機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)

1、 #如果滾動(dòng)體是滾珠，其運(yùn)轉(zhuǎn)中不但有公轉(zhuǎn)和h轉(zhuǎn)，還會(huì)發(fā)生搖擺，因此，滾珠表而缺陷對(duì)滾道有時(shí)產(chǎn)生沖擊，有時(shí)無沖擊，從而會(huì)產(chǎn)生斷續(xù)性故障信號(hào)。（6）保持架與內(nèi)環(huán)或外環(huán)某處發(fā)生碰撞的頻率：保持架與內(nèi)環(huán)或外環(huán)某處發(fā)生碰撞的頻率：保持架碰外環(huán)的頻率為fBo/丿保持架碰內(nèi)環(huán)的頻率為fBi=|1+7rkcos1+%2、承受軸向力時(shí)軸承缺陷特征頻率cos1+%內(nèi)滾道缺陷外滾道缺陷滾珠缺陷保持架碰外環(huán)保持架碰內(nèi)環(huán)外滾道缺陷滾珠缺陷保持架碰外環(huán)保持架碰內(nèi)環(huán)1仁d22Ld/rsl-ycosa-A21D；n丿dfBol-cosafrfsi=4l+-cosafr式中，a為軸承的壓力角。例：某204滾珠軸承,節(jié)圓直徑Dm

2、=33.5mm,滾珠直徑d=7.938mm,滾珠數(shù)Z=8,軸轉(zhuǎn)速/?=3000/7min,壓力角a=0。，如果每次只出現(xiàn)一處缺陷，試計(jì)算缺陷的重復(fù)頻率。內(nèi)滾道缺陷外滾道缺陷fo=q滾珠缺陷亠5(1+空2I33.5丿比Z冷內(nèi)滾道缺陷外滾道缺陷fo=q滾珠缺陷亠5(1+空2I33.5丿比Z冷x50p.93lcosafr-=x501-D：rd2乙l+-cosaj/,.Z,d1cos0”d2x8=24739Hz33.5丿7.938233.52x8=152.61ftx仝-二99.58處7.938保持架碰外環(huán)fBo=1-AcosaV=|xfl-甞卜19.08處保持架碰內(nèi)環(huán)fBi=-1+cosafr=-xf

3、l+-)=30.92/z2D”2I33.57.2.3滾動(dòng)軸承的振動(dòng)及其故障特征1、滾動(dòng)軸承的時(shí)域波形特征（1）正常情況下，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)時(shí)域波形有兩個(gè)特點(diǎn)：一是無沖擊，二是變化慢。（2）軸承元件發(fā)生異常時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖擊脈沖振動(dòng)：沖擊脈沖周期為基階故障特征頻率的倒數(shù)。沖擊脈沖寬度在數(shù)量級(jí)，它將激起系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的高頻響應(yīng)（固有振動(dòng)），響應(yīng)水平取決丁系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的固有頻率及阻尼的大小。對(duì)丁內(nèi)環(huán)，由丁軸承徑向間隙的存在，根據(jù)損傷和滾動(dòng)體發(fā)生沖擊的位置，響應(yīng)振幅會(huì)受到調(diào)制，其調(diào)制波的頻率為軸的旋轉(zhuǎn)頻率齊和振動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率九，其中最主要的還是通過頻率對(duì)固有頻率的脈沖調(diào)制。對(duì)丁外環(huán)，由丁損傷處的位置與承載方向之

4、間的位置關(guān)系是一定的，故無振幅調(diào)制現(xiàn)象。對(duì)丁滾動(dòng)體，它與內(nèi)環(huán)情況相當(dāng)，其調(diào)制波的頻率為九。（3）軸承偏心引起的振動(dòng)：當(dāng)軸承內(nèi)環(huán)嚴(yán)重磨損或開裂時(shí)，軸的中心（即內(nèi)環(huán)中心）便以外環(huán)中心為中心作振動(dòng)，振動(dòng)的頻率成份為皿（二（4）滾動(dòng)體的非線性伴生振動(dòng)：滾動(dòng)軸承靠滾道與滾動(dòng)體的彈性接觸來承受載荷，因此具有“彈簧”的性質(zhì)，這個(gè)“彈簧”的剛性很大，當(dāng)潤(rùn)滑狀態(tài)不良時(shí),就會(huì)出現(xiàn)非線性彈簧性質(zhì)的振動(dòng)。軸向非線性伴生振動(dòng)頻率為軸的旋轉(zhuǎn)頻率齊，分?jǐn)?shù)諧波及其高次諧波2力,3力,；而徑向非線性伴生振動(dòng)是窈的各JwX次諧波及齊的分?jǐn)?shù)諧波成分。（5）不同軸引起的振動(dòng)：當(dāng)兩個(gè)軸承不對(duì)中，軸承裝配不良等都會(huì)引起低頻振動(dòng)。7.3滾

5、動(dòng)軸承故障診斷方法7.3.1振動(dòng)診斷法采用振動(dòng)診斷法主耍有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以檢測(cè)出各種類型軸承的異?，F(xiàn)象；（2）在故障初期就可發(fā)現(xiàn)異常，并可在旋轉(zhuǎn)中測(cè)定；（3）由丁振動(dòng)信號(hào)發(fā)IT軸承本身，所以不需特別的信號(hào)源：（4）信號(hào)檢測(cè)和處理比較簡(jiǎn)單。1、有效值和峰值判斷法由丁有效值是對(duì)時(shí)間的平均，所以對(duì)具有表面皴裂無規(guī)則振動(dòng)波形的異常，其測(cè)定值的變動(dòng)小，可給出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。但是，對(duì)表面剝落或傷痕等具有瞬變沖擊振動(dòng)的異常是不適用的。峰值是在某個(gè)時(shí)間內(nèi)振幅的最大值。它對(duì)瞬時(shí)現(xiàn)象也可得出正確的指示値，特別對(duì)初期階段軸承表面剝落，非常容易由峰值的變化檢測(cè)出來。2、峰值指標(biāo)法峰值指標(biāo)是指峰値與有效值的比。如上所述

6、，由表面剝落或傷痕引起的瞬時(shí)沖擊振動(dòng)，峰値比有效值的反映靈敏，使用峰值指標(biāo)正是利用峰值的該性質(zhì)。一般來講，正常軸承振動(dòng)的峰值指標(biāo)約為5,當(dāng)軸承發(fā)生傷痕時(shí)，峰值指標(biāo)有時(shí)會(huì)達(dá)到10o所以用該方法也較容易對(duì)滾動(dòng)軸承的異常作出判斷。3、振幅概率密度分析法概率密度分布的陡度心，把異常的程度數(shù)量化，然后根據(jù)心的大小判斷軸承異常情況。x4p（x）dxax式中，X為瞬時(shí)幅值；“（X）為概率密度函數(shù)；q為標(biāo)準(zhǔn)偏差。一般來講，對(duì)正常軸承，心的大小約為3;當(dāng)剝落發(fā)生時(shí)，&將變大。與峰值指標(biāo)類似。4、時(shí)序模型參數(shù)分析法常用的模型為H回歸模型AR（7）,假設(shè)根據(jù)觀測(cè)值忑（1,2,N）建立的模型為Xk=+02%2+%+a

7、k5、沖擊脈沖法振動(dòng)加速度的振幅大小是與異常程度成比例的，因此可以利用沖擊波形的最大值耳，或沖擊波形的絕對(duì)平均值細(xì)進(jìn)行異常判斷。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)（300r/min以下），平均值很小，據(jù)此進(jìn)行異常與否判斷則很困難，因此用最大值進(jìn)行診斷。有時(shí)也用心/即來判斷異常，卩/“卜|大表示軸承有損傷，心/你小則表示發(fā)生了潤(rùn)滑不良或磨損異常。6、包絡(luò)法包絡(luò)分析法是利用包絡(luò)檢波和對(duì)色絡(luò)譜的分析，根據(jù)包絡(luò)譜峰來識(shí)別故障。在包絡(luò)法中，將經(jīng)調(diào)制的高頻分量拾取，經(jīng)放大、濾波后送入解調(diào)器，即可得到原來的低頻脈動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)譜分析即可獲得功率譜。包絡(luò)法不僅可根據(jù)某種高頻固有振動(dòng)的出現(xiàn)與否，判斷軸承是否異常，而且可根據(jù)包絡(luò)信號(hào)的頻

8、率成分識(shí)別產(chǎn)生故障的元件（如內(nèi)圈、外圈，滾動(dòng)體）。包絡(luò)法把與故障有關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中解調(diào)出來，從而避免與其他低頻干擾的混淆，故有很高的診斷可靠性和靈敏度，是目前最常用、最有效地診斷滾動(dòng)軸承故障的方法之一。7、高通絕對(duì)值頻率分析法將加速度計(jì)測(cè)得的振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)電荷放大器后，再經(jīng)過IkHz的高通濾波器，只抽出其高頻成分，然后將濾波后的波形作絕對(duì)值處理，再對(duì)經(jīng)絕對(duì)值處理后的波形進(jìn)行頻率分析，即可判明各種故障原因。7.4齒輪異常的基本形式及撮動(dòng)特點(diǎn)7.4.1齒輪異常的基本形式1、齒面磨損2、齒面膠合和擦傷3、彎曲疲勞與斷齒7.4.2齒輪振動(dòng)及其特點(diǎn)1、齒輪的振動(dòng)頻率（1）齒輪振動(dòng)的類型：齒輪在

9、運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)是比較復(fù)雜的，由丁齒輪所受的激勵(lì)不同，從而使齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)類型也不同。下面分別介紹各種類型振動(dòng)產(chǎn)生的原因及其特征：第一，齒輪嚙合過程中由丁周節(jié)誤差、齒形誤差或均勻磨損等都會(huì)使齒與齒之間發(fā)生撞擊，撞擊的頻率就是它的嚙合頻率。齒輪在此周期撞擊力的激勵(lì)下產(chǎn)生了以嚙合頻率為振動(dòng)頻率的強(qiáng)迫振動(dòng)，頻率范圍一般在兒白到兒T赫內(nèi)。第二，由丁齒輪嚙合過程中輪齒發(fā)生彈性變形，使剛剛進(jìn)入嚙合的輪齒發(fā)生撞擊，因而產(chǎn)生沿著嚙合線方向作用的脈動(dòng)力，丁是也會(huì)產(chǎn)生以嚙合頻率為頻率的振動(dòng)。對(duì)丁齒廓為漸開線的齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近為單齒趴合，而在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)為雙齒嚙合，故其剛度是非簡(jiǎn)諧的周期函數(shù)，所產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)與上述

10、第一種情況不同，不僅有以嚙合頻率為頻率的基頻振動(dòng)，而且還有嚙合頻率的高次諧波振動(dòng)。第三，齒與齒之間的摩擦在一定條件下會(huì)誘發(fā)h激振動(dòng)，主耍與齒面加工質(zhì)量及潤(rùn)滑條件有關(guān)，H激振動(dòng)的頻率接近齒輪的固有頻率。第四、齒與齒之間撞擊是一種瞬態(tài)激勵(lì)，它使齒輪產(chǎn)生衰減h由振動(dòng)，振動(dòng)頻率就是齒輪的固有頻率，通常固有頻率在110kHz內(nèi)。第五，齒輪、軸、軸承等元件由丁不同心、不對(duì)稱、材料不均勻等會(huì)產(chǎn)生偏心、不平衡，其離心慣性力使齒輪軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)的頻率等丁軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（一般在100Hz以內(nèi)）及其諧頻。第六，由丁齒面的周部損傷而產(chǎn)生的激勵(lì)，其相應(yīng)的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等丁損傷的齒數(shù)乘以軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。綜上所述，齒輪

11、的振動(dòng)頻率基本上可歸納為三類：即軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其諧頻,齒輪的嚙合頻率及其諧頻，齒輪h身的各階固有頻率。而齒輪的實(shí)際振動(dòng)往往是上述各類振動(dòng)的某種組合。（2）齒輪各類振動(dòng)頻率的計(jì)算：齒輪及軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率齊f_N口式中，N為齒輪及軸的轉(zhuǎn)速（r/min）o齒輪的嚙合頻率幾：對(duì)丁定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪有Nfm=Zi60式中，Z,為第i個(gè)齒輪的齒數(shù)，N：為第i個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速（r/min）o對(duì)丁有固定齒圈的行星輪系有fm=Zr（NrNc）/602、齒輪振動(dòng)頻譜的特點(diǎn)齒輪振動(dòng)的邊頻帶譜：齒輪在運(yùn)行中無論齒輪發(fā)生異常與否，齒的嚙合都會(huì)發(fā)生沖擊嚙合振動(dòng)，其振動(dòng)波形表現(xiàn)出振幅受到調(diào)制的特點(diǎn)，既調(diào)幅乂調(diào)頻。齒輪振動(dòng)的頻譜圖是非常

12、復(fù)雜的，除了有明顯表示嚙合頻率的譜線和嚙合頻率的高階諧頻的譜線外，還有許多按一定規(guī)律分布的小譜線，這就是在齒輪振動(dòng)的頻譜圖中常見的邊頻帶譜。它是由丁兒種動(dòng)載同時(shí)作用在齒輪上，使其同時(shí)產(chǎn)生兒種振動(dòng)，它們相互疊加產(chǎn)生調(diào)制的結(jié)果。通常載頻為嚙合頻率及其高階諧頻或其他高頻成分，而軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其高階諧頻則為調(diào)制頻率。齒輪發(fā)生故障時(shí)，嚙合頻率的振動(dòng)成分或軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及諧頻的振動(dòng)成分隨之發(fā)生顯著的變化。因此,如果能從齒輪振動(dòng)的邊頻帶譜中分析出載頻或調(diào)制信號(hào)的頻率，對(duì)丁分析齒輪的故障將十分有用。振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制原理：齒輪振動(dòng)信號(hào)既有幅值調(diào)制乂有頻率調(diào)制，這兩種調(diào)制在頻譜圖中均表現(xiàn)為在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)各有

13、一簇邊頻帶，各邊頻帶的間隔即是調(diào)制信號(hào)的頻率。下而以幅值調(diào)制為例簡(jiǎn)述產(chǎn)生邊頻帶的原理。幅值調(diào)制就是載頻的時(shí)域信號(hào)幅值受到調(diào)制信號(hào)的調(diào)制。若載頻是嚙合頻率仁，其時(shí)域信號(hào)用x(/)表示，調(diào)制信號(hào)為余弦函數(shù)cos2磯/或正弦函數(shù)sin17ifot(f0即是調(diào)制信號(hào)的頻率)則幅值調(diào)制信號(hào)為%(/)cos20r或x(r)sin2磯f。根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，我們有尸|x(f02叫二fx(/)(cos2叭t+jsin2or)=X(fm-f0)尸同”八叫二Fx(r)(cos2觀f-Jsin2磯f)=X(fm+/0)上兩式相加得耳訛)心2曲二*X(九-/o)+X(九+/o)i上兩式相減得Fx(f)cos2麗二X

14、(九-知-X(九+/o)丿所得兩式表明：時(shí)域中的幅值調(diào)制(相乘)在頻域中反映為頻移，即原載頻的譜線九的位置移動(dòng)了人，而且由調(diào)前的一條譜線九變?yōu)閮蓷l譜線(九廠/o,九+/o),分布在原譜線九勺兩側(cè)，形成邊頻帶。齒輪振動(dòng)中的調(diào)制信號(hào)一般不是正弦信號(hào)或余弦信號(hào)，而是以一定周期變化的脈沖信號(hào)。從振動(dòng)分析中得知，脈沖信號(hào)可以看成是一系列簡(jiǎn)諧信號(hào)的組合。齒輪局部缺陷激發(fā)的是窄脈沖，其頻譜在較寬的頻率范圍內(nèi)具有相等而較小的幅値；若齒輪的缺陷是連續(xù)的，則激發(fā)的脈沖較寬，頻譜的頻帶窄且幅值衰減較快。因此，這兩種缺陷的邊頻帶有明顯的差別：前者的邊頻帶范圍寬而幅値小且變化平緩：而后者的邊頻帶窄，集中丁載頻譜線附近、

15、幅值較大而衰減較快。這樣，就可根據(jù)這兩種故障的時(shí)域波形或頻域邊頻帶加以區(qū)別。頻率調(diào)制就是載頻信號(hào)受到調(diào)制信號(hào)的調(diào)制后，變成變頻信號(hào)。齒輪由丁齒間距誤差或載荷發(fā)生周期性變化而產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，不但有幅值調(diào)制,同時(shí)也有頻率調(diào)制。頻率調(diào)制波的頻譜也是在載頻（如九）譜線的兩側(cè)產(chǎn)生等間隔的邊頻帶，邊頻帶的間隔/o就是調(diào)制信號(hào)（往往是與齒輪故障有關(guān)的信號(hào)）的頻率。由丁幅値調(diào)制與頻率調(diào)制的邊頻都相同，所以在頻譜圖中這兩種調(diào)制的邊頻帶是重疊的。對(duì)丁同一頻率的邊頻帶譜線，如果兩者的相位相同，則它們的幅值相加；兩者的相位相反時(shí)，則它們的幅値相減。所以載頻譜線兩側(cè)的邊頻帶的分布一般是不對(duì)稱、不規(guī)則的。齒輪振動(dòng)時(shí)，由丁各種

16、因素的影響往往既有以嚙合頻率為基頻的振動(dòng)，乂有它的高階諧頻分量；而軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也常有高階諧頻分量。齒輪振動(dòng)的各調(diào)制邊頻可用下式表示局=Pfm呱Nfr2式中，九|為齒輪副的嚙合頻率；/小/亡為主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率：P=1,2,3,為嚙合頻率各階諧頻的序數(shù)：77=1,2,3,分別為主、被動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的各階諧頻的序數(shù)。（3）齒輪振動(dòng)頻譜圖的組成成分：齒輪振動(dòng)頻譜圖的譜線一般有下列兒種：一是齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及其低階諧頻。它主要是由丁轉(zhuǎn)軸對(duì)中不良、軸變形、零部件松動(dòng)等原因引起，使齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生附加脈沖。二是齒輪的嚙合頻率及其諧頻、邊頻帶。如前所述，這些振動(dòng)成分是由齒形誤差、齒面損傷等原因引

17、起的。三是齒輪副的各階固有頻率。它是由丁齒輪嚙合時(shí)齒間撞擊（往往是由故障所致）而引起的齒輪h由衰減振動(dòng)。從振動(dòng)波形曲線上看，它是衰減曲線，在振動(dòng)頻譜圖中，它們位丁高頻區(qū)，幅值較小，易被噪聲信號(hào)淹沒。四是齒輪加工機(jī)床分度齒輪的嚙合頻率及其諧波（稱為隱含成分）。其譜線往往在嚙合頻率的附近。這是由丁當(dāng)齒輪加工機(jī)床分度齒輪的誤差較大時(shí)，影響到被加工齒輪的齒形精度而引起的振動(dòng)。此種譜線并非所有齒輪的振動(dòng)頻譜圖中都是明顯的，因?yàn)榧词辜庸C(jī)床的分度誤差較大，但當(dāng)齒輪經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后,其分度誤差的影響會(huì)由丁齒面磨損而減少，其對(duì)應(yīng)譜線的幅值也就隨之變小。不過可利用此種譜線了解齒輪磨合、磨損的程度。7.5齒輪

18、故障分析方法7.5.1頻譜分析法1、頻率細(xì)化分析技術(shù)用振動(dòng)頻譜的邊頻帶進(jìn)行齒輪的故障診斷時(shí)必須耍有足夠的頻率分辨率，否則會(huì)造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。2、倒頻譜分析對(duì)丁同時(shí)有數(shù)對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖，由丁每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊帶譜，兒個(gè)邊頻帶譜交義分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析是不行的，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。倒頻譜將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，使監(jiān)測(cè)者便丁觀察，而齒輪有故障時(shí)的振動(dòng)頻譜具有的邊頻帶恰是具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出功率譜中肉眼難以辨識(shí)的周期性信號(hào)。3、瀑布圖分析法7.5.2時(shí)域診斷應(yīng)用時(shí)域同步平均法可從復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)中分離出與參考脈沖頻率相等的最低周期成分以及它的各階諧波成分。此法應(yīng)用丁齒輪箱的故障診斷時(shí)，可從總的振動(dòng)信號(hào)中提取出感興趣的那對(duì)嚙合齒輪的振動(dòng)信號(hào)，而把