chap5-齒輪和滾珠軸承故障診斷

第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪故障診斷

齒輪常見故障

齒輪振動故障的診斷滾珠故障診斷

滾珠軸承的故障形式與原因

滾動軸承故障的監(jiān)測方法

滾動軸承振動故障的診斷2/1/20231工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪是最常見的機械傳動零件，具有結構緊湊，效率高，壽命長，工作可靠，理論傳動比恒定不變和維護方便等優(yōu)點。主要缺點：不能緩和沖擊作用。當制造不精確，材質(zhì)不良，熱處理不當，使用條件惡劣，安裝不正確時，往往會引起較大的振動、噪聲和斷裂等故障。齒輪副多數(shù)安裝在齒輪箱內(nèi)，在大型旋轉(zhuǎn)機械中，既有減速用的齒輪箱，又有增速用的齒輪箱，它的工作狀態(tài)好壞直接關系到整個機組能否正常運行，因此，要提高對機組的運行維護水平，需要重視對齒輪和齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。在齒輪箱中，齒輪本身產(chǎn)生的故障比例最大，故障率達60%，其余零件中的故障率為：軸承占19%，軸占10%，箱體占7%，緊固件占3%，油封占1%。而從引起故障原因上分析，屬于維護、操作不當又占了最大比重。5.1齒輪常見故障

2/1/20232工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷齒的斷裂：在運行過程中承受載荷的輪齒，如同懸臂梁，其根部收到脈沖循環(huán)的彎曲應力作用最大，當這種周期性應力超過齒輪材料的疲勞極限時，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴展。當剩余部分無法承傳動在何時就會發(fā)生斷齒現(xiàn)象。齒面疲勞：

齒輪在實際嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節(jié)點兩側的方向相反，從而產(chǎn)生脈動載荷。載荷和脈動力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動裙環(huán)變化的剪應力，當這種剪應力超過齒輪材料的疲勞極限時，接觸表面將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展；最終使齒面剝落小片金屬，在齒面上形成小坑．稱之為點蝕。當“點蝕”擴大連成片時，形成齒面上金屬塊剝落。此外，村質(zhì)不均勻或局部擦傷，也容易在某一齒上首先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。5.1齒輪常見故障

2/1/20233工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷齒面磨損：

潤滑油不足或油質(zhì)不清潔會造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側隙加大，以至由于齒輪過度減薄導致斷齒。一般情況下，只有在潤滑油中夾雜有磨粒時，才會在運行中引起齒面磨粒磨損。齒面膠合和擦傷：

對于重載和高速齒輪的傳動，齒面工作區(qū)溫度很高，一旦潤滑條件不良，齒面間的油膜便會消失，一個齒面的金同會熔焊在與之嚙合的另一個齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的劃痕狀膠合。新齒輪未經(jīng)磨合便投入使用時，常在某一局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪揀傷。5.1齒輪常見故障

2/1/20234工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷

齒輪傳動系統(tǒng)作為一個彈性的機械系統(tǒng)，在動態(tài)激勵力的作用下將產(chǎn)生振動響應。右圖所示為一對齒輪的力學模型。如不考慮齒面摩擦力的影響，將振動系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)來考慮時，其力的平衡式為：5.2齒輪故障的振動機理

式中:x—在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)生的齒輪相對位移；M—齒輪副的等效質(zhì)量，M=

m1為小量齒輪等效質(zhì)量；m2為大齒輪等效質(zhì)；C—齒輪嚙合阻尼；K(t)—齒輪嚙合剛度，嚙合剛度隨時間t變化；δ1—齒輪受載后的平均彈性變形；δ2—齒輪傳動誤差和故障激勵所引起兩齒輪間的相對位移。5.2.1齒輪傳動的動態(tài)激勵2/1/20235工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2齒輪故障的振動機理

故障激勵:

剛度激勵：

一是隨著嚙合點位置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。傳動誤差：制造誤差，裝配誤差，齒面損傷，外部激勵。嚙合沖擊節(jié)線沖擊5.2.1齒輪傳動的動態(tài)激勵2/1/20236工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2齒輪故障的振動機理

齒輪工作過程中的故障信號頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構成的載波信號；另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構成的調(diào)制信號。調(diào)制信號包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。5.2.2齒輪故障的特征信息齒輪嚙合頻率：fm=f1·z1=f2·z2式中f1、f2——主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)速頻率；

z1、z2——主動輪和從動輪的齒數(shù)。嚙合頻率及其諧波

齒輪嚙合情況良好，產(chǎn)生的嚙合頻率及其諧波具有較低的幅值。輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的諧波成分幅值就會明顯增大。一般是磨損、間隙和游隙過大等故障。frfm2fm

3fm

4fmf2/1/20237工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2齒輪故障的振動機理

5.2.2齒輪故障的特征信息齒輪中各種故障在運行中具體反映為一個傳動誤差問題，傳動誤差大，則齒輪在傳動中發(fā)生忽快忽慢轉(zhuǎn)動，并且在進入和脫離嚙合時的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動峰值，形成短暫時間的幅值變化和相位變化。把齒輪的嚙合頻率及其各次諧波看作為一個高頻振蕩的載波信號，而那些周期性出現(xiàn)的故障信號可看作調(diào)制信號。不同故障產(chǎn)生不同的調(diào)制形式，引起幅值變化的產(chǎn)生幅值調(diào)制，引起頻率或相位變化的產(chǎn)生頻率調(diào)制。信號調(diào)制和邊帶分析

2/1/20238工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2齒輪故障的振動機理

5.2.2齒輪故障的特征信息幅值調(diào)制載波信號調(diào)制信號幅值調(diào)制后的信號齒面上載荷波動、節(jié)圓中心的偏心等因素均可產(chǎn)生扭矩的周期性變化，這些因素反映在輪齒上是周期性的嚙合力變化，時而“加載”，時而“卸載”，形成了幅值調(diào)制效應。幅值調(diào)制就是一種調(diào)幅波，振蕩波形周期性地高低起伏，其中頻率較高的嚙合頻率fm稱為載波頻率；頻率較低的故障信號頻率fr稱為調(diào)制頻率。齒輪旋轉(zhuǎn)一周，故障信號重復一次frfrfm2/1/20239工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2齒輪故障的振動機理

5.2.2齒輪故障的特征信息頻率調(diào)制齒輪的轉(zhuǎn)速波動，因加工中分度誤差而導致齒距不均勻，輪齒產(chǎn)生周期性的周節(jié)誤差，齒輪軸偏心引起嚙合速率的變化，周期性扭矩（負荷）變化引起的速度變化等因素均可引起頻率調(diào)制現(xiàn)象。在齒輪實際故障中，調(diào)幅與調(diào)頻兩種現(xiàn)象可能同時存在，形成交叉調(diào)制成分。由于幅值調(diào)制和頻率調(diào)制具有載波頻率相等、邊帶間隔均為齒輪的轉(zhuǎn)速頻率，以及邊帶對稱分布于載波頻率兩側的共同特點，因此調(diào)頻與調(diào)幅綜合影響的結果，在頻譜圖上得到嚙合頻率及其諧波的兩側具有一系列邊頻。

tr=1/frfmfr

2/1/202310工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2.3齒輪故障信號的頻域特征齒輪均勻性磨損、齒輪徑向間隙過大、不適當?shù)凝X輪游隙以及齒輪負荷過大等故障。

5.2齒輪故障的振動機理

frfm2fm

3fm

4fmf齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障。齒的斷裂或裂紋，每當輪齒進入嚙合時就產(chǎn)生一個沖擊信號，這種沖擊可激起齒輪系統(tǒng)的一階或幾階自振頻率。但是，齒輪固有頻率一般都為高頻（約在1~10kHz范圍內(nèi)）。

2/1/202311工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪故障診斷的基本方法是利用振動信號在頻域和時域內(nèi)診斷。在頻域上診斷主要是提取邊頻特征信息，常用的方法有：5.3齒輪故障的診斷方法

細化譜分析法細化譜（ZOOM—FFT）是用來增加頻譜中某些有限頻段上的分辨能力，即所謂“局部頻率擴展”方法。通常標準頻譜，在譜圖上的頻率是從零赫茲到最高分析頻率。細化分析，分辨以嚙合頻率為中心，兩邊分布著以故障特征頻率為間隔的邊頻帶

2/1/202312工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3齒輪故障的診斷方法

實例1齒輪減速裝置的斷齒診斷美國孟山都（Monsanto）石油化工公司的一臺齒輪減速箱。如圖5-21所示，輸入軸轉(zhuǎn)速為1200r/min，輸出軸轉(zhuǎn)速為52.7r/min，中間經(jīng)二級減速。在輸入高速軸一端產(chǎn)生很高幅度的振動。2/1/202313工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3齒輪故障的診斷方法

實例1齒輪減速裝置的斷齒診斷

停機后打開齒輪箱觀察，證明小齒輪的一齒斷裂。

2/1/202314工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3齒輪故障的診斷方法

倒頻譜分析法倒頻譜（Cepstrum）的定義是功率譜對數(shù)的功率譜（傅里葉逆變換），即把時間信號x(t)的功率譜函數(shù)G(f)取對數(shù)，再進行傅里葉變換。把周期性的頻率結構在倒頻譜上變?yōu)閱胃V線及其高階譜線。

（2000譜線）（400譜線）（圖b的倒譜圖）1-嚙合頻率；2,3-高次諧波；A1~A3…周期為11.8ms諧波；B1~B3…周期為20ms諧波

倒頻譜的優(yōu)點：1.有效地提取和識別頻譜上的周期性信號；2.受傳遞途徑影響小。

2/1/202315工業(yè)裝備故障診斷技術

滾動軸承因其摩擦系數(shù)??；運轉(zhuǎn)精度高；對潤滑劑的粘度不敏感，大多數(shù)滾動軸承可使用潤滑脂，不需要像滑動軸承那樣一套復雜的供油系統(tǒng)；在低速下也能承受載荷，因而適宜于在使用條件有變化和可靠性要求高的場合下工作；大多數(shù)類型的軸承能承受徑向和軸向負荷；更重要的是滾動軸承產(chǎn)品已國際標準化，易于大批量生產(chǎn)，成本低廉，互換性好。它的缺點是承受沖擊的能力差，在沖擊載荷下容易發(fā)生故障；此外，滾動軸承在滾動體上的載荷分布是不均勻的，在載荷線下面的一個滾動體受力最大，因此軸承工作時，內(nèi)圈和外圈上各點所受的應力和應力循環(huán)次數(shù)是不同的，這些對軸承的損壞都有很大影響。第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

旋轉(zhuǎn)機械是設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的重點，而旋轉(zhuǎn)機械的故障有相當大比例與軸承有關。滾動軸承是機器的易損件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機械的故障約有30％是因滾動軸承引起的，由此可見滾動軸承故障診斷工作的重要性。2/1/202316工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

滾動軸承的典型結構2/1/202317工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

疲勞剝落（點蝕）滾動體在滾道上由于反復承受載荷，工作到一定時間后，首先在接觸表面一定深度處形成裂紋（該處的剪應力最大），然后逐漸發(fā)展到接觸表面，5.4.1滾動軸承的主要故障形式磨損或擦傷滾動體與滾道之間的相對運動以及外界污物的侵入，是軸承工作面產(chǎn)生磨損的直接原因。潤滑不良，裝配不正確均會加劇磨損或擦傷。磨損量較大時，軸承游隙增大，不僅降低了軸承的運轉(zhuǎn)精度，也會帶來機器的振動和噪聲，對于精密機械用的軸承，磨損量就成為限定軸承使用壽命的主要因素。

2/1/202318工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.1滾動軸承的主要故障形式銹蝕和電蝕銹蝕是由于空氣中或外界的水分帶入軸承中，或者機器在腐蝕性介質(zhì)中工作，軸承密封不嚴，從而引起化學腐蝕。銹蝕產(chǎn)生的銹斑使軸承工作表面產(chǎn)生早期剝落，而端面生銹則會引起保持架磨損。電蝕主要是轉(zhuǎn)子帶電，在一定條件下，電流擊穿油膜而形成電火花放電，使軸承工作表面形成密集的電流凹坑。斷裂軸承零件的裂紋和斷裂是最危險的一種損壞形式，這主要是由于軸承超負荷運行、金屬材料有缺陷和熱處理不良所引起的。轉(zhuǎn)速過高，潤滑不良，軸承在軸上壓配過盈量太大以及過大的熱應力會引起裂紋和斷裂。

2/1/202319工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.2滾動軸承故障的檢測方法滾動軸承雖然結構簡單，但是損傷形態(tài)卻是多種多樣，振動信號的頻帶非常寬廣，大量機器的噪聲使一般檢測裝置很難直接找出它的故障特征頻率。

檢測方法損傷現(xiàn)象振動和聲音溫度磨損顆粒軸承間隙油膜電阻剝落○×○××裂紋○×△××壓痕○××××磨損○△○○○腐蝕○△○○○污斑○×○×○燒傷○○××○生銹△×○××可否在轉(zhuǎn)動中測定可以可以不可以不可以可以*檢測方法的適用性：○—有效；△—有可能性；×—不適用。2/1/202320工業(yè)裝備故障診斷技術

當滾動體和滾道接觸處遇到一個局部缺陷時，就有一個沖擊信號產(chǎn)生。缺陷在不同元件上，接觸點經(jīng)過缺陷的頻率是不相同的，這個頻率就稱為沖擊的間隔頻率或特征頻率。第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.2滾動軸承故障缺陷產(chǎn)生的間隔頻率缺陷位置沖擊振動發(fā)生的間隔頻率[Hz]備注內(nèi)圈Z個滾動體通過內(nèi)圈上一處缺陷的頻率外圈Z個滾動體通過外圈上一處缺陷的頻率滾動體沖擊單側滾道即滾動體的自轉(zhuǎn)頻率沖擊兩側滾道滾動體上一處缺陷沖擊內(nèi)、外圈滾道的頻率保持架與外圈摩擦即保持架的轉(zhuǎn)速頻率fc保持架與內(nèi)圈摩擦亦即一個滾動體通過內(nèi)圈上某一點的頻率2/1/202321工業(yè)裝備故障診斷技術軸承彈性特性引起的振動

軸承彈性特性除了引起套圈振動之外，滾動體也會像一個“彈簧”那樣產(chǎn)生彈性變形，但是它的剛性很高，并且具有非線性彈簧的特性。振動頻率有軸的轉(zhuǎn)速頻率f、高次諧波if和分數(shù)諧波（i=1，2，3…的正整數(shù)）。不過球軸承的彈性特性具有對稱型的非線性，一般產(chǎn)生奇數(shù)倍轉(zhuǎn)速頻率f的諧波振動。

第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.3滾動軸承故障的振動診斷滾動體通過載荷方向產(chǎn)生的振動激勵頻率：fe=zfc

套圈的固有振動套圈的固有振動主要表現(xiàn)在外圈上，因為一般軸承中外圈與軸承殼體為動配合，外圈在殼體內(nèi)可以自由活動，因此軸承上受到任何沖擊性的激勵力，均可激起外圈產(chǎn)生固有頻率的振動。

2/1/202322工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.3滾動軸承故障的振動診斷方法振動頻率“窗口”的選擇

滾動軸承存在故障時，由故障所引發(fā)的激振力可以分成三種類型。

第一類是由于磨損、腐蝕、潤滑不良和混入異物等原因而產(chǎn)生表面粗糙樣的損傷，使接觸表面的凹凸不平度變大，軸承工作時，將以寬頻帶的隨機激勵連續(xù)地激發(fā)軸承振動，激勵力的波形是隨機的，雜亂無章的。

第二類是由于剝落、壓痕、裂紋等局部缺陷所引起的沖擊性激勵，滾動體每經(jīng)過缺陷處一次，產(chǎn)生一次沖擊，激勵力為尖峰形的脈沖波，脈沖波的強度取決于表面損傷的程度。

第三類是由于滾道面幾何形狀偏差（如內(nèi)外圈波紋，滾動體不圓）、滾動體大小不均勻、內(nèi)圈和外圈偏心、軸頸裝配偏斜等原因所產(chǎn)生的激勵，這一類激勵是穩(wěn)態(tài)的，基本上呈正弦波形狀。

2/1/202323工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.3滾動軸承故障的振動診斷方法振動頻率“窗口”的選擇

故障的軸承，往往同時存在幾種激勵力。

ABC2/1/202324工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.3滾動軸承故障的振動診斷方法傳感器及其安裝位置的選擇

軸承在運轉(zhuǎn)時，滾道接觸面上的高低不平和局部缺陷所產(chǎn)生的的沖擊性振動，將以壓縮波的形式從接觸點出發(fā)呈半球形波面向外傳播。傳感器安裝位置應選擇在對檢測沖擊脈沖信號較高靈敏度的區(qū)域，且不越過界面。徑向軸承止推軸承2/1/202325工業(yè)裝備故障診斷技術第5章齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4滾動軸承故障診斷

5.4.3滾動軸承故障的振動診斷方法傳感器及其安裝位置的選擇

根據(jù)滾動袖承的結構特點，使用條件不同，它所引起的振動可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動（通過振動），也可能是頻率在1kHz以上，數(shù)千赫茲至數(shù)十千赫的高頻振動（固有振動），通