滾動軸承故障診斷分析全解

1、滾動軸承故障診斷分析學(xué)院名稱：機(jī)械與汽車工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)教師姓名：摘要滾動軸承故障診斷本文對滾動軸承的故障形式、故障原因、常用診斷方法等診斷基礎(chǔ)和滾動軸承故障的振動機(jī)理作了研究，并建立了相應(yīng)的滾動軸承典型故障（外圈損傷、內(nèi)圈損傷、滾動體損傷）的理論模型，給出了一些滾動軸承故障診斷常見實(shí)例。通過對滾動軸承故障振動機(jī)理的研究可以幫助我們了解滾動軸承故障的本質(zhì)和特征。本文對特征參數(shù)的提取，理論推導(dǎo)，和過程都進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，關(guān)鍵詞:滾動軸承；故障診斷；特征參數(shù)；特征；ABSTRACT：TheRollingfaultdiagnosisInthethesis,thefaultt

2、ypes,diagnosticmethodsandvibrationprincipleofrollingbearingarediscussed.thethesissetsupaseriesofacademicmodelsoffaultyrollingbearingsandlistssomesymptomparameterswhichoftenusedinfaultdiagnosisofrollingbearings.thestudyofvibrationprincipleofrollingbearingscanhelpustoknowtheessenceandfeatureofrollingb

3、earings.Inthispaper,theparametersoftheextraction,theoreticalanalysis,andprocessaredescribedindetail.Keywords:RollingBearing;FaultDiagnosis;SymptomParameter;DistinctionIndex;DistinctionRate0引言：隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)正逐步向生產(chǎn)設(shè)備大型化、復(fù)雜化、高速化和自動化方向發(fā)展，在提高生產(chǎn)率、降低成本、節(jié)約能源、減少廢品率、保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有很大的優(yōu)勢。但是，由于故障所引起的災(zāi)難性事故及其所造成的對生命與財產(chǎn)

4、的損失和對環(huán)境的破壞等也是很嚴(yán)重的，這就使得人們對諸如航空航天器、核電站、熱電廠及其他大型化工設(shè)備的可靠性、安全性提出了越來越高的要求。除了在設(shè)計與制造階段，通過改進(jìn)可靠性設(shè)計、研究和應(yīng)用新材料、新工藝以及加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)檢控制措施提高系統(tǒng)的可靠性與安全性外，提高系統(tǒng)可靠性與安全性的另一個重要途徑就是對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測與診斷，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的有效控制，并對災(zāi)難性故障的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警，為采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施提供有效的信息。故障診斷理論就是為了滿足對系統(tǒng)可靠性和安全性要求的提高，減少并控制災(zāi)難性事故的發(fā)生而發(fā)展起來的。因此，故障診斷理論的發(fā)展必將促進(jìn)故障監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用

5、，從而可以進(jìn)一步的提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，并由此產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。而滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最重要的零部件之一,也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的易損零件。據(jù)統(tǒng)計旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有30%是由軸承故障引起的,軸承的故障會導(dǎo)致機(jī)器劇烈振動和產(chǎn)生噪聲,甚至?xí)鹪O(shè)備的損壞。因此,對滾動軸承故障的診斷分析,在生產(chǎn)實(shí)際中尤為重要。滾動軸承診斷方法有倒頻譜分析、特征參數(shù)分析法、沖擊脈沖法、包絡(luò)分析法、小波分析等。振動分析是對滾動軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的常用方法。一般方式為：利用數(shù)據(jù)采集器在設(shè)備現(xiàn)場采集滾動軸承振動信號并儲存，傳送到計算機(jī)，利用振動分析軟件進(jìn)行深入分析，從而得到滾動軸承各種振動參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值，進(jìn)而判

6、斷這些滾動軸承是否存在故障。1 滾動軸承的故障形式滾動軸承在正常情況下，長時間運(yùn)轉(zhuǎn)也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損。而制造缺陷、對重偏差大、轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動、潤滑油變質(zhì)等因素會加速軸承的損壞。疲勞剝落滾動軸承的內(nèi)外滾道和滾動體交替進(jìn)入和退出軸承區(qū)域，這些部件因長時間承受交變載荷的作用，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面在表面產(chǎn)生點(diǎn)狀剝落，逐步發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。磨損長時間運(yùn)轉(zhuǎn)使軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面不可避免的產(chǎn)生磨損，持續(xù)的磨損使軸承間隙增大，振動和噪聲增加。潤滑不良和硬質(zhì)顆粒進(jìn)入滾道會加速軸承的磨損。斷裂當(dāng)軸承所受載荷、震動過大時，內(nèi)外圈的缺陷位置在

7、滾動體的反復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴(kuò)展而斷裂。銹蝕水分或酸堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點(diǎn)處引起電火花而產(chǎn)生電腐蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。擦傷由于軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面上的微觀凸起或硬質(zhì)顆粒使接觸面受力不均，在潤滑不良、高速重載工況下，因局部摩擦產(chǎn)生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合，嚴(yán)重時表面金屬可能局部融化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂。2 滾動軸承的失效形式軸承失效通常劃分為四個階段：第一階段：在軸承失效的初始階段，故障頻率出現(xiàn)在超聲頻段。有多種信號處理手段能夠檢測到這些頻率，如峰值能量gSE、應(yīng)力波PeakVue、包絡(luò)譜

8、ESP、沖擊脈沖SPM等。此時，軸承故障頻率在加速度譜和速度頻譜圖上均無顯示。第二階段：輕微的軸承故障開始激起軸承元件的固有頻段，一般在5002KHz范圍內(nèi)。同時該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。起初只能觀察到這個頻率本身，后期表現(xiàn)為在固有頻率附近出現(xiàn)邊頻。此時，軸承仍可安全運(yùn)轉(zhuǎn)。第三階段：軸承故障頻率的諧波開始出現(xiàn)，邊頻帶數(shù)目逐漸增多。諧波有時會比基頻更早被發(fā)現(xiàn)。峰值能量gSE、應(yīng)力波PeakVue、包絡(luò)譜ESP、沖擊脈沖SPM所測故障頻率幅值顯著升高。加速度頻譜圖上也可能觀察到軸承故障的高次諧波。此時需要停機(jī)檢修。第四階段：在加速度和速度頻譜圖上均能看到軸承故障頻率的基頻和高次諧波，

9、并伴隨有轉(zhuǎn)速頻率的邊頻帶，各種手段所測頻譜圖的基底噪音水平升高，繼而軸承故障頻率開始消失被隨機(jī)振動或噪音代替。能明顯聽到故障軸承產(chǎn)生的噪聲。此時軸承已處于危險狀態(tài)。3 故障分析方法3.1 倒頻譜分析法倒頻譜分析也稱為二次頻譜分析，是對信號x(t)作進(jìn)一步的譜分析而得到的，通過對滾動軸承典型故障的振動信號功率譜和倒頻譜的比較分析,可知倒頻譜能將主要的信息從復(fù)雜的頻率成分和噪聲中識別出來,能較好地辨別出故障特征頻率和其它特征頻率。在相關(guān)文獻(xiàn)中采用倒頻譜分析技術(shù)準(zhǔn)確，快速地判定故障發(fā)生在軸承滾動體上。3.2 特征參數(shù)分析法3.2.1時域特征參數(shù)分析時域的特征參數(shù)分析包括有效值、峰值、峰值因子、峭度指

10、標(biāo)等方法。有效值是指振動振幅的均方根值，表現(xiàn)滾動軸承振動的瞬時值隨著時間在不斷地進(jìn)行變化，可用于檢測表面皺裂無規(guī)則振動波形的異常，但對表面剝落或傷痕等具有瞬變沖擊振動的異常是不適用的；峰值是在某個時間內(nèi)振幅的最大值，對瞬時現(xiàn)象也可得出正確的指示值，對滾動體對保持架的沖擊及突發(fā)性外界干擾或灰塵等原因引起的瞬時振動比較敏感；峰值因子是峰值與有效值的比，該值適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。通過對峰值因子值隨時間變化趨勢的監(jiān)測,可以有效地對滾動軸承進(jìn)行早期預(yù)報，并能反映故障的發(fā)展趨勢；峭度指標(biāo)Kv定義為歸一化的4階矩，對于其振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度指標(biāo)值約為3，隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度指標(biāo)值

11、具有與峰值因子類似的變化趨勢；3.2.2 頻域特征參數(shù)分析當(dāng)軸承無故障運(yùn)行時，能量基本上集中在低頻段;有故障時，故障引起的沖擊力或摩擦力激發(fā)起軸承的高頻振動，能量向中頻段及高頻段轉(zhuǎn)移。信號的功率譜反映了信號的能量隨頻率的分布情況，即反映了信號中的頻率成分以及各頻率成分的能量大小情況。由此可以看出，通過描述功率譜中主頻帶位置的變化及譜能量分布的分散程度，可以較好地描述信號頻域特征的變化。頻域參數(shù)主要有重心頻率、均方頻率、均方根頻率、頻率方差、頻率標(biāo)準(zhǔn)差等。3.3沖擊脈沖法（SPM法）滾動軸承存在缺陷時，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異物時，會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障

12、的程度，它還和軸承的線速度有關(guān)。目前，基于該原理的故障診斷設(shè)備還廣泛應(yīng)用于工廠之中。在有關(guān)文獻(xiàn)中，作者對傳統(tǒng)SPM的檢測方法進(jìn)行改進(jìn)，成功地建立聚丙烯造粒機(jī)滾動軸承的在線監(jiān)測儀器系統(tǒng)，并在現(xiàn)場運(yùn)行中成功檢測出軸承的運(yùn)行故障，避免重大事故的發(fā)生。3.4 包絡(luò)分析法包絡(luò)分析是目前診斷軸承和齒輪故障的最有效方法。包絡(luò)分析是一種基于濾波檢波的振動信號處理方法。包絡(luò)分析在進(jìn)行頻譜分析之前，首先對振動信號進(jìn)行高通或帶通濾波，濾掉低頻成分，然后對信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，提取附載在高頻載波信號上的低頻調(diào)制信號。最后經(jīng)過低頻濾波，濾掉高頻載波，剩下包絡(luò)之后的低頻振動信號。目前，常用的包絡(luò)解調(diào)分析方法有:寬帶解調(diào)技術(shù)、

13、共振解調(diào)技術(shù)、選頻解調(diào)技術(shù)、Hilbert解調(diào)技術(shù)等。3.5 小波分析小波分析是繼傅里葉分析之后，在20世紀(jì)80年代開始逐漸發(fā)展成熟起來的一個有力的信號分析工具。滾動軸承的故障特征信號比較弱，被淹沒在高頻振動和噪聲中不容易分辨，然而經(jīng)典的功率譜方法又難以檢測出信噪比較低的故障特征信號，并且對微弱的故障特征信號不敏感，影響了診斷的可靠性和精確性。小波分析具有多尺度性和“數(shù)學(xué)顯微鏡”特性，這使得小波分析能識別振動信號中的突變信號。并且小波變換的空間局部化性質(zhì)用來來分析信號的奇異性是非常有效的。小波變換可以對振動信號進(jìn)行不同層度的分解,獲取信號不同尺度的輪廓信息和細(xì)節(jié)信息,其反映了信號的本質(zhì)信息從而

14、為識別故障特征信號和其干擾信號提供了可能。四、案例分析4.1電力機(jī)車滾動軸承診斷案例分析當(dāng)一個發(fā)生局部損傷的軸承運(yùn)行時，由于滾動體的不斷滾動，在接觸損傷時會發(fā)生周期性的沖擊信號，但在故障的早期階段，這些特征往往淹沒于噪聲之中，很難分辨，這為更大的故障發(fā)生留下了隱患。因此需要及時發(fā)現(xiàn)故障并排除，保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。本節(jié)中將基于改進(jìn)相鄰系數(shù)法的多小波降噪方法應(yīng)用于機(jī)車滾動軸承的早期故障診斷中，致力于提取強(qiáng)噪聲背景下的微弱故障特征。這里所檢測的客運(yùn)型電力機(jī)車走行部的滾動軸承與1節(jié)中為同一軸承，軸承參數(shù)如表1所示，損傷如圖1所示。測試時，采樣頻率為12800Hz,軸承轉(zhuǎn)速為481r/rain?？捎?/p>

15、算外圈的故障特征頻率f=53Hz，而相應(yīng)的周期即為18.9ms。采集到的時域振動信號如圖1所示?？梢钥吹?噪聲強(qiáng)度很大,淹沒了特征信息,通過時域信號很難分辨出存在沖擊。圖1外圏輕微損傷的滾動軸承時域信號o-loo遜首先采用FFT與譜峭度方法分析信號。其中，譜峭度方法是近年來發(fā)展起來的一種有效提取故障特征的方法，該方法通過對信號進(jìn)行分解獲得多個不同頻率中心與帶寬的頻帶，并在這樣的頻帶中依據(jù)峭度選擇敏感頻帶，并濾波獲得所關(guān)心的信號，從時域及頻域分別檢測故障。圖2為信號的頻譜。圖2中顯示頻譜中頻率內(nèi)容非常豐富，覆蓋了從低頻到高頻的范圍，而這其中沒有太突出的頻率成分，因此很難通過頻域直接獲得故障的特征

16、信息。圖2為采用譜峭度方法濾出的峭度最高的頻段，帶寬為800Hz，中心頻率為6000Hz。從圖2中可以看到，在o.03s,0.08s以及o.16s,0.23s之間存在較為明顯的沖擊，而其他位置的沖擊并沒有被準(zhǔn)確地提取。因而，在圖2中出現(xiàn)了53Hz中的譜線，但譜峰并不是很突出，而且由于譜峭度運(yùn)算中的下抽樣運(yùn)算影響了平方包絡(luò)譜的精度，造成頻率分辨率下降，因此，通過該結(jié)果來判斷故障存在并不嚴(yán)密。0.2015-?*罠S卑0.05OJ0.1502025Q-30-35時帥g(b)用潸聞度萬法耀出的信母其次，采用Db8單小波分別結(jié)合硬閾值、軟閾值及傳統(tǒng)相鄰系數(shù)法來對該信號進(jìn)行降噪。圖3為采用Db8單小波硬閾

17、值的降噪結(jié)果。盡管圖3中沖擊特征較為突出，但在o.Ils,0.15s之間的特征卻在閾值處理時被誤認(rèn)為是噪聲而置零了。而且，在t=0.21s附近出現(xiàn)了一條干擾線，這是對噪聲不能合理抑制造成的。圖3為Db8單小波軟閾值降噪的結(jié)果。在圖3中0.05s,0.15s-內(nèi)的沖擊均不能分辨出來，結(jié)果比較模糊。圖3中采用Db8單小波傳統(tǒng)相鄰系數(shù)法降噪的結(jié)果要好于上面兩種方法，沒有出現(xiàn)無關(guān)的干擾沖擊，但o.1ls,0.17s區(qū)間內(nèi)的沖擊仍然比較微弱，難以識別。501T|丨11i.-1-xJ_1_JK亠一=sL一JL.丄亠丄-rvyn1li4rni!l00.05隊(duì)1時間腐(a)硬團(tuán)值a2O.J5031R14ai1

18、iji.tQ005010.L5U啊碼(b)軼闔盛020250.3-20-40ITT»*iI丄0,05Q0,150.20250.3(G)傳統(tǒng)郴鄰系數(shù)迭圏3Db8單小波降噪結(jié)果接下來GHM多小波用于對該軸承信號分解并降噪。閾值降噪的結(jié)果。圖4中沖擊較為明顯，但無關(guān)的沖擊也較多，這些無關(guān)信息干擾了對故障的判斷。其中，采用GHM多小波軟閾值的結(jié)果與圖4中類似，由于軟閾值對系數(shù)的收縮作用，特征不夠突出。而圖4中相鄰系數(shù)法有效地抑制了無關(guān)沖擊，但對于幾個微弱沖擊的提取仍然不夠好。最后，采用基于改進(jìn)相鄰系數(shù)法的多小波降噪方法對該信號進(jìn)行分析，如圖4所示?？梢钥吹剑摲椒ú粌H準(zhǔn)確地提取出所有的沖擊特

19、征，而且對于無關(guān)的干擾信息的抑制也很成功，清晰地體現(xiàn)出外圈故障造成的周期性沖擊特征，周期189ms也驗(yàn)證了該方法的有效性。4.2 軸承振動分析實(shí)例在長期生產(chǎn)過程的狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，滾動軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)在其使用過程中有一定的規(guī)律性，并且重復(fù)性非常好。正常優(yōu)質(zhì)軸承在開始使用時，振動幅值和噪聲均比較小，但頻譜有些散亂（圖1）這可能是由于制造過程中的一些缺陷，如表面毛刺等所致。圖1運(yùn)行一段時間后，振動幅值和噪聲維持一定水平，頻譜非常單一，僅出現(xiàn)一、二倍頻。極少出現(xiàn)三倍工頻以上頻譜（圖2），軸承狀態(tài)非常穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定工作期。圖2繼續(xù)運(yùn)行一段時間后，軸承幅值和噪聲開始增大（圖3），有時出現(xiàn)異響，但振動增大的變

20、化較緩慢，此時，軸承峭度值由2.303突然達(dá)到33.47，可認(rèn)為軸承出現(xiàn)初期故障。這時，就要對該軸承進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，密切注意其變化。圖34.3 滾動軸承實(shí)際診斷要點(diǎn)在實(shí)際狀態(tài)監(jiān)測中，往往只需判斷滾動軸承好壞，能用多長時間我們在現(xiàn)場診斷中，采用有量綱參數(shù)與無量綱參數(shù)相結(jié)合，可快速判斷出軸承故障，即采用振動速度結(jié)合軸承峭度值進(jìn)行綜合診斷。當(dāng)兩個條件均超過標(biāo)準(zhǔn)時，我們判斷軸承存在故障。另外，當(dāng)監(jiān)測到滾動軸承低頻振動非常大時，排除機(jī)組不對中、不平衡、結(jié)構(gòu)松動、基礎(chǔ)共振等結(jié)構(gòu)性因素后，即使無滾動軸承特征頻率，也應(yīng)對滾動軸承進(jìn)行檢修。4.4 軸承滾動體故障診斷案例圖11為含有一個滾動體損傷時采集的振動數(shù)據(jù)波

21、形，此時滾動體的損傷程度是直徑0.18mm、深0.28mm。此時，軸承的回轉(zhuǎn)速度為1798r/min,則軸承回轉(zhuǎn)頻率f=29.97Hz,根據(jù)式(3.4.17)計算得到的滾動體損傷特征頻率f=119.49Hz。圖12為振動信號分解到尺度3的8個第二代小波包的能量分布。圖12中序號為8的小波包能量最大，它所對應(yīng)的頻帶為52506000Hz，圖13為該小波包的包絡(luò)譜，最大譜峰對應(yīng)的頻率正是滾動體損傷特征頻率廠f。當(dāng)滾動體表面出現(xiàn)損傷時，如點(diǎn)蝕，損傷部分通過軸承內(nèi)圈和外圈滾道時，會產(chǎn)生沖擊振動，由00271圖12軸承滾動體損傷的尺度3小液包能宣分布圖11含有滾動協(xié)損傷的滾動軸承振動信號03金4U引&#

22、39;可於45小波包嚀號于滾動軸承通常具有徑向間隙，根據(jù)損傷部分與內(nèi)圈或外圈發(fā)生的位置不同，會發(fā)生振幅調(diào)制。圖池圖12能宣最大小波包的包絡(luò)譜4.5軸承滾動體故障定量診斷案例一滾動軸承在軸承試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試，滾動軸承型號為552732QT,振動加速度傳感器安裝于軸承外圈的垂直朝上位置，軸的轉(zhuǎn)速為503r/min,采樣頻率為12.8kHz。用3.4.1節(jié)的第二代小波包解調(diào)方法進(jìn)行三層分解分析測得的振動信號。圖14為振動信號八個分解頻帶的時域重構(gòu)信號，d31、d32、d38分別表示第三層的第一個頻帶、第二個頻帶、第八個頻帶的重構(gòu)信號。圏U第二代小波包童夠信號圖15為振動信號由小到大依次為軸承保持架、輪對踏面、軸承滾動體、軸承外圈和軸承內(nèi)圈故障特征頻率處對應(yīng)的解調(diào)譜分貝值。由圖15可以看出，在第六頻帶fd36的解調(diào)譜中軸承滾動體故障特征頻率對應(yīng)分貝值為23.8854dB,超出了預(yù)警值，表明滾