XXXX版設(shè)備故障診斷下篇軸承課件

第六章滾動軸承的故障機理及診斷技術(shù)

滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用最為廣泛的機械零件，也是最易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機械的許多故障都與滾動軸承有關(guān)，軸承的工作好壞對機器的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動和噪聲，甚至造成設(shè)備損壞。

1第六章滾動軸承的故障機理及診斷技術(shù)

1、滾動軸承的失效與振動測定1.1滾動軸承的失效形式滾動軸承在運行過程中，由于裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能使軸承過早損壞。即使不出現(xiàn)上述情況，經(jīng)過一段時間運轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作。總之，滾動軸承的損傷形式是十分復(fù)雜的。21、滾動軸承的失效與振動測定21.2滾動軸承的振動測定

滾動軸承產(chǎn)生的振動信號中，含有豐富的有用信息。利用振動信息對滾動軸承進(jìn)行故障診斷是十分有效的。

1.2.1測定部位

測定部位選擇的基本思路是選擇在離軸承最近、最能反映軸承振動的位置上。一般講，若軸承座是外露的，測點位置可直接選在軸承座上；若軸承座是非外露的，測點應(yīng)選擇在軸承座剛性較好的部分或基礎(chǔ)上。同時，應(yīng)在測點處做好標(biāo)記，以保證不會由于測點部位的不同而導(dǎo)致測量值的差異。31.2滾動軸承的振動測定

滾動軸承產(chǎn)生的振動信號中由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此一般情況下都應(yīng)按圖3-l所示那樣在水平（x），垂直（y）和軸向（z）三個方向上進(jìn)行檢測。若由于設(shè)備的構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于安全方面的考慮，不可能在上述的三個方向上都進(jìn)行檢測時，可選擇其中的兩個方向進(jìn)行檢測，如在x、z或y、z向進(jìn)行測量；如果僅對高頻振動成分感興趣，則可以只在最容易檢測的方向上測量，如y方向上。4由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，55

1.2.2測定參數(shù)根據(jù)滾動軸承的固有特性、制造條件、使用情況的不同，它所引起的振動可能是頻率為1kHz以下的低頻脈動，也可能是頻率為1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動，更多的情況是同時包含了上述兩種振動成分。因此，通常檢測的振動速度和加速度分別覆蓋了上述的兩個頻帶，必要時可用濾波器取出需要的頻率成分。如果是在較寬的頻帶上檢測振動級，則對于要求低頻振動小的軸承檢測振動速度，而對于要求高頻振動小的軸承檢測振動加速度。

61.2.2測定參數(shù)6

1.2.3測定周期滾動軸承的振動檢測可分為定期檢測和連續(xù)在線監(jiān)測兩種。對于定期檢測，為了早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，以免故障迅速發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測的周期應(yīng)盡可能短一些。但如果檢測周期定得過短，則在經(jīng)濟上可能是不合理的。因此，應(yīng)綜合考慮技術(shù)上的需要和經(jīng)濟上的合理性來確定合理的檢測周期。71.2.3測定周期7連續(xù)在線監(jiān)測主要適用于重要場合或由于工況惡劣不易靠近滾動軸承的場合，以及滾動軸承加速劣化的階段，相應(yīng)的監(jiān)測儀器較定期檢測的儀器要復(fù)雜，成本也要高些。

2、滾動軸承的振動機理2.1滾動軸承振動的基本參數(shù)2.1.1.滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征8連續(xù)在線監(jiān)測主要適用于重要場合或由于圖4-1為滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)，它由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。假設(shè)滾道面與滾動體之間無相對滑動；承受徑向、軸向載荷時各部分無變形；外圈固定，則滾動軸承工作時的特征頻率如下：9圖4-1為滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)，它由內(nèi)圈、外圈、滾10101111

以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承故障的基礎(chǔ)。12以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承故障的基礎(chǔ)。1

2.1.2滾動軸承的固有振動頻率滾動軸承在運行過程中，由于滾動體與內(nèi)圈或外圈沖擊而產(chǎn)生振動，這時的振動頻率為軸承各部分的固有頻率。固有振動中，外圈的振動表現(xiàn)最明顯，計算內(nèi)圈及外圈的固有振動頻率時，將它們看作為矩形截面的圓環(huán)，故可用如下近似公式：132.1.2滾動軸承的固有振動頻率13

滾動軸承的固有振動頻率很高，常常有數(shù)千赫至數(shù)萬赫。14滾動軸承的固有振動頻率很高，常常有數(shù)千赫至數(shù)

2.2滾動軸承的振動特征2.2.1滾動軸承的振動形式引起滾動軸承振動的原因很多，除了其本身的固有振動以外，還包括以下振動：（1）軸承構(gòu)造引起的振動圖4-3所示的軸承，隨滾動體位置不同，其承載狀態(tài)也不斷變化，這將導(dǎo)致內(nèi)、外圈和滾動體產(chǎn)生彈性變形而引起振動。圖4-4為一個滾動體的直徑比其它滾動體直徑大時的狀況。由于滾動體直徑不一致，因剛性不同而引起振動。152.2滾動軸承的振動特征151616

（2）滾動體的非線性伴生振動滾動軸承靠滾道與滾動體的彈性接觸來承受載荷，具有一定的彈性，其剛性很高；當(dāng)軸承潤滑不良時，就會出現(xiàn)非線性的特性，如圖4-5所示，從而產(chǎn)生非線性振動。（3）由于精加工波紋引起的振動若加工制造時，在滾道或滾動體上留有如圖4-6所示的加工波紋，那么當(dāng)凸起數(shù)目達(dá)到一定量值時，會產(chǎn)生特有的振動。17（2）滾動體的非線性伴生振動171818

（4）因滾動軸承損傷引起的振動當(dāng)軸承損傷時，如圖4-7所示的軸承偏心和內(nèi)圈點蝕，就會引起相應(yīng)的沖擊振動。

2.2.1滾動軸承的振動機理滾動軸承的振動很復(fù)雜，種類繁多。滾動軸承的工作狀態(tài)往往和回轉(zhuǎn)軸有很大關(guān)系。若回轉(zhuǎn)軸既有撓度又有傾角，就構(gòu)成了復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。為說明問題，現(xiàn)以滾動體直徑不一致為例說明其振動機理。19（4）因滾動軸承損傷引起的振動19202021212222232324243、滾動軸承的故障診斷方法

滾動軸承的監(jiān)測診斷技術(shù)有很多種，如振動信號分析診斷、聲發(fā)射診斷、油液分析診斷、光纖監(jiān)測診斷等，它們各具特點，其中振動信號分析診斷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

3.1振動信號分析診斷滾動軸承的振動信號分析故障診斷方法可分為簡易診斷法和精密診斷法兩種。簡易診斷的目的是初步判斷被列為診斷對象的滾動軸承是否出現(xiàn)了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認(rèn)為是出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。253、滾動軸承的故障診斷方法

滾動軸承的監(jiān)測診3.1.1滾動軸承故障的簡易診斷法

在利用振動對滾動軸承進(jìn)行簡易診斷的過程中，通常是要將測得的振值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實測的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。因此，判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分重要。

用于滾動軸承簡易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)可大致分為三種：

263.1.1滾動軸承故障的簡易診斷法

（1）絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是用于判斷實測振值是否超限的絕對量值。（2）相對判定標(biāo)準(zhǔn)是對軸承的同一部位定期進(jìn)行振動檢測，并按時間先后進(jìn)行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實測振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。（3）類比判定標(biāo)準(zhǔn)是對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動檢測，并將振值相互比較進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。27（1）絕對判定標(biāo)準(zhǔn)27

需要注意的是，絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的檢測方法的基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進(jìn)行振動檢測。適用于所有軸承的絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因此一般都是兼用絕對判定標(biāo)準(zhǔn)、相對判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。

l）振動信號簡易診斷法①振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值Xp、均值x（對于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動為經(jīng)絕對值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。28需要注意的是，絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的檢測方法

這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是通過將實測的振幅值與判定標(biāo)準(zhǔn)中給定的值進(jìn)行比較來診斷的。

峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于象表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r／min以下）也常采用峰值進(jìn)行診斷。

均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r／min以上）。

29這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是通過將實測均方很值是對時間平均的，因而它適用于象磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。②波形因數(shù)診斷法波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（Xp／X）該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效指標(biāo)之一。圖4-9所示，當(dāng)（Xp／X）值過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；而（Xp／X）值過小時，則有可能發(fā)生了磨損。30均方很值是對時間平均的，因而它適用于象磨損之類的

③波峰因數(shù)診斷法波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（Xp／Xrms）。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點蝕類故障的診斷。通過對Xp／Xrms值隨時間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢。當(dāng)滾動軸承無故障時，Xp／Xrms為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故Xp／Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴展，峰值逐步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，Xp／Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。31③波峰因數(shù)診斷法3232

④概率密度診斷法

無故障滾動軸承的振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖4-l0所示。

⑤峭度系數(shù)診斷法峭度（Kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即33④概率密度診斷法

無故障滾動軸承的振3434

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。此方法的優(yōu)點在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點蝕類故障的診斷。35振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其

2）沖擊脈沖法（SPM法）沖擊脈沖法（ShockPulseMethod）的原理是，滾動軸承運行中有缺陷（如疲勞剝落、裂紋、磨損和混入雜物）時，就會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。由于阻尼的作用，脈沖性振動是一種衰減性振動，因而沖擊脈沖的強弱反映了故障的程度。

362）沖擊脈沖法（SPM法）

當(dāng)滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖值（dB值）很小；隨著故障的發(fā)展，脈沖值逐漸增大。當(dāng)沖擊能量達(dá)到初始值的1000倍（60dB）時，就認(rèn)為該軸承的壽命已經(jīng)結(jié)束。當(dāng)軸承工作表面出現(xiàn)損傷時，所產(chǎn)生的實際脈沖值用dBsv表示，它與初始脈沖值dB；之差稱為標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量dBN37當(dāng)滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖

沖擊脈沖法在現(xiàn)場使用之中往往由于經(jīng)驗不足、對設(shè)備工況條件考慮不周造成診斷失誤。因此采用此方法進(jìn)行診斷時應(yīng)注意以下幾方面問題：38沖擊脈沖法在現(xiàn)場使用之中往往由于經(jīng)驗不

①傳感器的安裝對于固定式安裝的SPM傳感器，經(jīng)常會由于機器本身的結(jié)構(gòu)限制，無法完全達(dá)到SPM傳感器的安裝標(biāo)準(zhǔn)，造成信號衰減。②設(shè)備安裝條件對滾動軸承狀態(tài)有明顯影響的設(shè)備安裝因素主要有：不對中和軸彎曲。這兩種安裝狀態(tài)都會使軸承產(chǎn)生不均勻載荷，對軸承油膜的形成造成很大影響。這一方面會加劇軸承狀態(tài)的惡化；另一方面，在軸承狀態(tài)惡化以前也會造成沖擊值增大，形成誤報警。因此，對于此類軸承，在加強監(jiān)護的同時，對其報警限要適當(dāng)放寬。39①傳感器的安裝3

③對輔助傳動軸承的考慮對于輔助傳動軸承，由于經(jīng)常處于從動輕載荷狀況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的標(biāo)準(zhǔn)值小很多，但同時由于載荷小而容易受其它軸承或齒輪沖擊值的影響，使沖擊值快速增高，因此對此類軸承應(yīng)放寬其下限，但上限應(yīng)基本不變。40③對輔助傳動軸承的考慮403）共振解調(diào)法（IFD法）

共振解調(diào)法也稱為早期故障探測法OncipientFailureDetection人它是利用傳感器及電路的諧振，將軸承故障沖擊引起的衰減振動放大，從而提高了故障探測的靈敏度；同時，還利用解調(diào)技術(shù)將軸承故障信息提取出來，通過對解調(diào)后的信號作頻譜分析，用以診斷軸承故障。

413）共振解調(diào)法（IFD法）

共振解

滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點（缺陷處）以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件到軸承座（電動機端蓋）。由于沖擊振動所含的頻率很高，通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80％，使原來就十分微弱的故障信號更為微弱。然而，由于沖擊脈沖有著十分寬闊的頻譜，由低頻一直到數(shù)百千赫的頻譜幾乎是等幅度，這一寬帶沖擊力頻譜覆蓋了軸承零件、傳感器、軸承座等的固有頻率，軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起軸承座和軸承各零件以其固有頻率振動，振動能量隨著機械結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減。因此，這種由局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，其頻率成分有反應(yīng)軸承故障特征的間隔頻率，還包含有反映軸承元件、軸承座的自振頻率成分。42滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點

如果把軸承--測量傳感器系統(tǒng)看作是一個線性系統(tǒng)，則在軸承座上測得的振動響應(yīng)應(yīng)為軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊激勵下所產(chǎn)生的響應(yīng)，它包含了軸承彈性系統(tǒng)諧振在內(nèi)的一種寬帶響應(yīng)，然后經(jīng)過軸承座等結(jié)構(gòu)的傳遞，把軸承運轉(zhuǎn)時的振動傳遞到安裝傳感器的部位。軸承振動信號經(jīng)上述線性系統(tǒng)后，其響應(yīng)y（t）可以寫成輸入信號的傅里葉變換F（）和線性系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)H（t）乘積的傅里葉逆變換43如果把軸承--測量傳感器系統(tǒng)看作是一

對上述線性系統(tǒng)，可以近似看作是一個由幾個中心頻率分別為軸承元件及軸承座固有頻率、帶寬f較窄的帶通濾波器串聯(lián)，因此

輸入的故障軸承信號可以看作是持續(xù)時間為、幅度為c的連續(xù)脈沖，那么對一個帶通濾波器，此時響應(yīng)y1（t）可以近似地寫成44對上述線性系統(tǒng)，可以近似看作是一個由幾個4545

由上式可知，帶通濾波器對單個矩形脈沖的響應(yīng)是一頻率為f、幅值交變的振蕩信號，在t=t0時有最大值。如果脈沖是連續(xù)的，經(jīng)帶通濾波器后的響應(yīng)取包絡(luò)后也是一個脈沖周期函數(shù)，而且其周期的大小與軸承故障引起輸入的激勵脈沖周期是相等的，對這個響應(yīng)信號再進(jìn)行頻譜分析，頻譜圖上只會出現(xiàn)故障頻率及其諧波的譜線，避開了調(diào)制邊頻和其它與故障無關(guān)的低頻信號的影響。46由上式可知，帶通濾波器對單個矩形脈沖的響

利用解調(diào)技術(shù)，對解調(diào)后的信號進(jìn)行頻譜分析的信號變換過程如圖4-11所示。軸承故障引起的沖擊脈沖F（t）經(jīng)傳感器拾取及電路諧振，得到放大的高頻衰減振動a（t）再經(jīng)包絡(luò)檢波得到的波形a1（t）相當(dāng)于將故障引起的脈沖加以放大和展寬，并且摒除了其余的機械干擾，最后作頻譜分析可得到與故障沖擊周期T相對應(yīng)的頻率成分f及其高次諧波。據(jù)此，用以對滾動軸承故障及故障部位進(jìn)行診斷。47利用解調(diào)技術(shù)，對解調(diào)后的信號進(jìn)行頻譜分析的信號3.1.2滾動軸承故障的精密診斷法

通過對滾動軸承實施簡易診斷發(fā)現(xiàn)有故障后，應(yīng)進(jìn)一步對其進(jìn)行精密診斷，即通過振動信號的頻率分析，以判明故障的類別和原因。

滾動軸承的振動頻率成分十分豐富，既含有低頻成分，又含有高頻成分，而且每一種特定的故障都對應(yīng)有特定的頻率成分。精密診斷的任務(wù)，就是要通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒▽⑻囟ǖ念l率成分分離出來，從而指示特定故障的存在。483.1.2滾動軸承故障的精密診斷法

常用的精密診斷方法有下面幾種。（1）低頻信號分析法低頻信號是指頻率低于1kHz的振動。一般測量滾動軸承振動時都采用加速度傳感器，但對低頻信號都分析振動速度。因此，加速度信號要經(jīng)過電荷放大器后由積分器轉(zhuǎn)換成速度信號，然后再經(jīng)過上限截止頻率為1kHz的低通濾波器去除高頻信號，最后對其進(jìn)行頻率分析，以找出信號的特征頻率，進(jìn)行診斷。由于在這個頻率范圍內(nèi)易受機械及電源干擾，并且在故障初期反映的故障頻率能量很小，信噪比低，故障檢測靈敏度差，因此目前已很少使用。49常用的精密診斷方法有下面幾種。49

（2）中、高頻信號絕對值分析法中頻信號的頻率范圍為1～20kHz，高頻信號的頻率范圍為20～80kHz。由于對高頻信號可直接分析加速度，因而由加速度傳感器獲得的加速度信號經(jīng)過電荷放大器后，可直接通過下限截止頻率為1kHz的高通濾波器去除低頻信號，然后對其進(jìn)行絕對值處理，最后進(jìn)行頻率分析，以找出信號的特征頻率。滾動軸承各種常見故障的特征頻率及故障原因見表4-1，可參考此表診斷故障原因及故障部位。50（2）中、高頻信號絕對值分析法50515152525353

第六章滾動軸承的故障機理及診斷技術(shù)

滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用最為廣泛的機械零件，也是最易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機械的許多故障都與滾動軸承有關(guān)，軸承的工作好壞對機器的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動和噪聲，甚至造成設(shè)備損壞。

54第六章滾動軸承的故障機理及診斷技術(shù)

1、滾動軸承的失效與振動測定1.1滾動軸承的失效形式滾動軸承在運行過程中，由于裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能使軸承過早損壞。即使不出現(xiàn)上述情況，經(jīng)過一段時間運轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作?？傊?，滾動軸承的損傷形式是十分復(fù)雜的。551、滾動軸承的失效與振動測定21.2滾動軸承的振動測定

滾動軸承產(chǎn)生的振動信號中，含有豐富的有用信息。利用振動信息對滾動軸承進(jìn)行故障診斷是十分有效的。

1.2.1測定部位

測定部位選擇的基本思路是選擇在離軸承最近、最能反映軸承振動的位置上。一般講，若軸承座是外露的，測點位置可直接選在軸承座上；若軸承座是非外露的，測點應(yīng)選擇在軸承座剛性較好的部分或基礎(chǔ)上。同時，應(yīng)在測點處做好標(biāo)記，以保證不會由于測點部位的不同而導(dǎo)致測量值的差異。561.2滾動軸承的振動測定

滾動軸承產(chǎn)生的振動信號中由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此一般情況下都應(yīng)按圖3-l所示那樣在水平（x），垂直（y）和軸向（z）三個方向上進(jìn)行檢測。若由于設(shè)備的構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于安全方面的考慮，不可能在上述的三個方向上都進(jìn)行檢測時，可選擇其中的兩個方向進(jìn)行檢測，如在x、z或y、z向進(jìn)行測量；如果僅對高頻振動成分感興趣，則可以只在最容易檢測的方向上測量，如y方向上。57由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，585

1.2.2測定參數(shù)根據(jù)滾動軸承的固有特性、制造條件、使用情況的不同，它所引起的振動可能是頻率為1kHz以下的低頻脈動，也可能是頻率為1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動，更多的情況是同時包含了上述兩種振動成分。因此，通常檢測的振動速度和加速度分別覆蓋了上述的兩個頻帶，必要時可用濾波器取出需要的頻率成分。如果是在較寬的頻帶上檢測振動級，則對于要求低頻振動小的軸承檢測振動速度，而對于要求高頻振動小的軸承檢測振動加速度。

591.2.2測定參數(shù)6

1.2.3測定周期滾動軸承的振動檢測可分為定期檢測和連續(xù)在線監(jiān)測兩種。對于定期檢測，為了早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，以免故障迅速發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測的周期應(yīng)盡可能短一些。但如果檢測周期定得過短，則在經(jīng)濟上可能是不合理的。因此，應(yīng)綜合考慮技術(shù)上的需要和經(jīng)濟上的合理性來確定合理的檢測周期。601.2.3測定周期7連續(xù)在線監(jiān)測主要適用于重要場合或由于工況惡劣不易靠近滾動軸承的場合，以及滾動軸承加速劣化的階段，相應(yīng)的監(jiān)測儀器較定期檢測的儀器要復(fù)雜，成本也要高些。

2、滾動軸承的振動機理2.1滾動軸承振動的基本參數(shù)2.1.1.滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征61連續(xù)在線監(jiān)測主要適用于重要場合或由于圖4-1為滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)，它由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。假設(shè)滾道面與滾動體之間無相對滑動；承受徑向、軸向載荷時各部分無變形；外圈固定，則滾動軸承工作時的特征頻率如下：62圖4-1為滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)，它由內(nèi)圈、外圈、滾63106411

以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承故障的基礎(chǔ)。65以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承故障的基礎(chǔ)。1

2.1.2滾動軸承的固有振動頻率滾動軸承在運行過程中，由于滾動體與內(nèi)圈或外圈沖擊而產(chǎn)生振動，這時的振動頻率為軸承各部分的固有頻率。固有振動中，外圈的振動表現(xiàn)最明顯，計算內(nèi)圈及外圈的固有振動頻率時，將它們看作為矩形截面的圓環(huán)，故可用如下近似公式：662.1.2滾動軸承的固有振動頻率13

滾動軸承的固有振動頻率很高，常常有數(shù)千赫至數(shù)萬赫。67滾動軸承的固有振動頻率很高，常常有數(shù)千赫至數(shù)

2.2滾動軸承的振動特征2.2.1滾動軸承的振動形式引起滾動軸承振動的原因很多，除了其本身的固有振動以外，還包括以下振動：（1）軸承構(gòu)造引起的振動圖4-3所示的軸承，隨滾動體位置不同，其承載狀態(tài)也不斷變化，這將導(dǎo)致內(nèi)、外圈和滾動體產(chǎn)生彈性變形而引起振動。圖4-4為一個滾動體的直徑比其它滾動體直徑大時的狀況。由于滾動體直徑不一致，因剛性不同而引起振動。682.2滾動軸承的振動特征156916

（2）滾動體的非線性伴生振動滾動軸承靠滾道與滾動體的彈性接觸來承受載荷，具有一定的彈性，其剛性很高；當(dāng)軸承潤滑不良時，就會出現(xiàn)非線性的特性，如圖4-5所示，從而產(chǎn)生非線性振動。（3）由于精加工波紋引起的振動若加工制造時，在滾道或滾動體上留有如圖4-6所示的加工波紋，那么當(dāng)凸起數(shù)目達(dá)到一定量值時，會產(chǎn)生特有的振動。70（2）滾動體的非線性伴生振動177118

（4）因滾動軸承損傷引起的振動當(dāng)軸承損傷時，如圖4-7所示的軸承偏心和內(nèi)圈點蝕，就會引起相應(yīng)的沖擊振動。

2.2.1滾動軸承的振動機理滾動軸承的振動很復(fù)雜，種類繁多。滾動軸承的工作狀態(tài)往往和回轉(zhuǎn)軸有很大關(guān)系。若回轉(zhuǎn)軸既有撓度又有傾角，就構(gòu)成了復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。為說明問題，現(xiàn)以滾動體直徑不一致為例說明其振動機理。72（4）因滾動軸承損傷引起的振動19732074217522762377243、滾動軸承的故障診斷方法

滾動軸承的監(jiān)測診斷技術(shù)有很多種，如振動信號分析診斷、聲發(fā)射診斷、油液分析診斷、光纖監(jiān)測診斷等，它們各具特點，其中振動信號分析診斷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

3.1振動信號分析診斷滾動軸承的振動信號分析故障診斷方法可分為簡易診斷法和精密診斷法兩種。簡易診斷的目的是初步判斷被列為診斷對象的滾動軸承是否出現(xiàn)了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認(rèn)為是出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。783、滾動軸承的故障診斷方法

滾動軸承的監(jiān)測診3.1.1滾動軸承故障的簡易診斷法

在利用振動對滾動軸承進(jìn)行簡易診斷的過程中，通常是要將測得的振值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實測的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。因此，判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分重要。

用于滾動軸承簡易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)可大致分為三種：

793.1.1滾動軸承故障的簡易診斷法

（1）絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是用于判斷實測振值是否超限的絕對量值。（2）相對判定標(biāo)準(zhǔn)是對軸承的同一部位定期進(jìn)行振動檢測，并按時間先后進(jìn)行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實測振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。（3）類比判定標(biāo)準(zhǔn)是對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動檢測，并將振值相互比較進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。80（1）絕對判定標(biāo)準(zhǔn)27

需要注意的是，絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的檢測方法的基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進(jìn)行振動檢測。適用于所有軸承的絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因此一般都是兼用絕對判定標(biāo)準(zhǔn)、相對判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。

l）振動信號簡易診斷法①振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值Xp、均值x（對于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動為經(jīng)絕對值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。81需要注意的是，絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的檢測方法

這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是通過將實測的振幅值與判定標(biāo)準(zhǔn)中給定的值進(jìn)行比較來診斷的。

峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于象表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r／min以下）也常采用峰值進(jìn)行診斷。

均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r／min以上）。

82這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是通過將實測均方很值是對時間平均的，因而它適用于象磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。②波形因數(shù)診斷法波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（Xp／X）該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效指標(biāo)之一。圖4-9所示，當(dāng)（Xp／X）值過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；而（Xp／X）值過小時，則有可能發(fā)生了磨損。83均方很值是對時間平均的，因而它適用于象磨損之類的

③波峰因數(shù)診斷法波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（Xp／Xrms）。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點蝕類故障的診斷。通過對Xp／Xrms值隨時間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢。當(dāng)滾動軸承無故障時，Xp／Xrms為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故Xp／Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴展，峰值逐步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，Xp／Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。84③波峰因數(shù)診斷法8532

④概率密度診斷法

無故障滾動軸承的振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖4-l0所示。

⑤峭度系數(shù)診斷法峭度（Kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即86④概率密度診斷法

無故障滾動軸承的振8734

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。此方法的優(yōu)點在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點蝕類故障的診斷。88振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其

2）沖擊脈沖法（SPM法）沖擊脈沖法（ShockPulseMethod）的原理是，滾動軸承運行中有缺陷（如疲勞剝落、裂紋、磨損和混入雜物）時，就會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。由于阻尼的作用，脈沖性振動是一種衰減性振動，因而沖擊脈沖的強弱反映了故障的程度。

892）沖擊脈沖法（SPM法）

當(dāng)滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖值（dB值）很小；隨著故障的發(fā)展，脈沖值逐漸增大。當(dāng)沖擊能量達(dá)到初始值的1000倍（60dB）時，就認(rèn)為該軸承的壽命已經(jīng)結(jié)束。當(dāng)軸承工作表面出現(xiàn)損傷時，所產(chǎn)生的實際脈沖值用dBsv表示，它與初始脈沖值dB；之差稱為標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量dBN90當(dāng)滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖

沖擊脈沖法在現(xiàn)場使用之中往往由于經(jīng)驗不足、對設(shè)備工況條件考慮不周造成診斷失誤。因此采用此方法進(jìn)行診斷時應(yīng)注意以下幾方面問題：91沖擊脈沖法在現(xiàn)場使用之中往往由于經(jīng)驗不

①傳感器的安裝對于固定式安裝的SPM傳感器，經(jīng)常會由于機器本身的結(jié)構(gòu)限制，無法完全達(dá)到SPM傳感器的安裝標(biāo)準(zhǔn)，造成信號衰減。②設(shè)備安裝條件對滾動軸承狀態(tài)有明顯影響的設(shè)備安裝因素主要有：不對中和軸彎曲。這兩種安裝狀態(tài)都會使軸承產(chǎn)生不均勻載荷，對軸承油膜的形成造成很大影響。這一方面會加劇軸承狀態(tài)的惡化；另一方面，在軸承狀態(tài)惡化以前也會造成沖擊值增大，形成誤報警。因此，對于此類軸承，在加強監(jiān)護的同時，對其報警限要適當(dāng)放寬。92①傳感器的安裝3

③對輔助傳動軸承的考慮對于輔助傳動軸承，由于經(jīng)常處于從動輕載荷狀況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的標(biāo)準(zhǔn)值小很多，但同時由于載荷小而容易受其它軸承或齒輪沖擊值的影響，使沖擊值快速增高，因此對此類軸承應(yīng)放寬其下限，但上限應(yīng)基本不變。93③對輔助傳動軸承的考慮403）共振解調(diào)法（IFD法）

共振解調(diào)法也稱為早期故障探測法OncipientFailureDetection人它是利用傳感器及電路的諧振，將軸承故障沖擊引起的衰減振動放大，從而提高了故障探測的靈敏度；同時，還利用解調(diào)技術(shù)將軸承故障信息提取出來，通過對解調(diào)后的信號作頻譜分析，用以診斷軸承故障。

943）共振解調(diào)法（IFD法）

共振解

滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點（缺陷處）以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件到軸承座（電動機端蓋）。由于沖擊振動所含的頻率很高，通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80％，使原來就十分微弱的故障信號更為微弱。然而，由于沖擊脈沖有著十分寬闊的頻譜，由低頻一直到數(shù)百千赫的頻譜幾乎是等幅度，這一寬帶沖擊力頻譜覆蓋了軸承零件、傳感器、軸承座等的固有頻率，軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起軸承座和軸承各零件以其固有頻率振動，振動能量隨著機械結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減。因此，這種由局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，其頻率成分有反應(yīng)軸承故障特征的間隔頻率，還包含有反映軸承元件、軸承座的自振頻率成分。95滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點

如果把軸承--測量傳感器系統(tǒng)看作是一個線性系統(tǒng)，則在軸承座上測得的振動響應(yīng)應(yīng)為軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊激勵下所產(chǎn)生的響應(yīng)，它包