cos?f2?D?s （2-7） (3)Z個(gè)滾動(dòng)體上某一固定點(diǎn)與外圈或者內(nèi)圈滾道的接觸頻率fb為: f f01D?*b2df?d?2?21?cos? （2-8） s?D?，fi，fb分別為外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體的通過頻率.當(dāng)“某一固定點(diǎn)”是局部損傷點(diǎn)(

15、如 點(diǎn)蝕點(diǎn)、剝落點(diǎn)等)時(shí)， 此f0、fi和fb分別成為局部損傷點(diǎn)撞擊滾動(dòng)軸承元件的頻率，因f0、fi和fb又分別稱為外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體的故障特征頻率. 1.1.3滾動(dòng)軸承的固有頻率 滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中，由于滾動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)的振動(dòng)頻率為滾動(dòng)軸承各部分的固有頻率。固有振動(dòng)中，內(nèi)、外圈的振動(dòng)表現(xiàn)最明顯，滾動(dòng)軸承元件的固有振動(dòng)頻率如下: 1)軸承圈在自由狀態(tài)下的徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率為: fn?422?n2?1D*nn2?1?EIg （2-9） ?A 4;式中E -彈性模量，鋼材為210GPa; I-套圈橫截面的慣性矩mm ? -密度 ， 鋼材為786x10-6kg/mm3;A

16、-套圈橫截面積，A=bh，mm2; D-套圈橫截面中性軸直徑，mm; g-重力加速度，9=9800mm/s2。 n -振動(dòng)階數(shù)(變形波數(shù))，n=2，3?; 對(duì)鋼材 ，將各常數(shù)代入式得 2)鋼球振動(dòng)的固有頻率為: fbn?0.212Eg （2-10） R? 式中R-鋼球半徑。 1.2滾動(dòng)軸承故障診斷常用參數(shù) 特征參數(shù)被定義為在各個(gè)時(shí)間領(lǐng)域、頻率領(lǐng)域中的參數(shù)。在此之中，分為有量綱特征參數(shù)和無量綱特征參數(shù)。以前的故障診斷中主要被使用的是有量綱特征參數(shù)，現(xiàn)在，和有量綱特征參數(shù)相比，更多的是使用了對(duì)運(yùn)作狀態(tài)的依賴小、診斷散亂少的無量綱診斷參數(shù)。在本研究中，運(yùn)用時(shí)間領(lǐng)域無量綱特征參數(shù)和頻率領(lǐng)域無量綱特征參

17、數(shù)進(jìn)行研究。 1.2.1時(shí)間領(lǐng)域有量綱特征參數(shù) 在對(duì)滾動(dòng)軸承故障診斷和監(jiān)測(cè)中，迄今為止一直使用的是以振動(dòng)為主的特征參數(shù)。另外，作為被使用的振動(dòng)的特征參數(shù)，以速度的實(shí)效值，變位的實(shí)效值等有量綱參數(shù)為主。在此，在滾動(dòng)軸承診斷中常用的有量綱特征參數(shù)，用以下的公式表示，另外，沒有特別說明的，取時(shí)間序列數(shù)據(jù)的絕對(duì)值。 (1)絕對(duì)值總和：X=?Xi （2-11） i?1N （2）平均值：X =?X/N （2-12） ?i?1(Xi?X) N?1 Mi i?1N2 (3)標(biāo)準(zhǔn)方差：= （2-13） ?（4）最大值：Xmax=XmaxtMi M2 i?1 XmaxXmaxt/Xmaxt2 （2-14） ?(5

18、)最大平均值：Xmax=XmaxtM2 XmaxXmaxt/Xmaxt （2-15） ?X (6)極大值的平均值：X? P i?1p 1 p1 p1 （2-16） 2 (X?Xp)p1i?1p1 (7)極大值的標(biāo)準(zhǔn)方差： ? ? ? （2-17） p p1?1 ?L1 L1 （8）極小值的平均值：X? i?1X L L 1 在此： X L1 ?XL1X i?1 ? X L1 ?X? X i?1 ,i?1.N L1 2 （9）極小值的標(biāo)準(zhǔn)方差： ?i?1 (X L1 ?Xl)L? L1?1 1.2.2時(shí)間領(lǐng)域的無量綱特征參數(shù) 在此，在滾動(dòng)軸承診斷中常用的有量綱特征參數(shù)，用以下的公式表示。 （1）

19、波形率：SF? ? X N（2）歪度：? ?i?1 (i?X)3 1 ? 3 N （3）峭度： ? ?i?1(Xi ?X)4 2 ? ? 4 （4）波高率： C ? max F ? （5）最大值比率： Rmaxmax? max （6）極大值的變動(dòng)率： ? LL L （7）極小值的變動(dòng)率： ? LL ? (2-26) L 2-18） 2-19） 2-20） 2-21） 2-22） 2-23） 2-24） 2-25） （ （8）平方根的平均值： L F ? Ni?1 ? N i?1 X i (2-27) （9）自乘平均值： P R ? 2i ? Ni?1 2 （2-28） ?（10）對(duì)數(shù)平均數(shù)：L

20、R? log(i?1) （2-29） log(?) 1.2.3頻率領(lǐng)域的無量綱特征參數(shù) N 2 （1）平均特征頻率： P i?1 *S(fi) 1 ? ?f ? N i?1 S(fi) N 2 （2）波形安定指數(shù)： P ?i?1fi*S(fi)2 ? ? N S(f)N 4 i?1i?i?1f*S(fi)（3）變動(dòng)率： P3? ? f (2-32) ?N (f?f) 3 *S(fi) （4）歪度： P i?1 4 ? ?3N N 4 (f?f) *S(fi) （5）峭度： P i?1 5 ? ?4N N (f?f)*S（fi） （6）平方根比率： P ? i?1 6 N N N 以上各式中：f

21、? ?i?1fi*S(fi)i?1 ?f)*S(fi)? N ? (f2 i?1 S(fi) ? N?1 分辨指數(shù)和識(shí)別率1617 分辨指數(shù)：DI? ?2? ? 12或者= 2?1? 22 2 1 ?2 1 2 （2-30） （2-31） （2-33） （2-34） （2-35） （2-36） 1識(shí)別率：DR?1?P0 其中：P0?2?DI?2?exp?2?d? （2-37） ? 2峭度系數(shù)診斷法的基本原理 峭度指標(biāo)是無量綱參數(shù)，由于它與軸承轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無關(guān)，對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，特別適用于表面損傷類故障、尤其是早期故障的診斷。 在軸承無故障運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于各種不確定因素的影響，振動(dòng)信號(hào)的 幅

22、值分布接近正態(tài)分布，峭度指標(biāo)值K3;隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)中大幅值的概率密度增加，信號(hào)幅值的分布偏離正態(tài)分布，正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散，峭度值也隨之增大。峭度指標(biāo)的絕對(duì)值越大，說明軸承偏離其正常狀態(tài)，故障越嚴(yán)重，如當(dāng)其K>8時(shí)，則很可能出現(xiàn)了較大的故障。 峭度（Kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即 式中x瞬時(shí)振幅； X振幅均值； p（x）概率密度； 標(biāo)準(zhǔn)差。 振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度值約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度值具有與波峰因數(shù)類似的變化趨勢(shì)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。 圖2 滾動(dòng)軸承的損傷 3 峭度系

23、數(shù)診斷法在診斷中的應(yīng)用 英國(guó)鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測(cè)診斷方面取得了很好的效果。利用快裝接頭，儀器的加速度傳感器探頭直接接觸軸承外圈，可以測(cè)量峭度系數(shù)、加速度峰值和RMS值。圖3為使用該儀器監(jiān)測(cè)同一軸承疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)中第74h軸承發(fā)生了疲勞破壞，峭度系數(shù)由3上升到6圖(a)，而此時(shí)峰值圖(b)和RMS值尚無明顯增大。故障進(jìn)一步明顯惡化后，峰值、RMS值才有所反映。 圖中虛線表示在不同轉(zhuǎn)速（8002700r/min ）和不同載荷（011kN）下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)上述各值的變動(dòng)范圍。很明顯，峭度系數(shù)的變化范圍最小，約為士8%。軸承的工作條件對(duì)它的影響最小，即可靠性及一致性較高。 有統(tǒng)計(jì)

24、資料表明，使用峭度系數(shù)和RMS值共同來監(jiān)測(cè)，滾動(dòng)軸承振動(dòng)情況，故障診斷成功率可達(dá)到96以上。 圖3 軸承疲勞試驗(yàn)過程 4 在齒輪故障診斷中應(yīng)注意的問題 4.1.1 測(cè)點(diǎn)部位的確定 首先，測(cè)試信號(hào)的獲取過程中，需要將測(cè)量裝置擺放在合適的位置，才能測(cè)得準(zhǔn)確的、代表性的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)重要的、經(jīng)常發(fā)生故障的部位可多布測(cè)點(diǎn)，而不重要的、不常發(fā)生故障的部位可少布測(cè)點(diǎn)。 4.1.2 測(cè)定參數(shù)的確定 1)測(cè)量正常和故障狀態(tài)下的信號(hào); 2)定義幾個(gè)特征參數(shù); 3)用信號(hào)計(jì)算這些特征參數(shù)的值; 4)檢查每個(gè)特征參數(shù)的靈敏度，如果均不夠高，則回到(2); 5)用高靈敏度的特征參數(shù)進(jìn)行故障診斷 4.1.3 測(cè)定周期的選擇 為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承初期狀態(tài)的異常，需要合理確定測(cè)量周期。一般來講，當(dāng)滾動(dòng)軸承處于正常工作情況下，可保持固有周期；當(dāng)振動(dòng)增大或出現(xiàn)異常征兆時(shí)，則應(yīng)采用縮短周期的對(duì)策，并應(yīng)將測(cè)定周期盡可能安排得短些