《軸承高級診斷技術(shù)》課件

9軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)滾動軸承常見故障滾動軸承特征頻率與振動信號特征滾動軸承故障簡易診斷法滾動軸承故障精細(xì)診斷法1、滾動軸承常見故障〔1〕磨損滾道和滾動體相對運(yùn)動和塵埃異物會引起外表磨損；潤滑不良會加劇磨損使軸承游隙增大，外表粗糙度加，降低了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度，表現(xiàn)為振動水平及噪聲的增大〔2〕外表損傷當(dāng)損傷點滾過軸承元件外表時要產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力－>寬帶信號，激發(fā)軸承系統(tǒng)的高頻固有振動。損傷故障產(chǎn)生的沖擊振動成分可分為兩類：一類是由于軸承元件的工作外表損傷點在運(yùn)行中的反復(fù)撞擊與之相接觸的其它元件外表而產(chǎn)生的低頻振動成分，其頻率與轉(zhuǎn)速和軸承的幾何尺寸有關(guān)；另一類是由于損傷沖擊作用而誘發(fā)的軸承系統(tǒng)的高頻固有振動成分〔3〕銹蝕水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕；當(dāng)軸承停頓工作后，軸承溫度下降到達(dá)露點，空氣中水分凝結(jié)成水滴附在軸承外表上也會引起銹蝕；當(dāng)軸承內(nèi)部有電流通過時，電流有可能通過滾道和滾動體上的接觸點處，很薄的油膜引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在外表上形成搓板狀的凹凸不平。〔4〕斷裂過高的載荷會可能引起軸承零件斷裂；磨削、熱處理和裝配不當(dāng)都會引起剩余應(yīng)力，工作時熱應(yīng)力過大也會引起軸承零件斷裂；裝配方法、裝配工藝不當(dāng)，也可能造成軸承套圈擋邊和滾子倒角處掉塊?！?〕膠合在潤滑不良、高速重載情況下工作時，由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可以在極短時間內(nèi)到達(dá)很高的溫度，導(dǎo)致外表燒傷及膠合?！?〕保持架損壞由于裝配或使用不當(dāng)可能會引起保持架發(fā)生變形，增加它與滾動體之間的摩擦，甚至使某些滾動體卡死不能滾動，也有可能造成保持架與內(nèi)外圈發(fā)生摩擦等。這一損傷會進(jìn)一步使振動、噪聲與發(fā)熱加劇，導(dǎo)致軸承損壞。滾動軸承的損傷現(xiàn)象和檢測方法2、滾動軸承特征頻率與振動信號特征特征頻率：1969年H.L.Balderston根據(jù)滾動軸承的運(yùn)動分析得出了滾動軸承的特征頻率計算公式。設(shè)軸承外圈固定，內(nèi)圈〔即軸〕的旋轉(zhuǎn)頻率為fs，軸承節(jié)徑為D，滾動體直徑為d，接觸角為α，滾動體個數(shù)為z。假定滾動體與內(nèi)外圈之間純滾動接觸。●滾動體的公轉(zhuǎn)頻率為●滾動體的自轉(zhuǎn)頻率為●z個滾動體與外圈上某一固定點接觸的頻率為●z個滾動體與內(nèi)圈上某一固定點接觸的頻率為正常軸承的振動信號特征〔1〕軸承構(gòu)造特點引起的振動滾動軸承在承載時，由于在不同位置承載的滾子數(shù)目不同，因而承載剛度會有所變化，引起軸心的起伏波動。要減少這種振動的振幅可以采用游隙小的軸承或加預(yù)緊力去除游隙。〔2〕軸承鋼度非線性引起的振動滾動軸承的軸向剛度常呈非線性，特別是當(dāng)潤滑不良時易產(chǎn)生異常的軸向振動。在剛度曲線呈對稱非線性時，振動頻率為在剛度曲線呈非對稱非線性時，振動頻率為分?jǐn)?shù)諧頻〔為軸回轉(zhuǎn)頻率〕?！?〕軸承制造裝配的原因加工面波紋度引起的振動：由軸承零件的加工面〔內(nèi)圈、外圈滾道面及滾動體面〕的波紋度引起的振動和噪聲在軸承中比較常見，這些缺陷引起的振動為高頻振動〔比滾動體在滾道上的通過頻率高很多倍〕。高頻振動及軸心的振擺不僅會引起軸承的徑向振動，在一定條件下還會引起軸向振動。軸承偏心引起的振動：當(dāng)軸承游隙過大或滾道偏心時都會引起軸承振動，振動頻率為滾動體大小不均勻引起軸心擺動：滾動體大小不均勻會導(dǎo)致軸心擺動，還有支承剛性的變化。振動頻率為為保持架回轉(zhuǎn)頻率。軸彎曲引起軸承偏斜：軸彎曲會引起軸上所裝軸承的偏移，造成軸承振動。軸承的振動頻率為。故障軸承振動信號特點〔1〕疲勞剝落損傷當(dāng)軸承零件上產(chǎn)生了疲勞剝落坑后，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中會因為碰撞而產(chǎn)生沖擊脈沖。在滾動軸承剝落坑處碰撞產(chǎn)生的沖擊力的脈沖寬度一般都很小，大致為微秒級。所以其頻譜可從直流延展到100～500kHz?！?〕磨損隨著磨損的進(jìn)展，振動加速度峰值和RMS值緩慢上升，振動信號呈現(xiàn)較強(qiáng)的隨機(jī)性，峰值與RMS值的比值從5左右逐漸增加到5.5～6。如果不發(fā)生疲勞剝落，最后振動幅值可比最初增大很多倍?！?〕膠合

在A點以前，振動加速度略微下降，溫度緩慢上升。

A點之后振動值急劇上升，而溫度卻還有些下降，這一段軸承外表狀態(tài)已惡化。

在B點以后振動值第二次急劇上升，以致超過了儀器的測量范圍，同時溫度也急劇上升。在B點之前，軸承中已有明顯的金屬與金屬的直接接觸和短暫的滑動，B點之后有更頻繁金屬之間直接接觸及滑動，潤滑劑惡化甚至發(fā)生炭化，直至發(fā)生膠合。

從圖中可以看出，振動值比溫度能更早地預(yù)報膠合。

滾動軸承振動信號的頻率成分:低頻帶〔1kHz以下〕，軸承故障特征頻率和加工裝配誤差引起的振動特征頻率。這一頻帶易受機(jī)械中其它零件及構(gòu)造的影響，并且在故障初期反映損傷類故障沖擊的特征頻率成分信息的能量很小，信噪比較低。中頻帶〔1kHz～20kHz〕，軸承元件外表損傷引起的軸承外圈的固有振動頻率等。高頻帶〔20～80kHz〕，由于軸承故障引起的沖擊有很大局部沖擊能量分布在高頻段，如果采用適宜的加速度傳感器和固定方式保證傳感器較高的諧振頻率，利用傳感器的諧振或電路的諧振增強(qiáng)所得到衰減振動信號，對故障診斷非常有效。沖擊脈沖計〔SPM〕和共振解調(diào)〔IFD〕法就是利用這個頻段。3、滾動軸承故障簡易診斷法1966年，瑞典SKF公司創(chuàng)造了用沖擊脈沖儀〔ShockPulseMeter〕檢測軸承損傷，將滾動軸承的故障診斷水平提高了一個檔次。之后，多家公司安裝了大批傳感器用于長期監(jiān)測軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在航空飛機(jī)上也安裝了類似的檢測儀器。1976年，日本新日鐵株式會社研制了MCV系列機(jī)器檢測儀〔MachineChecker〕，可分別在低頻、中頻和高頻段檢測軸承的異常信號。同時推出的還有油膜檢查儀，利用超聲波或高頻電流對軸承的潤滑狀態(tài)進(jìn)展監(jiān)測，探測油膜是否破裂，發(fā)生金屬間直接接觸。隨機(jī)振動時歷曲線1976-1983年，日本精工公司〔NSK〕研制出了NB系列軸承監(jiān)測儀，利用1~15kHz范圍內(nèi)的軸承振動信號測量其RMS值和峰值來檢測軸承故障。由于濾除了低頻干擾，靈敏度有所提高，其中有些型號的儀器儀表還具有報警、自動停機(jī)功能。(1)振幅值診斷法振幅值指峰值、均值〔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〕。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于外表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)展診斷。均值用于診斷的效果與峰值根本一樣，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〕。均方根值是對時間平均，因而它適用于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。當(dāng)波形因數(shù)值過大時，說明滾動軸承可能有點蝕；當(dāng)波形因數(shù)小時，那么有可能發(fā)生了磨損。(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。該值適用于點蝕類故障的診斷，可以有效地對滾動軸承故障進(jìn)展早期預(yù)報，并能反映故障的開展變化趨勢。當(dāng)滾動軸承無故障時，波峰因數(shù)為一較小的穩(wěn)定值；當(dāng)軸承出現(xiàn)了損傷，那么會產(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，故波峰因數(shù)增大；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步到達(dá)極限值后，均方根值那么開場增大，波峰因數(shù)逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。(4)概率密度診斷法無故障滾動軸承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，那么概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，偏度系數(shù)和峭度系數(shù)。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。(5)滾動軸承的沖擊脈沖診斷法〔SPM法〕滾動軸承存在缺陷時，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異物時，會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障的程度，它還和軸承的線速度有關(guān)。SPM沖擊脈沖法〔ShockPulseMethod)就是基于這一原理。沖擊脈沖法對使用者的要求較高，應(yīng)注意以下幾方面問題：(1)傳感器的安裝：對于固定安裝的SPM傳感器，經(jīng)常由于機(jī)器本身的構(gòu)造限制，無法完全到達(dá)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：不對中和軸彎曲對滾動軸承狀態(tài)有明顯影響，使軸承產(chǎn)生不均勻載荷。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，導(dǎo)致誤報警→適當(dāng)放寬報警限(3)對輔助傳動軸承的考慮：輔助傳動軸承經(jīng)常處于從動輕載荷狀況，沖擊值比其正常載荷下獲得的標(biāo)準(zhǔn)值要小很多。但同時由于載荷小而容易受其他軸承或齒齒輪沖擊值的影響，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)根本不變。(6)滾動軸承共振解調(diào)診斷法〔IFD法〕共振解調(diào)法是利用傳感器及電路的諧振，將故障沖擊引起的衰減振動放大，提高故障探測的靈敏度，這是與沖擊脈沖法一樣之點。但該方法還利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取出來，通過對解調(diào)后的信號進(jìn)展頻譜分析，可以診斷出故障的部位，指出故障發(fā)生在軸承外圈、內(nèi)圈滾道或滾動體上。這是美國波音公司提出的一項技術(shù)，稱為早期故障探測法〔IncipientFailureDetection〕。a)軸承故障引起的沖擊脈沖F(t)b)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)c)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拓寬，并且踢除了其余的機(jī)械干擾d)最后作頻譜分析可以得到與故障沖擊周期T相對應(yīng)的頻率成分及其高次諧波。4、滾動軸承故障精細(xì)診斷法●滾動軸承的精細(xì)診斷與旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械等精細(xì)診斷一樣，主要采用頻譜分析法?！裼捎跐L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)特定的頻率成分。進(jìn)展頻譜分析之前需要通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒▽⑻囟ǖ念l率成分別離出來，然后對其進(jìn)展處理，以找出信號的特征頻率，確定故障的部位和類別。注意：只有一個或數(shù)個指標(biāo)的檢測儀表是難以準(zhǔn)確分析故障的！尤其是軸承傳遞途徑比較復(fù)雜時。→信號分析方法滾動軸承常見的分析方法有：頻譜、倒譜、希爾伯特包絡(luò)法、時頻理論等。

〔1〕倒譜分析法由于倒譜分析受傳輸途徑的影響很小，并且能將原來頻譜圖上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜

線，所以用于齒輪箱故障診斷具有特殊的優(yōu)越性；〔a〕功率譜圖，邊帶信號的譜線間隔為20Hz〔b〕倒譜圖，圖中譜峰的間隔為0.05s〔20Hz〕〔2〕希爾伯特包絡(luò)分析法時域信號絕對值的包絡(luò)，它從信號中提取調(diào)制信號，對其作譜分析可得到包絡(luò)信號的包絡(luò)譜?！?〕時頻分析法齒輪箱振動信號中，調(diào)頻、調(diào)幅現(xiàn)象很多，傳統(tǒng)的頻譜分析很難對它們加以確認(rèn)和區(qū)別，利用Wigner-Ville譜、小波變換等那么能很明顯地加以區(qū)分〔4〕時域模型法時間序列模型是用數(shù)學(xué)方法描述動態(tài)系統(tǒng)，如果模型是適用的，那么殘差at最小，因此可以比較正常工況與異常工況的殘差平方和，確定故障是否存在，但難以確定故障原因及部位。此外，直接就原始檢測數(shù)據(jù)進(jìn)展AR譜分析，也可以分析故障信號的頻率成分?！?〕時域平均法時域平均法原理是在檢測信號時消除噪聲干擾。滾動軸承其他診斷方法→光纖維監(jiān)測診斷法→聲發(fā)射〔AE〕診斷→軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測診斷法(油膜厚度、油膜電阻〕→油液分析診斷〔潤滑油理化指標(biāo)、污染度、發(fā)射光譜分析油液中金屬元素含量、紅外光譜分析、鐵譜分析〕→溫度監(jiān)測診斷法→間隙〔游隙〕監(jiān)測診斷法1.＃5空壓：1486/8173rpm；齒數(shù)：209/38；電動機(jī)工作頻率：=24.7Hz；壓縮機(jī)工作頻率：24.7×＝136.2Hz；齒輪箱嚙合頻率：24.7×209=5176Hz。2.氧壓機(jī)：2972/12724rpm;齒數(shù)：32/137；電動機(jī)工作頻率：=49.5Hz壓縮機(jī)工作頻率：49.5×＝212Hz；齒輪箱嚙合頻率：49.5×137=6781.5Hz。3.#4空壓：1500/7758rpm太陽輪：29；行星輪：46；內(nèi)齒圈：12電動機(jī)轉(zhuǎn)動頻率：