機械故障診斷技術滾動軸承故障診斷公開課課件

機械故障診斷技術滾動軸承故障診斷機械故障診斷技術滾動軸承故障診斷17．1滾動軸承的失效形式1.滾動軸承的磨損失效磨損是滾動軸承最常見的一種失效形式。在滾動軸承運轉中，滾動體和套圈之間均存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨損。尤其在軸承中侵入金屬粉末、氧化物以及其他硬質顆粒時，則形成嚴重的磨料磨損，使之更為加劇。另外，由于振動和磨料的共同作用，對于處在非旋轉狀態(tài)的滾動軸承，會在套圈上形成與鋼球節(jié)距相同的凹坑，即為摩擦腐蝕現(xiàn)象。如果軸承與座孔或軸頸配合太松，在運行中引起的相對運動，又會造成軸承座孔或軸徑的磨損。當磨損量較大時，軸承便產生游隙噪聲，振動增大。7．1滾動軸承的失效形式1.滾動軸承的磨損失效22.滾動軸承的疲勞失效

在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸載荷的反復作用，表層因反復的彈性變形而致冷作硬化，下層的材料應力與表層出現(xiàn)斷層狀分布，導致從表面下形成細小裂紋，隨著以后的持續(xù)負荷運轉，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料表面的裂紋相互貫通，直至金屬表層產生片狀或點坑狀剝落。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效。隨著滾動軸承的繼續(xù)運轉，損壞逐步增大。因為脫落的碎片被滾壓在其余部分滾道上，并給那里造成局部超載荷而進一步使?jié)L道損壞。 軸承運轉時，一旦發(fā)生疲勞剝落，其振動和噪聲將急劇惡化。2.滾動軸承的疲勞失效33.滾動軸承的腐蝕失效

軸承零件表面的腐蝕分三種類型。 a.化學腐蝕，當水、酸等進入軸承或者使用含酸的潤滑劑，都會產生這種腐蝕。 b.電腐蝕，由于軸承表面間有較大電流通過使表面產生點蝕。 c.微振腐蝕，為軸承套圈在機座座孔中或軸頸上的微小相對運動所至。結果使套圈表面產生紅色（Fe2O3）或黑色的銹斑。軸承的腐蝕斑則是以后損壞的起點。3.滾動軸承的腐蝕失效44.滾動軸承的塑變失效

壓痕主要是由于滾動軸承受負荷后，在滾動體和滾道接觸處產生塑性變形。載荷過大時會在滾道表面形成塑性變形凹坑。另外，若裝配不當，也會由于過載或撞擊造成表面局部凹陷。或者由于裝配敲擊，而在滾道上造成壓痕。5.滾動軸承的斷裂失效

造成軸承零件的破斷和裂紋的重要原因是由于運行時載荷過大、轉速過高、潤滑不良或裝配不善而產生過大的熱應力，也有的是由于磨削或熱處理不當而導致的。4.滾動軸承的塑變失效56.滾動軸承的膠合失效滑動接觸的兩個表面，當一個表面上的金屬粘附到另一個表面上的現(xiàn)象稱為膠合。 對于滾動軸承，當滾動體在保持架內被卡住或者潤滑不足、速度過高造成摩擦熱過大，使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合。其膠合狀為螺旋形污斑狀。還有的是由于安裝的初間隙過小，熱膨脹引起滾動體與內外圈擠壓，致使在軸承的滾道中產生膠合和剝落。6.滾動軸承的膠合失效67．2滾動軸承的振動機理與信號特征

引起滾動軸承振動的因素很多。有與部件有關的振動，也有與制造質量有關的振動，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關的振動。如圖7－1所示，我們通過對軸承振動的剖析，找出激勵特點，并通過不同的檢測分析方法的研究，從振動信號中，獲取振源的可靠信息，用以進行滾動軸承的故障診斷。圖7－1滾動軸承振動的時域信號

(a)新軸承的振動波形(b)表面劣化后的軸承振動波形7．2滾動軸承的振動機理與信號特征引起滾動軸承振動的71.軸承剛度變化引起的振動

當滾動軸承在恒定載荷下運轉時(如圖7—2)，由于其軸承和結構所決定，使系統(tǒng)內的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化。如滾動體與外圈的接觸點的變化，使系統(tǒng)的剛度參數形成周期的變化，而且是一種對稱周期變化，從而使其恢復力呈現(xiàn)非線性的特征。由此便產生了分數諧波振動。此外，當滾動體處于載荷下非對稱位置時，轉軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動。這類參數的變化與運動都將引起軸承的振動，也就是隨著軸的轉動，滾動體通過徑向載荷處即產生激振力。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數形成的周期變化和滾動體產生的激振力及系統(tǒng)存在非線性，便產生多次諧波振動并含有分諧波成分，不管滾動軸承正常與否，這種振動都要發(fā)生。圖7—2滾動軸承剛度的變化1.軸承剛度變化引起的振動圖7—2滾動軸承剛度的變化82.由滾動軸承的運動副引起的振動當軸承運轉時，滾動體便在內外圈之間滾動。軸承的滾動表面雖加工得非常平滑，但從微觀來看，仍高低不平，特別是材料表面產生疲勞斑剝時，高低不平的情況更為嚴重。滾動體在這些凹凸面上轉動，則產生交變的激振力。所產生的振動，既是隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。滾動軸承的特征頻率(即接觸激發(fā)的基頻)，完全可以根據軸承元件之間滾動接觸的速度關系建立的方程求得。計算的特征頻率值往往十分接近測量數值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據。2.由滾動軸承的運動副引起的振動9滾動軸承的特征頻率（內圈旋轉，外圈固定時）1)內圈旋轉頻率?1：

Hz2)保持架旋轉頻率?2：3）滾動體自轉頻率?3：4）保持架過內圈頻率?4：5）滾動體通過內圈頻率?5：6）滾動體通過外圈頻率?6：

式中，n—內圈轉速(r/min)，z—滾動體個數在故障診斷的實踐中，內圈旋轉頻率?1、滾動體通過內圈頻率?5、滾動體通過外圈頻率?6對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。圖7—3向心推力球軸承結構簡圖（內圈旋轉，外圈固定）滾動軸承的特征頻率（內圈旋轉，外圈固定時）1)內圈旋轉頻10圖7－4滾動軸承內缺陷所激發(fā)的振動波形3.滾動軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動特征

滾動軸承內出現(xiàn)剝落等缺陷，滾動體以較高的速度從缺陷上通過時，必然激發(fā)兩種性質的振動。見圖7－4，第一類振動是上節(jié)所講的以結構和運動關

系為特征的振動，表現(xiàn)為沖擊振動的周

期性；第二類振動是被激發(fā)的以軸承元件固有頻

率的衰減振蕩，表現(xiàn)為每一個脈沖的衰

減振蕩波。軸承元件的固有頻率取決于本身的材料、結構形式和質量，根據某些資料介紹，軸承元件的固有頻率在20K～60KHz的頻率段。因此,有些軸承診斷儀，就針對這一特點進行信號分析處理，在這一頻段內工作的儀表。圖7－4滾動軸承內缺陷所激發(fā)的振動波形3.滾動軸承的早期11利用低頻段信號診斷軸承故障的要點軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的頻率與軸承結構和運動關系相聯(lián)系，處于振動信號的低頻段內，在這個頻段內還有軸的振動、齒輪的嚙合振動等各種零件的振動。由于這些振動具有更強的能量，軸承早期缺陷所激發(fā)的微弱周期性脈沖信號往往淹沒在這些強振信號中，給在線故障監(jiān)測系統(tǒng)帶來困難，但是，滾動軸承故障在低頻段的特征還是可以得到的。因為滾動軸承在機器設備中的作用是支撐傳動軸的旋轉，所以滾動軸承故障所激發(fā)的振動必然對軸及軸上的機械零件產生影響。對于轉軸上的零件為齒輪等非轉子類零件的軸而言，其動不平衡量是不隨時間變化的。滾動軸承影響到軸的空間定位，軸承故障將使軸的空間定位出現(xiàn)波動，當軸的工作狀態(tài)處于非重載時，軸的轉頻振動幅值升高，有時還表現(xiàn)為轉頻的2X、3X…5X頻率的振幅升高。這種情況往往預示著滾動軸承出現(xiàn)早期故障。當軸的轉頻振動幅值再次降低時，滾動軸承故障已進入晚期，到了必需更換的程度。利用低頻段信號診斷軸承故障的要點軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的127．3滾動軸承信號分析方法

軸承故障信號的拾取實際上是傳感器及安裝部位和感應頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。這里距故障信號源最近，傳輸損失最小，也是軸、齒輪等故障信號傳輸路徑必經的最近位置。所以幾乎所有的在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)都選擇軸承座作為傳感器的安裝部位。 由于軸的空間位置波動，也必然影響齒輪等零件的振動。滾動軸承故障在某種條件下（如輕載、空載）也會在齒輪嚙合頻率的振幅升高中反映出來。因此其特征為齒輪嚙合頻率的邊頻很微弱，幾乎看不見。7．3滾動軸承信號分析方法軸承故障信號的拾取實際上是13圖7－5滾動軸承的振動頻譜傳感器和感應頻率段的選擇軸承故障信號分布的頻段

傳感器和感應頻率段的選擇，如圖7－5所示，這是一個航空軸承通過故障實驗得到的頻譜圖。軸承的故障信號分布在3個頻段，即圖中陰影部分。圖7－5滾動軸承的振動頻譜傳感器和感應頻率段的選擇軸承故14a).低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相聯(lián)系的故障信號在這個頻率段，少數高速滾動軸承的信號頻段能延展到B點以外。因為軸的故障信號、齒輪的故障信號也在這個頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測的頻段。b).高頻段：位于Ⅱ區(qū)，這個頻段的信號是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動。c).超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發(fā)射超聲波信號。a).低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相15信號拾取方式：針對不同的信號所處頻段，需采用不同的信號拾取方式。a)監(jiān)測低頻段的信號，通常采用加速度傳感器，由于同時也要拾取其它零件的故障信號，因此采用通用的信號處理電路（儀器）。b)監(jiān)測高頻段的信號，其目的是要獲取唯一的軸承故障信號，采用自振頻率在25～30KHz的加速度傳感器，利用加速度傳感器的共振效應，將這個頻段的軸承故障信號放大，再用帶通濾波器將其它頻率的信號（主要是低頻信號）濾除，獲得唯一的軸承故障信號。c)監(jiān)測超高頻段的信號，則采用超聲波傳感器，將聲發(fā)射信號檢出并放大。儀表統(tǒng)計單位時間內聲發(fā)射信號的頻度和強度，一旦頻度或強度超過某個報警限，則判定軸承故障。信號拾取方式：16所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：4）時已有故障隱患了，到5月6日幅值發(fā)生突變，增大了20多倍，說明此時吐絲機軸承已經損壞了。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效。圖7－14破裂的1軸軸承2005年1月5日，宣化鋼鐵公司高速線材軋機的20架出現(xiàn)振動異常。當滾動軸承在恒定載荷下運轉時這些條件綜合起來，就是滾動軸承故障的判定條件。峭度指標Cq稱位置時，轉軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動。在線系統(tǒng)一直連續(xù)出現(xiàn)紅色警報（均在200m/s2以上）。當磨損量較大時，軸承便產生游隙噪聲，振動增大。659m/s2，此后到6月27日之間一直維持在8.特征頻率表1（圖7－31軋φ6.在圖7－23增速箱時域振動波形圖中可以明顯看到高頻沖擊現(xiàn)象，并且相對0位線偏向上方。第一類振動是上節(jié)所講的以結構和運動關動體通過外圈頻率?6對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。峭度指標Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應該在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動。因為沖擊波峰的振幅大，并且持續(xù)時間短。2)保持架旋轉頻率?2：特征頻率表1（圖7－31軋φ6.滾動軸承故障信號分析方法1．有效值與峰值判別法有效值：滾動軸承振動信號的有效值反映了振動的能量大小，當軸承產生異常后，其振動必然增大。因而可以用有效值作為軸承異常的判斷指標。峰值：有效值指標對具有瞬間沖擊振動的異常是不適用的。因為沖擊波峰的振幅大，并且持續(xù)時間短。用有效值來表示故障特征，其特征并不明顯，對于這種形態(tài)異常的故障特征，用峰值比有效值更適用。2．峰值系數法

所謂峰值系數，是指峰值與有效值之比。 用峰值系數進行診斷的最大特點，是由于它的值不受軸承尺寸、轉速及負荷的影響。正常時，滾動軸承的峰值系數約為5，當軸承有故障時，可達到幾十。軸承正常、異常的判定可以很方便判別。另外，峰值系數不受振動信號的絕對水平所左右。測量系統(tǒng)的靈敏度即使變動，對示值也不會產生多大影響。所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：滾動軸承故障信號分析方法173．峭度指標法峭度指標Cq反映振動信號中的沖擊特征。峭度指標Cq

峭度指標Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應該在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動。*當軸承出現(xiàn)初期故障時，有效值變化不大，但峭度指標值已經明顯增加，達到數十甚至上百，非常明顯。它的優(yōu)勢在于能提供早期的故障預報。*當軸承故障進入晚期，由于剝落斑點充滿整個滾道，峭度指標反而下降。也就是對晚期故障不適應。3．峭度指標法184．沖擊脈沖法（SPM）

沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動信號，經加速度傳感器的共振放大、帶通濾波及包絡檢波等信號處理，所獲得的信號振幅正比于沖擊力的大小。在沖擊脈沖技術中，所測信號振幅的計量單位是dB。測到的軸承沖擊dBi值與軸承基準值dB0相減（dB0是良好軸承的測定值）。dBN=dBi－dB0沖擊脈沖計的刻度就是用dBN值表示的。軸承的狀況分為三個區(qū)：（0～20）dBN表示軸承狀況良好（20～35）dBN表示軸承狀況已經劣化，屬發(fā)展中的損傷期（35～60）dBN表示軸承已經存在明顯的損傷。4．沖擊脈沖法（SPM）19圖7—6共振解調法的信號變換過程5．共振解調法

共振解調法也稱為包絡檢波頻譜分析法，是目前滾動軸承故障診斷中最常用的方法之一。共振解調法的基本原理可用圖7—6所示信號變換過程中的波形特征來說明。圖(a)為理想的故障微沖擊脈沖信號F(t)（原始脈沖波），它在時域上的脈寬極窄，幅值很小，而脈沖的頻率成分很豐富。雖然這種脈沖是以T為周期，但在頻譜上卻直接反映不出對應的頻率1／T成分。圖7—6共振解調法的信號變換過程5．共振解調法20圖(b)是脈沖信號由傳感器接收后，經過電子高頻諧振器諧振，產生的一組組共振響應波。這是一種振幅被放大了的高頻自由衰減振蕩波，振蕩頻率就是諧振器的諧振頻率?n(?n=1/Tn)，它的最大振幅與故障沖擊的強度成正比，而且每組振蕩波在時域上得到了展寬，振蕩波的重復頻率與故障沖擊的重復頻率相同。圖(c)為振蕩波經過絕對值處理后留下了對應的頻率，但它還不是完全的周期信號，在頻譜上不能形成簡單波形那樣的離散譜線。圖(d)為對圖(c)所示振蕩波再進行包絡檢波處理后的波形，也就是取振蕩波形的包絡線。這個包絡波形就把高頻成分和其他機械干擾頻率剔除掉了，成為純低頻的周期波，波的周期T仍與原始沖擊頻率相對應圖(e)為將圖(d)所示的純低周期包絡波作為新的振動波形進行頻譜分析，獲得明顯的沖擊頻率及其諧波成分的頻譜分析圖。圖(b)是脈沖信號由傳感器接收后，經過電子高頻諧振器諧振，產21圖7－7兩種信號處理方法比較例：共振解調法（包絡檢波頻譜分析法）實現(xiàn)包絡檢波的方法有多種，常用的有兩種方法：希爾伯特(Hilbett)變換法和檢波濾波法。圖7—7為204型軸承加了30N軸向力，在試驗裝置上進行測試分析的結果。圖7—7(a)為原信號直接用低頻信號接收法得到的頻譜，圖中譜峰密集，較難尋找出故障的特征頻率。圖7—7(b)為經過包絡檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.25Hz是軸承外圈的間隔頻率(理論計算值為92.5Hz)，145Hz、290Hz和436Hz是內圈的間隔頻率及其諧波。該軸承的實際故障是內、外滾道表面上各有一處疲勞剝落。圖7－7兩種信號處理方法比較例：共振解調法（包絡檢波頻譜分226．頻譜分析法將低頻段測得振動信號，經低通抗疊混濾波器后，進行FFT快速富里葉變換，得到頻譜圖。根據滾動軸承的運動關系式計算得到各項特征頻率，在頻譜圖中找出、觀察其變化，從而判別故障的存在與部位。需要說明的是，各種特征頻率都是從理論上推導出來的，而實際上，由于軸承的各幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝后的變形、FFT計算誤差等因素，使得實際的頻率與計算所得的頻率會有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時，需在計算的頻率值上找其近似的值來作診斷。6．頻譜分析法23圖7－8故障軸承與完好軸承的頻譜圖對比a)故障軸承

b)完好軸承例如，圖7－8a，是一個外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖，明顯看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz。圖7—8b是與該軸承同型號的完好軸承的頻譜圖。通過比較可以看出，當出現(xiàn)故障后頻譜圖上有較高階諧波。在此例中出現(xiàn)了184.2Hz的5階諧波。且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。需要指出的是，圖7－8是一個在實驗室作出的圖形。實際工業(yè)現(xiàn)場的信號是極復雜的，包含了諸多軸、齒輪等強振信號，而滾動軸承的故障信號因為強度太小，而被淹沒。只有機構相對簡單的機械（如低轉速的水泵）才能復現(xiàn)與圖7－8相似的頻譜圖。圖7－8故障軸承與完好軸承的頻譜圖對比例如，圖7－8a，是24

滾動軸承原故障信號弱，并不意味常規(guī)的FFT信號分析技術對滾動軸承的故障診斷束手無策。我們都知道滾動軸承以其尺寸精度固定了轉軸的軸心空間位置，一旦滾動軸承內的故障引發(fā)振動，必然影響轉軸的軸心位置，導致對應軸轉動頻率的振幅加大，若能排除軸上其他零件的原因（例如齒輪的轉子不平衡力是不隨時間變化的），即可診斷出軸承故障。軸上的齒輪等零件的振動也會受到軸承振動的影響，導致自身的振動出現(xiàn)幅值增大，諧頻成分增多的現(xiàn)象。滾動軸承原故障信號弱，并不意味常規(guī)的FFT信號分析技術257．倒頻譜分析法對于一個復雜的振動情況，其諧波成分更加復雜而密集，僅僅去觀察其頻譜圖，可能什么也辨認不出。這是由于各運動件在力的相互作用下各自形成特有的特征頻率，并且相互疊加與調制，因此在頻譜圖上則形成多族諧波成分，如果應用倒頻譜則較易于識別。倒頻譜：對于存在調頻、調幅現(xiàn)象的信號，其功率譜上會出現(xiàn)周期分量或等間隔的旁瓣，利用倒譜分析方法，對功率譜上的周期分量進行再處理，找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問題。處理過程：離散信號序列{xi}FFT變換功率譜S{f}求對數lgS(f)求逆傅里葉變換F-1{lgS(f)}得到倒譜C(τ)C(τ)=F-1{lgS(f)}7．倒頻譜分析法離散信號序列{xi}FFT變換功率譜S{f2682m/s2，說明吐絲機在4月24日（0.圖7－1滾動軸承振動的時域信號

(a)新軸承的振動波形(b)表面劣化后的軸承振動波形式中，n—內圈轉速(r/min)，z—滾動體個數5鋼時，吐絲機a35測點峭度在4月13日之前維持在5以下，到4月16日達到14，此后到5月25日之間一直維持在6.由圖7－27可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機II軸轉動頻率的幅值在4月24日之前維持在0.(2)吐絲機II軸兩端的軸承有損傷。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數形成的周期變化和滾動體產生圖7－33顯示為吐絲機5月6日10：00的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率的振幅為9.所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：需要指出的是，圖7－8是一個在實驗室作出的圖形。由圖7－29可見，在2～6月份軋Ф6.2)保持架旋轉頻率?2：這些條件綜合起來，就是滾動軸承故障的判定條件。圖7—7(b)為經過包絡檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.5鋼時轉速：1052r/min）吐絲機a35測點譜圖數據)a）26#架精軋機在1月29日柱狀圖（棒圖a、b、c，這里未給出）峰值開始報警，30日報警值達255；另外，若裝配不當，也會由于過載或撞擊造成表面局部凹陷。在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸載荷的反復作用，表層因反復的彈性變形而致冷作硬化，下層的材料應力與表層出現(xiàn)斷層狀分布，導致從表面下形成細小裂紋，隨著以后的持續(xù)負荷運轉，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料表面的裂紋相互貫通，直至金屬表層產生片狀或點坑狀剝落。2)保持架旋轉頻率?2：例：圖7—9a，是內圈軌道上有疲勞損傷和滾子有凹坑缺陷軸承的振動時間歷程。圖7—9b則是其頻譜圖，該圖不便識別。圖7—9c是其倒頻譜，明顯看出有106Hz及26.39Hz成分，理論計算上滾子故障頻率為106.35Hz及內圈故障頻率為26.35Hz，在此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一致。在滾動軸承故障信號分析中，由于存在著明顯的調制現(xiàn)象，并在頻譜圖中形成不同族的調制邊帶。 *當內圈有故障時是則內圈故障頻率構成調制邊帶； *當滾子有故障時，則又以滾子故障頻率構成另一族調制邊帶。

因此軸承故障的倒頻譜診斷方法可以提供有效的預報信息。82m/s2，說明吐絲機在4月24日（0.例：27圖7－9倒頻譜分析的有效性示意圖圖7－9倒頻譜分析的有效性示意圖28圖7－10高線軋機的傳動機構示意圖7．4滾動軸承故障診斷案例例7-1

2005年1月31日，宣化鋼鐵公司高速線材軋機的26架出現(xiàn)振動異常。圖7－10為高線軋機的傳動機構示意圖。

圖7－10高線軋機的傳動機構示意圖7．4滾動軸承故障診291）頻譜分析圖:圖7－1126架軋機振動頻譜圖1）頻譜分析圖:圖7－1126架軋機振動頻譜圖302）數據分析：表7－1數據分析表（測量轉速1100rpm；推導轉速1078.2rpm）2）數據分析：313)趨勢分析:從趨勢圖上可以看到振動是在1月29日開始上升的，說明故障發(fā)展很快。圖7－1226架通頻振動有效值趨勢圖3)趨勢分析:圖7－1226架通頻振動有效值趨勢圖324）特征頻率趨勢分析從圖7－13中可以看到，Ⅰ軸轉頻(58.59Hz)及2倍頻(117.19Hz)的振幅也是在1月29日開始上升。圖7－1326架特征頻率趨勢圖4）特征頻率趨勢分析圖7－1326架特征頻率趨勢圖335）當時的診斷結論與處理建議1．時域信號特征a）26#架精軋機在1月29日柱狀圖（棒圖a、b、c，這里未給出）峰值開始報警，30日報警值達255；b）29日時域信號發(fā)生嚴重畸變，30日時域信號完全紊亂；c）時域趨勢圖從27日的22.6m/s2急劇上升到30日的245m/s2（圖7-12），突變了10倍左右。2．頻域信號特征：a）出現(xiàn)26#架精軋機錐箱I軸的轉動頻率（同時也是該軸軸承內圈旋轉頻率）及大量諧波，達5000Hz以上，這是典型的部件松動特征。b）58.59Hz的振幅已經超過10m/s2；（圖7-11)3．該齒輪箱可能存在兩種故障隱患：a）I軸軸承損壞（可能性較大）;b）26架底座剛度弱（有松動、裂紋等），有被外力所激起的振動。5）當時的診斷結論與處理建議34實際情況廠方接到報告后，立即組織檢修。開箱后發(fā)現(xiàn)1軸MRC—7126KRD4S軸承損壞。圖7－14破裂的1軸軸承（注：這個診斷報告中將錐箱I軸的轉動頻率及大量諧波解釋成典型的部件松動特征，實際是因為軸承破損，造成I軸定心失效所致）實際情況廠方接到報告后，立即組織檢修。開箱后發(fā)現(xiàn)1軸M35例7-22005年1月5日，宣化鋼鐵公司高速線材軋機的20架出現(xiàn)振動異常。圖7－10為高線軋機的傳動機構示意圖。查20架的頻譜變化過程，見圖7－15、圖7－17、圖7－18。圖7－1512月28日譜圖錐箱I軸轉頻58Hz幅值為0.447m/s2例7-2圖7－1512月28日譜圖錐箱I軸轉頻58Hz幅36超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發(fā)射超聲波信號。從而使其恢復力呈現(xiàn)非線性的特征。圖7—9b則是其頻譜圖，該圖不便識別。從2004年12月28日的頻譜圖到2005年1月4日的頻譜圖，可以看到軸轉頻的振幅上升了7倍，而且頻域圖形中出現(xiàn)很多諧波并向上漂起，時域圖形越來越混亂，呈很強的非對稱形態(tài)。a）26#架精軋機在1月29日柱狀圖（棒圖a、b、c，這里未給出）峰值開始報警，30日報警值達255；2)保持架旋轉頻率?2：3）滾動體自轉頻率?3：圖7—9c是其倒頻譜，明顯看出有106Hz及26.綜合此事件所獲得的經驗：當峭度指標異常升高其膠合狀為螺旋形污斑狀。有效值：滾動軸承振動信號的有效值反映了振動的能量大小，當軸承產生異常后，其振動必然增大。特征頻率表1（圖7－31軋φ6.當滾動軸承在恒定載荷下運轉時軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的頻率與軸承結構和運動關系相聯(lián)系，處于振動信號的低頻段內，在這個頻段內還有軸的振動、齒輪的嚙合振動等各種零件的振動。5鋼時，吐絲機II軸轉動頻率的幅值在4月24日之前維持在0.2)保持架旋轉頻率?2：這是一種振幅被放大了的高頻自由衰減振蕩波，振蕩頻率就是諧振器的諧振頻率?n(?n=1/Tn)，它的最大振幅與故障沖擊的強度成正比，而且每組振蕩波在時域上得到了展寬，振蕩波的重復頻率與故障沖擊的重復頻率相同。測量系統(tǒng)的靈敏度即使變動，對示值也不會產生多大影響。圖7－29峭度指標趨勢圖軸上的齒輪等零件的振動也會受到軸承振動的影響，導致自身的振動出現(xiàn)幅值增大，諧頻成分增多的現(xiàn)象。圖7-171月2日頻譜圖（錐箱Ⅰ軸轉動頻率58Hz的振幅為2.502m/s2圖7-181月4日頻譜圖（錐箱Ⅰ軸轉動頻率58Hz的振幅為3.664m/s2超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發(fā)射超聲37數據分析表7－2數據分析表（測量轉速1088rpm；推導轉速1078.2rpm）從2004年12月28日的頻譜圖到2005年1月4日的頻譜圖，可以看到軸轉頻的振幅上升了7倍，而且頻域圖形中出現(xiàn)很多諧波并向上漂起，時域圖形越來越混亂，呈很強的非對稱形態(tài)。由此可以判斷20＃架錐箱Ⅰ軸軸承出現(xiàn)故障．建議：及時更換20#錐箱I軸軸承，以免發(fā)生故障。數據分析表7－2數據分析表（測量轉速1083820#軋機拆檢結果圖7－19圖7－20圖7－2120#軋機拆檢結果圖7－19圖7－2039例7-3

2005年12月15日，唐山鋼鐵公司高速線材軋機的增速箱振動異常升高的故障診斷。根據系統(tǒng)的時域指標監(jiān)測，在12月14日發(fā)現(xiàn)精軋機增速箱南側時域指標連續(xù)呈黃色警報，到12月15日時域指標報警值大于150變?yōu)榧t色，引起技術人員的關注，因此進一步對該設備進行頻譜分析。圖7－22高線精軋機齒輪箱傳動鏈圖例7-32005年12月15日，唐山鋼鐵公司高速線材軋40頻譜圖分析圖7－23增速箱12月15日時域振動波形

在圖7－23增速箱時域振動波形圖中可以明顯看到高頻沖擊現(xiàn)象，并且相對0位線偏向上方。0位線頻譜圖分析圖7－23增速箱12月15日時域振動波形在41圖7－24增速箱12月15日頻譜圖時域信號有明顯下延結構是沖擊類振動的表現(xiàn)，頻域含有410HZ成份，并伴隨有高階倍頻成份。圖7－24增速箱12月15日頻譜圖時域信號有明顯下延結構是42診斷結論1、經過初步分析該振動成份并非軸與齒輪的故障特征頻率（軸轉動頻率小于30HZ，齒輪嚙合頻率大于2000HZ）；2、由于軸承參數不全，無法計算精確的故障特征頻率，根據估計值計算有軸承故障可能。在隨后的緊急檢修中，開箱發(fā)現(xiàn)輸出高速軸聯(lián)軸節(jié)端滾動軸承內圈斷裂。圖7－25軸承內圈斷裂診斷結論1、經過初步分析該振動成份并非軸與齒輪的故障特征43圖7－26吐絲機傳動簡圖7．4滾動軸承故障診斷案例例7-4：2006年6月27日，安陽鋼鐵公司高速線材軋制線上的吐絲機Ⅱ軸發(fā)生軸承碎裂事故，被迫停產檢修。事后檢視在線故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)早在4月13日時域峰值指標狀態(tài)監(jiān)測已經發(fā)出紅色警報。圖7－26是吐絲機傳動簡圖。

作為事后調查，欲對所有故障監(jiān)測指標作一下回顧，以便認識哪些指標對這類故障信息敏感。所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：圖7－26吐絲機傳動簡圖7．4滾動軸承故障診斷案例例441、時域指標趨勢分析(1)Φ6.5鋼吐絲機a35測點峰值趨勢圖

由圖7－27可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機a35測點時域峰值從4月13日（50m/s2）開始有所上升，到4月25日達到85m/s2，此后到5月6日已達到260m/s2以上，并且到吐絲機軸承出現(xiàn)損壞事故前在線系統(tǒng)一直連續(xù)出現(xiàn)紅色警報（均在200m/s2以上）。圖7－27峰值指標趨勢圖1、時域指標趨勢分析(1)Φ6.5鋼吐絲機a35測點峰值45(2)軋Φ6.5鋼吐絲機a35水平測點峰值系數趨勢圖

由圖7－28可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機a35水平測點峰值系數在4月13日之前維持在5以下，到4月16日達到10，此后到5月25日之間一直維持在6.5以上，軸承在正常狀態(tài)下的峰值系數為5左右，說明吐絲機在4月13日時已有故障隱患了，到5月25日后吐絲機a35測點峰值系數又降到5以下，說明此時軸承到已經損壞了。圖7－28峰值系數趨勢圖(2)軋Φ6.5鋼吐絲機a35水平測點峰值系數趨勢圖圖7－46dBN=dBi－dB0共振解調法的基本原理可用圖7—6所示信號變換過程中的波形特征來說明。3．該齒輪箱可能存在兩種故障隱患：35Hz，在此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一致。在滾動軸承運轉中，滾動體和套圈之間均存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨損。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效。由此可以判斷20＃架錐箱Ⅰ軸軸承出現(xiàn)故障．圖7－27峰值指標趨勢圖低頻段升高20倍，使高頻振幅都壓下去了。F-1{lgS(f)}從而使其恢復力呈現(xiàn)非線性的特征。峭度指標Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應該在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動。5鋼吐絲機a35測點峭度指標趨勢圖軸承故障將使軸的空間定位出現(xiàn)波動，當軸的工作狀態(tài)處于非重載時，軸的轉頻振動幅值升高，有時還表現(xiàn)為轉頻的2X、3X…5X頻率的振幅升高。綜合此事件所獲得的經驗：當峭度指標異常升高圖7－27峰值指標趨勢圖由以上分析可見，從峰值、峰值系數、峭度三個時域指標都可看出吐絲機軸承在4月13日時已有故障隱患了，在5月初到5月25日是軸承逐漸損壞時期，若在這個時期能夠對吐絲機進行必要的檢查，就可避免6月27日軸承碎裂事故的發(fā)生。在此例中出現(xiàn)了184.在隨后的緊急檢修中，開箱發(fā)現(xiàn)輸出高速軸聯(lián)軸節(jié)端滾動軸承內圈斷裂。1、根據以上分析，一煉軋廠吐絲機有以下兩方面的故障征兆。(3)軋Φ6.5鋼吐絲機a35測點峭度指標趨勢圖由圖7－29可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機a35測點峭度在4月13日之前維持在5以下，到4月16日達到14，此后到5月25日之間一直維持在6.5以上，軸承在正常狀態(tài)下的峭度為3左右，說明吐絲機在4月13日（9.4）時已有故障隱患了，到5月25日后吐絲機a35測點峭度又降到5以下，說明此時軸承到已經損壞了。由以上分析可見，從峰值、峰值系數、峭度三個時域指標都可看出吐絲機軸承在4月13日時已有故障隱患了，在5月初到5月25日是軸承逐漸損壞時期，若在這個時期能夠對吐絲機進行必要的檢查，就可避免6月27日軸承碎裂事故的發(fā)生。圖7－29峭度指標趨勢圖dBN=dBi－dB0(3)軋Φ6.5鋼吐絲機a35測472、頻域指標趨勢分析軋Φ6.5鋼吐絲機II軸軸頻幅值趨勢圖

由圖7－30可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機II軸轉動頻率的幅值在4月24日之前維持在0.25m/s2以下，4月24日開始上升，達到0.4m/s2，到5月6日達到9.659m/s2，此后到6月27日之間一直維持在8.5m/s2以上，6月6日最高達到30.82m/s2，說明吐絲機在4月24日（0.4）時已有故障隱患了，到5月6日幅值發(fā)生突變，增大了20多倍，說明此時吐絲機軸承已經損壞了。圖7－30II軸軸頻幅值趨勢圖2、頻域指標趨勢分析軋Φ6.5鋼吐絲機II軸軸頻幅值趨勢圖483、譜圖分析(1)a35測點正常時的時域波形及頻譜圖（軋Φ6.5鋼）圖7－31(a)

吐絲機06年3月9日19：00時域波形圖3、譜圖分析(1)a35測點正常時的時域波形及頻譜圖（軋Φ649圖7－31(b)

吐絲機06年3月9日19：00頻域波形圖圖7－31(b)吐絲機06年3月9日19：00頻域波形圖50特征頻率表1特征頻率表1（圖7－31軋φ6.5鋼時轉速：1071r/min）吐絲機a35測點譜圖數據)

圖7－31顯示為吐絲機3月9日19：00的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率的振幅為0.151m/s2，并且II軸軸頻的2、5、7倍頻的振幅較為突出（見特征頻率表1），這時II軸已有輕微松動故障了。由于振幅相對很低，不易看出。特征頻率表1特征頻率表1（圖7－31軋φ6.5鋼時轉速51(2)．a35測點峰值明顯上升時的時域波形及頻譜圖(軋Φ6.5鋼)圖7－32(a)

吐絲機06年4月25日4：00時域波形圖(2)．a35測點峰值明顯上升時的時域波形及頻譜圖(軋Φ6.52圖7－32(b)

吐絲機06年4月25日4：00頻域波形圖圖7－32(b)吐絲機06年4月25日4：00頻域波形圖53特征頻率表2特征頻率表2（圖7－32軋φ6.5鋼時轉速：1052r/min）吐絲機a35測點譜圖數據)

圖7－32顯示為吐絲機4月25日4：00的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率的振幅為0.386m/s2，并且II軸軸頻的2、5、7倍頻幅值較為突出（見特征頻率表2），與3月9日波形圖相比，II軸（高速軸）軸轉動頻率的振幅上升了2倍多，且II軸轉動頻率的2、5、7倍頻幅值也相對上升了，表明吐絲機II軸松動故障在逐漸加重。特征頻率表2特征頻率表2（圖7－32軋φ6.5鋼時轉速：54(3)．a35測點峰值上升非常大時的時域波形及頻譜圖(軋Φ6.5鋼)圖7－33吐絲機06年5月6日10：00時域和頻域波形圖(3)．a35測點峰值上升非常大時的時域波形及頻譜圖(軋Φ655特征頻率表3特征頻率表3（圖7－33軋φ6.5鋼時轉速：1063r/min）吐絲機a35測點譜圖數據)圖7－33顯示為吐絲機5月6日10：00的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率的振幅為9.659m/s2，并伴有II軸轉動頻率的2、3倍頻振幅較為突出（見特征頻率表3），與4月25日波形圖相比，II軸（高速軸）軸轉動頻率振幅上升了20多倍，且II軸轉動頻率的2、3倍頻振幅也相對上升了，表明吐絲機II軸上軸承已經損壞了。這個時間距軸承破碎還有40多天，而且頻譜圖上已有極明顯的故障征兆。低頻段升高20倍，使高頻振幅都壓下去了。在此期間處理，完全可以避免事故發(fā)生。特征頻率表3特征頻率表3（圖7－33軋φ6.5鋼時轉速：56電腐蝕，由于軸承表面間有較大電流通過使表面產生點蝕。圖7—9a，是內圈軌道上有疲勞損傷和滾子有凹坑缺陷軸承的振動時間歷程。圖7－22高線精軋機齒輪箱傳動鏈圖現(xiàn)早在4月13日時域峰值指標狀態(tài)監(jiān)測已經發(fā)出紅色警報。19Hz)的振幅也是在1月29日開始上升。圖7－1512月28日譜圖錐箱I軸轉頻58Hz幅值為0.圖7－1226架通頻振動有效值趨勢圖(3)．a35測點峰值上升非常大時的時域波形及頻譜圖(軋Φ6.5m/s2以上，6月6日最高達到30.2005年1月5日，宣化鋼鐵公司高速線材軋機的20架出現(xiàn)振動異常。軸上的齒輪等零件的振動也會受到軸承振動的影響，導致自身的振動出現(xiàn)幅值增大，諧頻成分增多的現(xiàn)象。如圖7－1所示，我們通過對軸承振動的剖析，找出激勵特點，并通過不同的檢測分析方法的研究，從振動信號中，獲取振源的可靠信息，用以進行滾動軸承的故障診斷。沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動信號，經加速度傳感器的共振放大、帶通濾波及包絡檢波等信號處理，所獲得的信號振幅正比于沖擊力的大小。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數形成的周期變化和滾動體產生在此例中出現(xiàn)了184.有效值：滾動軸承振動信號的有效值反映了振動的能量大小，當軸承產生異常后，其振動必然增大。圖7－27峰值指標趨勢圖需要指出的是，圖7－8是一個在實驗室作出的圖形。a）出現(xiàn)26#架精軋機錐箱I軸的轉動頻率（同時也是該軸軸承內圈旋轉頻率）及大量諧波，達5000Hz以上，這是典型的部件松動特征。所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：(4)．吐絲機軸承碎裂當天的時域波形及頻譜圖(軋Φ6.5鋼)圖7－34吐絲機06年6月27日06：51時域和頻域波形圖電腐蝕，由于軸承表面間有較大電流通過使表面產生點蝕。(4)．57特征頻率表4特征頻率表4（圖7－34軋φ6.5鋼時轉速：1084r/min吐絲機a35測點譜圖數據)圖7－34顯示為吐絲機6月27日06：51的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率幅值為15.201m/s2,比5月9日幅值又有所上升，說明吐絲機II軸軸承已嚴重損壞，從而導致II軸軸頻幅值持續(xù)上升。特征頻率表4特征頻率表4（圖7－34軋φ6.5鋼時轉速584、診斷結論1、根據以上分析，一煉軋廠吐絲機有以下兩方面的故障征兆。

(1)吐絲機II軸在初期（3、4月份）有輕微松動故障征兆，實質是軸承定心劣化。(2)吐絲機II軸兩端的軸承有損傷。2、吐絲機II軸有松動的故障特征，是由于在頻域圖中II軸轉頻(基頻)及其2、5、7倍頻幅值在2、3月份較小，到4、5月份都有較大增長，與松動故障很吻合，尤其在軋小規(guī)格鋼(10mm鋼以下)時候更為突出。3、吐絲機II軸兩端的軸承有損傷是由于在時域指標中峰值系數和峭度指標2、3月份都屬于正常范圍內，到4、5月份上升了幾倍甚至十幾倍，已遠遠超出了軸承正常運行的技術狀態(tài)。4、吐絲機II軸兩端的軸承損壞，表現(xiàn)為軸承在早期（3、4月份）與II軸之間配合間隙大而引起II軸出現(xiàn)松動故障，后期（5、6月份）軸承損壞主要表現(xiàn)為II軸轉動頻率振幅很高，而其3、5、7倍頻幅值不再突出，頻譜圖與3、4月份明顯不同。4、診斷結論1、根據以上分析，一煉軋廠吐絲機有以下兩方面的故597．1滾動軸承的失效形式2、由于軸承參數不全，無法計算精確的故障特征頻率，根據估計值計算有軸承故障可能。5鋼時，吐絲機II軸轉動頻率的幅值在4月24日之前維持在0.4m/s2，到5月6日達到9.a）出現(xiàn)26#架精軋機錐箱I軸的轉動頻率（同時也是該軸軸承內圈旋轉頻率）及大量諧波，達5000Hz以上，這是典型的部件松動特征。由圖7－27可見，在2～6月份軋Ф6.3、吐絲機II軸兩端的軸承有損傷是由于在時域指標中峰值系數和峭度指標2、3月份都屬于正常范圍內，到4、5月份上升了幾倍甚至十幾倍，已遠遠超出了軸承正常運行的技術狀態(tài)。通過徑向載荷處即產生激振力。開箱后發(fā)現(xiàn)1軸MRC—7126KRD4S軸承損壞。因為滾動軸承在機器設備中的作用是支撐傳動軸的旋轉，所以滾動軸承故障所激發(fā)的振動必然對軸及軸上的機械零件產生影響。有與部件有關的振動，也有與制造質量有關的振動，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關的振動。圖(b)是脈沖信號由傳感器接收后，經過電子高頻諧振器諧振，產生的一組組共振響應波。(2)吐絲機II軸兩端的軸承有損傷。隨著滾動軸承的繼續(xù)運轉，損壞逐步增大。引起滾動軸承振動的因素很多。另外，若裝配不當，也會由于過載或撞擊造成表面局部凹陷。201m/s2,比5月9日幅值又有所上升，說明吐絲機II軸軸承已嚴重損壞，從而導致II軸軸頻幅值持續(xù)上升。沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動信號，經加速度傳感器的共振放大、帶通濾波及包絡檢波等信號處理，所獲得的信號振幅正比于沖擊力的大小。例如，圖7－8a，是一個外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖，明顯看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.查20架的頻譜變化過程，見圖7－15、圖7－17、圖7－18。5、從在線監(jiān)測系統(tǒng)的時域和頻域兩方面都能表明吐絲機II軸上軸承損壞的漸變過程。綜合此事件所獲得的經驗：當峭度指標異常升高，軸的轉動頻率振幅也有很大的增加，同時出現(xiàn)轉動頻率的高階次諧頻。這些條件綜合起來，就是滾動軸承故障的判定條件。附圖：軸承（型號10284776）損壞照片如下：圖7－35、軸承內外圈損壞照片圖7－36、吐絲機II高速軸7．1滾動軸承的失效形式5、從在線監(jiān)測系統(tǒng)的時域和頻域兩方60機械故障診斷技術滾動軸承故障診斷機械故障診斷技術滾動軸承故障診斷617．1滾動軸承的失效形式1.滾動軸承的磨損失效磨損是滾動軸承最常見的一種失效形式。在滾動軸承運轉中，滾動體和套圈之間均存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨損。尤其在軸承中侵入金屬粉末、氧化物以及其他硬質顆粒時，則形成嚴重的磨料磨損，使之更為加劇。另外，由于振動和磨料的共同作用，對于處在非旋轉狀態(tài)的滾動軸承，會在套圈上形成與鋼球節(jié)距相同的凹坑，即為摩擦腐蝕現(xiàn)象。如果軸承與座孔或軸頸配合太松，在運行中引起的相對運動，又會造成軸承座孔或軸徑的磨損。當磨損量較大時，軸承便產生游隙噪聲，振動增大。7．1滾動軸承的失效形式1.滾動軸承的磨損失效622.滾動軸承的疲勞失效

在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸載荷的反復作用，表層因反復的彈性變形而致冷作硬化，下層的材料應力與表層出現(xiàn)斷層狀分布，導致從表面下形成細小裂紋，隨著以后的持續(xù)負荷運轉，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料表面的裂紋相互貫通，直至金屬表層產生片狀或點坑狀剝落。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效。隨著滾動軸承的繼續(xù)運轉，損壞逐步增大。因為脫落的碎片被滾壓在其余部分滾道上，并給那里造成局部超載荷而進一步使?jié)L道損壞。 軸承運轉時，一旦發(fā)生疲勞剝落，其振動和噪聲將急劇惡化。2.滾動軸承的疲勞失效633.滾動軸承的腐蝕失效

軸承零件表面的腐蝕分三種類型。 a.化學腐蝕，當水、酸等進入軸承或者使用含酸的潤滑劑，都會產生這種腐蝕。 b.電腐蝕，由于軸承表面間有較大電流通過使表面產生點蝕。 c.微振腐蝕，為軸承套圈在機座座孔中或軸頸上的微小相對運動所至。結果使套圈表面產生紅色（Fe2O3）或黑色的銹斑。軸承的腐蝕斑則是以后損壞的起點。3.滾動軸承的腐蝕失效644.滾動軸承的塑變失效

壓痕主要是由于滾動軸承受負荷后，在滾動體和滾道接觸處產生塑性變形。載荷過大時會在滾道表面形成塑性變形凹坑。另外，若裝配不當，也會由于過載或撞擊造成表面局部凹陷。或者由于裝配敲擊，而在滾道上造成壓痕。5.滾動軸承的斷裂失效

造成軸承零件的破斷和裂紋的重要原因是由于運行時載荷過大、轉速過高、潤滑不良或裝配不善而產生過大的熱應力，也有的是由于磨削或熱處理不當而導致的。4.滾動軸承的塑變失效656.滾動軸承的膠合失效滑動接觸的兩個表面，當一個表面上的金屬粘附到另一個表面上的現(xiàn)象稱為膠合。 對于滾動軸承，當滾動體在保持架內被卡住或者潤滑不足、速度過高造成摩擦熱過大，使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合。其膠合狀為螺旋形污斑狀。還有的是由于安裝的初間隙過小，熱膨脹引起滾動體與內外圈擠壓，致使在軸承的滾道中產生膠合和剝落。6.滾動軸承的膠合失效667．2滾動軸承的振動機理與信號特征

引起滾動軸承振動的因素很多。有與部件有關的振動，也有與制造質量有關的振動，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關的振動。如圖7－1所示，我們通過對軸承振動的剖析，找出激勵特點，并通過不同的檢測分析方法的研究，從振動信號中，獲取振源的可靠信息，用以進行滾動軸承的故障診斷。圖7－1滾動軸承振動的時域信號

(a)新軸承的振動波形(b)表面劣化后的軸承振動波形7．2滾動軸承的振動機理與信號特征引起滾動軸承振動的671.軸承剛度變化引起的振動

當滾動軸承在恒定載荷下運轉時(如圖7—2)，由于其軸承和結構所決定，使系統(tǒng)內的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化。如滾動體與外圈的接觸點的變化，使系統(tǒng)的剛度參數形成周期的變化，而且是一種對稱周期變化，從而使其恢復力呈現(xiàn)非線性的特征。由此便產生了分數諧波振動。此外，當滾動體處于載荷下非對稱位置時，轉軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動。這類參數的變化與運動都將引起軸承的振動，也就是隨著軸的轉動，滾動體通過徑向載荷處即產生激振力。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數形成的周期變化和滾動體產生的激振力及系統(tǒng)存在非線性，便產生多次諧波振動并含有分諧波成分，不管滾動軸承正常與否，這種振動都要發(fā)生。圖7—2滾動軸承剛度的變化1.軸承剛度變化引起的振動圖7—2滾動軸承剛度的變化682.由滾動軸承的運動副引起的振動當軸承運轉時，滾動體便在內外圈之間滾動。軸承的滾動表面雖加工得非常平滑，但從微觀來看，仍高低不平，特別是材料表面產生疲勞斑剝時，高低不平的情況更為嚴重。滾動體在這些凹凸面上轉動，則產生交變的激振力。所產生的振動，既是隨機的，又含有滾動體的傳輸振動，其主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率。滾動軸承的特征頻率(即接觸激發(fā)的基頻)，完全可以根據軸承元件之間滾動接觸的速度關系建立的方程求得。計算的特征頻率值往往十分接近測量數值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據。2.由滾動軸承的運動副引起的振動69滾動軸承的特征頻率（內圈旋轉，外圈固定時）1)內圈旋轉頻率?1：

Hz2)保持架旋轉頻率?2：3）滾動體自轉頻率?3：4）保持架過內圈頻率?4：5）滾動體通過內圈頻率?5：6）滾動體通過外圈頻率?6：

式中，n—內圈轉速(r/min)，z—滾動體個數在故障診斷的實踐中，內圈旋轉頻率?1、滾動體通過內圈頻率?5、滾動體通過外圈頻率?6對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。圖7—3向心推力球軸承結構簡圖（內圈旋轉，外圈固定）滾動軸承的特征頻率（內圈旋轉，外圈固定時）1)內圈旋轉頻70圖7－4滾動軸承內缺陷所激發(fā)的振動波形3.滾動軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動特征

滾動軸承內出現(xiàn)剝落等缺陷，滾動體以較高的速度從缺陷上通過時，必然激發(fā)兩種性質的振動。見圖7－4，第一類振動是上節(jié)所講的以結構和運動關

系為特征的振動，表現(xiàn)為沖擊振動的周

期性；第二類振動是被激發(fā)的以軸承元件固有頻

率的衰減振蕩，表現(xiàn)為每一個脈沖的衰

減振蕩波。軸承元件的固有頻率取決于本身的材料、結構形式和質量，根據某些資料介紹，軸承元件的固有頻率在20K～60KHz的頻率段。因此,有些軸承診斷儀，就針對這一特點進行信號分析處理，在這一頻段內工作的儀表。圖7－4滾動軸承內缺陷所激發(fā)的振動波形3.滾動軸承的早期71利用低頻段信號診斷軸承故障的要點軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的頻率與軸承結構和運動關系相聯(lián)系，處于振動信號的低頻段內，在這個頻段內還有軸的振動、齒輪的嚙合振動等各種零件的振動。由于這些振動具有更強的能量，軸承早期缺陷所激發(fā)的微弱周期性脈沖信號往往淹沒在這些強振信號中，給在線故障監(jiān)測系統(tǒng)帶來困難，但是，滾動軸承故障在低頻段的特征還是可以得到的。因為滾動軸承在機器設備中的作用是支撐傳動軸的旋轉，所以滾動軸承故障所激發(fā)的振動必然對軸及軸上的機械零件產生影響。對于轉軸上的零件為齒輪等非轉子類零件的軸而言，其動不平衡量是不隨時間變化的。滾動軸承影響到軸的空間定位，軸承故障將使軸的空間定位出現(xiàn)波動，當軸的工作狀態(tài)處于非重載時，軸的轉頻振動幅值升高，有時還表現(xiàn)為轉頻的2X、3X…5X頻率的振幅升高。這種情況往往預示著滾動軸承出現(xiàn)早期故障。當軸的轉頻振動幅值再次降低時，滾動軸承故障已進入晚期，到了必需更換的程度。利用低頻段信號診斷軸承故障的要點軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的727．3滾動軸承信號分析方法

軸承故障信號的拾取實際上是傳感器及安裝部位和感應頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。這里距故障信號源最近，傳輸損失最小，也是軸、齒輪等故障信號傳輸路徑必經的最近位置。所以幾乎所有的在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)都選擇軸承座作為傳感器的安裝部位。 由于軸的空間位置波動，也必然影響齒輪等零件的振動。滾動軸承故障在某種條件下（如輕載、空載）也會在齒輪嚙合頻率的振幅升高中反映出來。因此其特征為齒輪嚙合頻率的邊頻很微弱，幾乎看不見。7．3滾動軸承信號分析方法軸承故障信號的拾取實際上是73圖7－5滾動軸承的振動頻譜傳感器和感應頻率段的選擇軸承故障信號分布的頻段

傳感器和感應頻率段的選擇，如圖7－5所示，這是一個航空軸承通過故障實驗得到的頻譜圖。軸承的故障信號分布在3個頻段，即圖中陰影部分。圖7－5滾動軸承的振動頻譜傳感器和感應頻率段的選擇軸承故74a).低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相聯(lián)系的故障信號在這個頻率段，少數高速滾動軸承的信號頻段能延展到B點以外。因為軸的故障信號、齒輪的故障信號也在這個頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測的頻段。b).高頻段：位于Ⅱ區(qū)，這個頻段的信號是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動。c).超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內微裂紋擴張所產生的聲發(fā)射超聲波信號。a).低頻段：在8kHz以下，滾動軸承中與結構和運動關系相75信號拾取方式：針對不同的信號所處頻段，需采用不同的信號拾取方式。a)監(jiān)測低頻段的信號，通常采用加速度傳感器，由于同時也要拾取其它零件的故障信號，因此采用通用的信號處理電路（儀器）。b)監(jiān)測高頻段的信號，其目的是要獲取唯一的軸承故障信號，采用自振頻率在25～30KHz的加速度傳感器，利用加速度傳感器的共振效應，將這個頻段的軸承故障信號放大，再用帶通濾波器將其它頻率的信號（主要是低頻信號）濾除，獲得唯一的軸承故障信號。c)監(jiān)測超高頻段的信號，則采用超聲波傳感器，將聲發(fā)射信號檢出并放大。儀表統(tǒng)計單位時間內聲發(fā)射信號的頻度和強度，一旦頻度或強度超過某個報警限，則判定軸承故障。信號拾取方式：76所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：4）時已有故障隱患了，到5月6日幅值發(fā)生突變，增大了20多倍，說明此時吐絲機軸承已經損壞了。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效。圖7－14破裂的1軸軸承2005年1月5日，宣化鋼鐵公司高速線材軋機的20架出現(xiàn)振動異常。當滾動軸承在恒定載荷下運轉時這些條件綜合起來，就是滾動軸承故障的判定條件。峭度指標Cq稱位置時，轉軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動。在線系統(tǒng)一直連續(xù)出現(xiàn)紅色警報（均在200m/s2以上）。當磨損量較大時，軸承便產生游隙噪聲，振動增大。659m/s2，此后到6月27日之間一直維持在8.特征頻率表1（圖7－31軋φ6.在圖7－23增速箱時域振動波形圖中可以明顯看到高頻沖擊現(xiàn)象，并且相對0位線偏向上方。第一類振動是上節(jié)所講的以結構和運動關動體通過外圈頻率?6對表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標。峭度指標Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應該在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動。因為沖擊波峰的振幅大，并且持續(xù)時間短。2)保持架旋轉頻率?2：特征頻率表1（圖7－31軋φ6.滾動軸承故障信號分析方法1．有效值與峰值判別法有效值：滾動軸承振動信號的有效值反映了振動的能量大小，當軸承產生異常后，其振動必然增大。因而可以用有效值作為軸承異常的判斷指標。峰值：有效值指標對具有瞬間沖擊振動的異常是不適用的。因為沖擊波峰的振幅大，并且持續(xù)時間短。用有效值來表示故障特征，其特征并不明顯，對于這種形態(tài)異常的故障特征，用峰值比有效值更適用。2．峰值系數法

所謂峰值系數，是指峰值與有效值之比。 用峰值系數進行診斷的最大特點，是由于它的值不受軸承尺寸、轉速及負荷的影響。正常時，滾動軸承的峰值系數約為5，當軸承有故障時，可達到幾十。軸承正常、異常的判定可以很方便判別。另外，峰值系數不受振動信號的絕對水平所左右。測量系統(tǒng)的靈敏度即使變動，對示值也不會產生多大影響。所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：滾動軸承故障信號分析方法773．峭度指標法峭度指標Cq反映振動信號中的沖擊特征。峭度指標Cq

峭度指標Cq對信號中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應該在3左右，如果這個值接近4或超過4，則說明機械的運動狀況中存在沖擊性振動。*當軸承出現(xiàn)初期故障時，有效值變化不大，但峭度指標值已經明顯增加，達到數十甚至上百，非常明顯。它的優(yōu)勢在于能提供早期的故障預報。*當軸承故障進入晚期，由于剝落斑點充滿整個滾道，峭度指標反而下降。也就是對晚期故障不適應。3．峭度指標法784．沖擊脈沖法（SPM）

沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動信號，經加速度傳感器的共振放大、帶通濾波及包絡檢波等信號處理，所獲得的信號振幅正比于沖擊力的大小。在沖擊脈沖技術中，所測信號振幅的計量單位是dB。測到的軸承沖擊dBi值與軸承基準值dB0相減（dB0是良好軸承的測定值）。dBN=dBi－dB0沖擊脈沖計的刻度就是用dBN值表示的。軸承的狀況分為三個區(qū)：（0～20）dBN表示軸承狀況良好（20～35）dBN表示軸承狀況已經劣化，屬發(fā)展中的損傷期（35～60）dBN表示軸承已經存在明顯的損傷。4．沖擊脈沖法（SPM）79圖7—6共振解調法的信號變換過程5．共振解調法

共振解調法也稱為包絡檢波頻譜分析法，是目前滾動軸承故障診斷中最常用的方法之一。共振解調法的基本原理可用圖7—6所示信號變換過程中的波形特征來說明。圖(a)為理想的故障微沖擊脈沖信號F(t)（原始脈沖波），它在時域上的脈寬極窄，幅值很小，而脈沖的頻率成分很豐富。雖然這種脈沖是以T為周期，但在頻譜上卻直接反映不出對應的頻率1／T成分。圖7—6共振解調法的信號變換過程5．共振解調法80圖(b)是脈沖信號由傳感器接收后，經過電子高頻諧振器諧振，產生的一組組共振響應波。這是一種振幅被放大了的高頻自由衰減振蕩波，振蕩頻率就是諧振器的諧振頻率?n(?n=1/Tn)，它的最大振幅與故障沖擊的強度成正比，而且每組振蕩波在時域上得到了展寬，振蕩波的重復頻率與故障沖擊的重復頻率相同。圖(c)為振蕩波經過絕對值處理后留下了對應的頻率，但它還不是完全的周期信號，在頻譜上不能形成簡單波形那樣的離散譜線。圖(d)為對圖(c)所示振蕩波再進行包絡檢波處理后的波形，也就是取振蕩波形的包絡線。這個包絡波形就把高頻成分和其他機械干擾頻率剔除掉了，成為純低頻的周期波，波的周期T仍與原始沖擊頻率相對應圖(e)為將圖(d)所示的純低周期包絡波作為新的振動波形進行頻譜分析，獲得明顯的沖擊頻率及其諧波成分的頻譜分析圖。圖(b)是脈沖信號由傳感器接收后，經過電子高頻諧振器諧振，產81圖7－7兩種信號處理方法比較例：共振解調法（包絡檢波頻譜分析法）實現(xiàn)包絡檢波的方法有多種，常用的有兩種方法：希爾伯特(Hilbett)變換法和檢波濾波法。圖7—7為204型軸承加了30N軸向力，在試驗裝置上進行測試分析的結果。圖7—7(a)為原信號直接用低頻信號接收法得到的頻譜，圖中譜峰密集，較難尋找出故障的特征頻率。圖7—7(b)為經過包絡檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.25Hz是軸承外圈的間隔頻率(理論計算值為92.5Hz)，145Hz、290Hz和436Hz是內圈的間隔頻率及其諧波。該軸承的實際故障是內、外滾道表面上各有一處疲勞剝落。圖7－7兩種信號處理方法比較例：共振解調法（包絡檢波頻譜分826．頻譜分析法將低頻段測得振動信號，經低通抗疊混濾波器后，進行FFT快速富里葉變換，得到頻譜圖。根據滾動軸承的運動關系式計算得到各項特征頻率，在頻譜圖中找出、觀察其變化，從而判別故障的存在與部位。需要說明的是，各種特征頻率都是從理論上推導出來的，而實際上，由于軸承的各幾何尺寸會有誤差，加上軸承安裝后的變形、FFT計算誤差等因素，使得實際的頻率與計算所得的頻率會有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時，需在計算的頻率值上找其近似的值來作診斷。6．頻譜分析法83圖7－8故障軸承與完好軸承的頻譜圖對比a)故障軸承

b)完好軸承例如，圖7－8a，是一個外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖，明顯看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz。圖7—8b是與該軸承同型號的完好軸承的頻譜圖。通過比較可以看出，當出現(xiàn)故障后頻譜圖上有較高階諧波。在此例中出現(xiàn)了184.2Hz的5階諧波。且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。需要指出的是，圖7－8是一個在實驗室作出的圖形。實際工業(yè)現(xiàn)場的信號是極復雜的，包含了諸多軸、齒輪等強振信號，而滾動軸承的故障信號因為強度太小，而被淹沒。只有機構相對簡單的機械（如低轉速的水泵）才能復現(xiàn)與圖7－8相似的頻譜圖。圖7－8故障軸承與完好軸承的頻譜圖對比例如，圖7－8a，是84

滾動軸承原故障信號弱，并不意味常規(guī)的FFT信號分析技術對滾動軸承的故障診斷束手無策。我們都知道滾動軸承以其尺寸精度固定了轉軸的軸心空間位置，一旦滾動軸承內的故障引發(fā)振動，必然影響轉軸的軸心位置，導致對應軸轉動頻率的振幅加大，若能排除軸上其他零件的原因（例如齒輪的轉子不平衡力是不隨時間變化的），即可診斷出軸承故障。軸上的齒輪等零件的振動也會受到軸承振動的影響，導致自身的振動出現(xiàn)幅值增大，諧頻成分增多的現(xiàn)象。滾動軸承原故障信號弱，并不意味常規(guī)的FFT信號分析技術857．倒頻譜分析法對于一個復雜的振動情況，其諧波成分更加復雜而密集，僅僅去觀察其頻譜圖，可能什么也辨認不出。這是由于各運動件在力的相互作用下各自形成特有的特征頻率，并且相互疊加與調制，因此在頻譜圖上則形成多族諧波成分，如果應用倒頻譜則較易于識別。倒頻譜：對于存在調頻、調幅現(xiàn)象的信號，其功率譜上會出現(xiàn)周期分量或等間隔的旁瓣，利用倒譜分析方法，對功率譜上的周期分量進行再處理，找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問題。處理過程：離散信號序列{xi}FFT變換功率譜S{f}求對數lgS(f)求逆傅里葉變換F-1{lgS(f)}得到倒譜C(τ)C(τ)=F-1{lgS(f)}7．倒頻譜分析法離散信號序列{xi}FFT變換功率譜S{f8682m/s2，說明吐絲機在4月24日（0.圖7－1滾動軸承振動的時域信號

(a)新軸承的振動波形(b)表面劣化后的軸承振動波形式中，n—內圈轉速(r/min)，z—滾動體個數5鋼時，吐絲機a35測點峭度在4月13日之前維持在5以下，到4月16日達到14，此后到5月25日之間一直維持在6.由圖7－27可見，在2～6月份軋Ф6.5鋼時，吐絲機II軸轉動頻率的幅值在4月24日之前維持在0.(2)吐絲機II軸兩端的軸承有損傷。這樣在滾動軸承運轉時，由于剛度參數形成的周期變化和滾動體產生圖7－33顯示為吐絲機5月6日10：00的時域和頻域波形圖，吐絲機II軸（高速軸）轉動頻率的振幅為9.所以將各項時域監(jiān)測指標列舉分析如下：需要指出的是，圖7－8是一個在實驗室作出的圖形。由圖7－29可見，在2～6月份軋Ф6.2)保持架旋轉頻率?2：這些條件綜合起來，就是滾動軸承故障的判定條件。圖7—7(b)為經過包絡檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.5鋼時轉速：1052r/min）吐絲機a35測點譜圖數據)a）26#架精軋機在1月29日柱狀圖（棒圖a、b、c，這里未給出）峰值開始報警，30日報警值達255；另外，若裝配不當，也會由于過載或撞擊造成表面局部凹陷。在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸載荷的反復作用，表層因反復的彈性變形而致冷作硬化，下層的材料應力與表層出現(xiàn)斷層狀分布，導致從表面下形成細小裂紋，隨著以后的持續(xù)負荷運轉，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料表面的裂紋相互貫通，直至金屬表層產生片狀或點坑狀剝落。2)保持架旋轉頻率?2：例：圖7—9a，是內圈軌道上有疲勞損傷和滾子有凹坑缺陷軸承的振動時間歷程。圖7—9b則是其頻譜圖，該圖不便識別。圖7—9c是其倒頻譜，明顯看出有106Hz及26.39Hz成分，理論計算上滾子故障頻率為106.35Hz及內圈故障頻率為26.35Hz，在此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一致。