滾動(dòng)軸承的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷

滾動(dòng)軸承的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷第1頁(yè)/共25頁(yè)滾動(dòng)軸承的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷一、概述二、診斷技術(shù)和方法三、故障診斷實(shí)例四、結(jié)語(yǔ)第2頁(yè)/共25頁(yè)一、概述1.基本概念

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的重要零件，它具有摩擦阻力小，啟動(dòng)靈敏，效率高，潤(rùn)滑簡(jiǎn)便和易于互換等優(yōu)點(diǎn)，所以在各機(jī)械部門中應(yīng)用最為廣泛。2.診斷的目的和意義1）滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺(tái)機(jī)器的性能，如精度、可靠性、壽命等。統(tǒng)計(jì)表明，旋轉(zhuǎn)類機(jī)械大約有30%的機(jī)械故障都是滾動(dòng)軸承引起的，采用故障診斷技術(shù)后，事故發(fā)生率可降低75%，維修費(fèi)用可減少25%～50%。2）狀態(tài)故障診斷技術(shù)可了解軸承的性能狀態(tài)并及早發(fā)現(xiàn)潛在故障。對(duì)可能出現(xiàn)的故障提出預(yù)測(cè)、估計(jì)、判斷,可以有效提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行管理水平及維修效能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。第3頁(yè)/共25頁(yè)二、診斷技術(shù)和方法1.滾動(dòng)軸承的失效形式2.滾動(dòng)軸承的失效過(guò)程3.故障頻率計(jì)算4.振動(dòng)特征的分析方法第4頁(yè)/共25頁(yè)1.滾動(dòng)軸承的失效形式1）疲勞剝落

滾動(dòng)軸承的內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體交替進(jìn)入和退出承載區(qū)域，這些部件因長(zhǎng)時(shí)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)展到接觸表面在表層產(chǎn)生點(diǎn)狀剝落，逐步發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動(dòng)軸承失效的主要原因，一般所說(shuō)的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。

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2）磨損由于滾道和滾動(dòng)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和塵埃異物引起表面磨損，潤(rùn)滑不良會(huì)加劇磨損，結(jié)果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度，因而也降低了機(jī)器的運(yùn)動(dòng)精度，表現(xiàn)為振動(dòng)水平及噪聲的增大。第6頁(yè)/共25頁(yè)3）擦傷

由于軸承內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體接觸表面上的微觀凸起或硬質(zhì)顆粒使接觸面受力不均，在潤(rùn)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(shí)表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂。第7頁(yè)/共25頁(yè)4）斷裂

當(dāng)軸承所受載荷、振動(dòng)過(guò)大時(shí)，內(nèi)外圈的缺陷位置在滾動(dòng)體的反復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴(kuò)展而斷裂。第8頁(yè)/共25頁(yè)5）銹蝕

水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會(huì)引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有軸電流通過(guò)時(shí)，在滾道和滾動(dòng)體的接觸點(diǎn)處引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。第9頁(yè)/共25頁(yè)2.滾動(dòng)軸承的失效過(guò)程軸承失效通常劃分為四個(gè)階段：1）第一階段：軸承的超聲頻率振動(dòng)階段軸承最早期的故障是表現(xiàn)在250kHz～350kHz范圍的超聲頻率的振動(dòng)異常，隨著故障的發(fā)展，異常頻率逐漸下降移到20kHz～60kHz。第10頁(yè)/共25頁(yè)2）第二階段：軸承的固有頻率振動(dòng)階段

隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承滾動(dòng)表面會(huì)產(chǎn)生輕微的缺陷，這些輕微缺陷引起的振動(dòng)會(huì)激起軸承部件的固有頻率(fn)振動(dòng)或軸承支承結(jié)構(gòu)共振，一般振動(dòng)頻率在500Hz～2kHz。第11頁(yè)/共25頁(yè)3）第三階段：軸承缺陷頻率及其倍頻振動(dòng)階段

隨著軸承微小缺陷的進(jìn)一步擴(kuò)展，軸承缺陷頻率及其倍頻開始出現(xiàn)，隨著軸承磨損的進(jìn)一步發(fā)展，更多缺陷頻率的倍頻開始出現(xiàn)，圍繞這些倍頻以及軸承部件固有頻率的邊頻帶數(shù)量也逐步上升。第12頁(yè)/共25頁(yè)4）第四階段：軸承隨機(jī)寬帶振動(dòng)階段

軸承已經(jīng)接近完全失效，軸承的壽命已經(jīng)接近尾聲，甚至工頻也受其影響而上升并產(chǎn)生許多工頻的倍頻，而原先離散的軸承缺陷頻率和固有頻率開始“消失”，取而代之是隨機(jī)的寬帶高頻“噪聲振動(dòng)”。第13頁(yè)/共25頁(yè)3.軸承故障頻率計(jì)算

內(nèi)環(huán)滾動(dòng)，外環(huán)固定，這是滾動(dòng)軸承最常見的安裝方式。其故障頻率分別為：

內(nèi)

環(huán)：

外

環(huán)：

滾動(dòng)體：

保持架：式中：n——滾動(dòng)體數(shù)目d——滾動(dòng)體直徑D——軸承節(jié)徑，即外環(huán)內(nèi)徑與內(nèi)環(huán)外徑的平均值θ——接觸角，對(duì)于推力軸承，接觸角θ為90°。第14頁(yè)/共25頁(yè)

有時(shí)難以測(cè)量軸承的幾何尺寸，在知道滾動(dòng)體數(shù)目的情況下，可以用以下公式估算軸承的故障頻率：

內(nèi)

環(huán)：

外

環(huán)：

滾動(dòng)體：

保持架：

對(duì)于滾動(dòng)體數(shù)目在6～12個(gè)的軸承，誤差較小。第15頁(yè)/共25頁(yè)4.滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特征分析方法4.1特征參數(shù)法

在滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的振動(dòng)特征分析中,特征參數(shù)法占有重要位置。特征參數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于僅有少數(shù)指標(biāo)用于解釋軸承的狀態(tài),結(jié)果分析簡(jiǎn)單和方便。此外,采用特征參數(shù)法評(píng)定軸承狀態(tài)時(shí)不需要軸承以前的歷史記錄,這是此技術(shù)另一項(xiàng)具有吸引力的特征。在滾動(dòng)軸承診斷中常用的特征參數(shù)包括有效值、峰值等各種時(shí)域特征參數(shù)和重心頻率等各種頻域參數(shù)。

但時(shí)域和頻域參數(shù)各有其適用范圍,主要用于簡(jiǎn)易診斷,單獨(dú)使用某一種指標(biāo)往往不能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合使用,以便獲得較好的效果。第16頁(yè)/共25頁(yè)4.2頻譜分析法

利用特征參數(shù)可以對(duì)軸承進(jìn)行簡(jiǎn)易診斷，發(fā)現(xiàn)故障后,就應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的頻率分析,以判明故障的類別和原因。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)其頻率成分十分豐富,既含有低頻成分,又含有高頻成分。每一種特定的故障都對(duì)應(yīng)特定的頻率成分,需要通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法將特定的頻率成分分離出來(lái),從而指出特定故障的存在。

軸承信號(hào)的頻譜分析是最有用的診斷與故障檢測(cè)方法,但這種方法需要知道關(guān)于軸承幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的細(xì)節(jié),其次頻譜分析法用于提取在低頻和中頻帶中的軸承故障特征頻率及其諧波,但由于部分軸承故障特征頻率接近由機(jī)器的其它部件激發(fā)的頻率,從而很難識(shí)別。第17頁(yè)/共25頁(yè)4.3包絡(luò)法

包絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)是它能區(qū)分同時(shí)發(fā)生在同一個(gè)軸承中的數(shù)種故障特征的特征,這大大提高了故障識(shí)別的確定性。

當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)行過(guò)程中要撞擊與它接觸的表面而產(chǎn)生沖擊脈沖力。由于沖擊脈沖力的頻帶很寬,包含軸承組件、軸承座、機(jī)器結(jié)構(gòu)及傳感器的固有頻率,所以必然激起測(cè)振系統(tǒng)的共振。因此，測(cè)得的振動(dòng)加速度信號(hào)包含著多個(gè)載波共振頻率,以及調(diào)制于其上的故障特征頻率和其諧波成分。第18頁(yè)/共25頁(yè)一般是根據(jù)實(shí)際情況選取某一共振頻率為中心,使微弱的軸承故障信號(hào)搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來(lái)，否則高頻低幅的軸承故障信號(hào)在多個(gè)界面經(jīng)過(guò)反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)線，然后進(jìn)行快速傅立葉變換FFT，即可得到包含故障特征頻率及其倍頻成分的低頻包絡(luò)信號(hào),對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析就可以很容易地診斷出軸承的故障來(lái)，這個(gè)過(guò)程也稱為共振解調(diào)。

包絡(luò)法適用于局部損傷類故障,對(duì)于磨損類故障和間隙增大故障也有一定的效果。但是在大多數(shù)情況下,包絡(luò)法需要人工判斷。包絡(luò)譜有時(shí)十分復(fù)雜,難以直觀識(shí)別,對(duì)操作者的技術(shù)水平要求較高。第19頁(yè)/共25頁(yè)三、故障檢測(cè)實(shí)例下圖是一臺(tái)三柱塞注水泵軸承的包絡(luò)譜。泵轉(zhuǎn)速335rpm，排出壓力25MPa，流量16m3/h，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率132KW，電機(jī)轉(zhuǎn)速985rpm，電機(jī)與泵通過(guò)皮帶傳動(dòng)。泵軸承為雙排球面滾子軸承，型號(hào)22330。

根據(jù)軸承尺寸計(jì)算的軸承故障頻率如下：

內(nèi)圈故障頻率

BPIR=49.6Hz

外圈故障頻率

BPOR=34.2Hz

滾動(dòng)體

BSF=14.7Hz

保持架

FTF=2.3Hz

曲軸轉(zhuǎn)頻

f0=335rpm/60s=5.58Hz第20頁(yè)/共25頁(yè)第21頁(yè)/共25頁(yè)

經(jīng)過(guò)包絡(luò)處理之后，不平衡、松動(dòng)、皮帶輪偏斜、軸向竄動(dòng)等頻率都被濾掉了，只用考慮軸承故障和泵進(jìn)排液閥沖擊。而進(jìn)排液閥產(chǎn)生的沖擊頻率是泵轉(zhuǎn)頻的1、3、6···倍，包絡(luò)譜中主要頻率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是轉(zhuǎn)頻5.58Hz的倍頻分量，由此斷定故障不是由泵進(jìn)排液閥竄繞引起的。當(dāng)軸承跑內(nèi)圓或軸承磨損使間隙增大時(shí)也會(huì)在包絡(luò)譜上產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻及其諧波分量。經(jīng)過(guò)比對(duì)，這些頻率分量是滾動(dòng)體故障頻率14.7Hz的3、6、9、18倍頻，表明滾動(dòng)體出現(xiàn)故障，并且很嚴(yán)重。

停泵檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外側(cè)內(nèi)圈滾道已經(jīng)磨成搓板狀。這與包絡(luò)譜顯示的滾動(dòng)體故障頻率不一致，原因是內(nèi)圈滾道