故障診斷5滾動軸承的振動監(jiān)測與診斷

1、00 0、課程準(zhǔn)備、課程準(zhǔn)備1 1、緒、緒 論論3 3、監(jiān)測與診斷系統(tǒng)、監(jiān)測與診斷系統(tǒng)2 2、信號分析及處理基礎(chǔ)、信號分析及處理基礎(chǔ)4 4、旋轉(zhuǎn)機械的振動監(jiān)測與診斷、旋轉(zhuǎn)機械的振動監(jiān)測與診斷5 5、滾動軸承的故障監(jiān)測和診斷、滾動軸承的故障監(jiān)測和診斷6 6、齒輪箱的監(jiān)測和診斷、齒輪箱的監(jiān)測和診斷 1第五章第五章 滾動軸承的振動監(jiān)測與診斷滾動軸承的振動監(jiān)測與診斷5.1 5.1 滾動軸承失效的基本形式滾動軸承失效的基本形式5.2 5.2 滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷5.3 5.3 滾動軸承的其他監(jiān)測診斷方法滾動軸承的其他監(jiān)測診斷方法2u 重點與難點重點與難點 A滾動軸承的失效的基本形式及其失

2、效原因滾動軸承的失效的基本形式及其失效原因；A滾動軸承的振動機理滾動軸承的振動機理；u 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) A掌握滾動軸承的故障特征頻率的計算方法；掌握滾動軸承的故障特征頻率的計算方法；A了解滾動軸承的幾種沉積失效形式及其原因了解滾動軸承的幾種沉積失效形式及其原因；A滾動軸承的振動故障識別滾動軸承的振動故障識別。A學(xué)會用時域分析法、頻譜分析法及包絡(luò)法等分學(xué)會用時域分析法、頻譜分析法及包絡(luò)法等分析滾動軸承的各種故障。析滾動軸承的各種故障。35.1、滾動軸承失效的基本形式、滾動軸承失效的基本形式認(rèn)識滾動軸承認(rèn)識滾動軸承4滾動軸承應(yīng)力分析滾動軸承應(yīng)力分析55.1.1 5.1.1 滾動軸承的磨損失效滾動

3、軸承的磨損失效 滾動軸承常見的損壞形式有：磨損失效、疲勞失效、腐蝕失滾動軸承常見的損壞形式有：磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。65.1.2 5.1.2 滾動軸承的疲勞失效滾動軸承的疲勞失效 疲勞失效原因是疲勞應(yīng)力造成的，有時是由于潤滑不良或強迫安裝所至。75.1.3 5.1.3 滾動軸承的腐蝕失效滾動軸承的腐蝕失效 腐蝕失效分化學(xué)腐蝕 ，電腐蝕 ，微振腐蝕 三類。85.1.4 5.1.4 滾動軸承的壓痕失效滾動軸承的壓痕失效 壓痕失效主要是由于滾動軸承受負(fù)荷后，在滾動壓痕失效主要是由于滾動軸承受負(fù)荷后，在滾動體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變

4、形。過量時在滾道表面形體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。過量時在滾道表面形成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會造成壓成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會造成壓痕失效。痕失效。95.1.5 5.1.5 滾動軸承的斷裂失效滾動軸承的斷裂失效 斷裂失效由于運行時載荷過大、轉(zhuǎn)速過高、潤滑不良或裝配不妥等而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力 。膠合失效指滑動接觸兩表面，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 。105.2、滾動軸承的振動診斷、滾動軸承的振動診斷5.2.1 5.2.1 滾動軸承的振動機理滾動軸承的振動機理 1 1）軸承剛度變化引起的振動）軸承剛度變化引起的振動振動特點振動特點 隨著滾動體隨著滾動

5、體位置不同，其承載狀態(tài)位置不同，其承載狀態(tài)也不斷變化，這將導(dǎo)致也不斷變化，這將導(dǎo)致內(nèi)圈、外圈和滾動體產(chǎn)內(nèi)圈、外圈和滾動體產(chǎn)生彈性變形而引起振生彈性變形而引起振動動 。由于滾動體直徑。由于滾動體直徑不一致，因剛性不同而不一致，因剛性不同而引起振動。引起振動。 112 2）由滾動軸承的運動副引起的振動）由滾動軸承的運動副引起的振動 軸承滾動表面的軸承滾動表面的微觀特征微觀特征導(dǎo)致滾動體滾動時產(chǎn)生交變的導(dǎo)致滾動體滾動時產(chǎn)生交變的激振力。激振力產(chǎn)生的隨機振動和滾動體產(chǎn)生的傳輸振動的激振力。激振力產(chǎn)生的隨機振動和滾動體產(chǎn)生的傳輸振動的主要頻率成分為滾動軸承的主要頻率成分為滾動軸承的特征頻率特征頻率。12

6、A內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率60/NfiA保持架旋轉(zhuǎn)頻率保持架旋轉(zhuǎn)頻率icfDdf)cos1 (21D D為軸承的節(jié)圓直徑；為軸承的節(jié)圓直徑；d d為滾珠直徑；為滾珠直徑；為接觸角。為接觸角。A滾珠自轉(zhuǎn)頻率滾珠自轉(zhuǎn)頻率ibfDddDf2)cos(1cos21A保持架通過（內(nèi)圈）頻率保持架通過（內(nèi)圈）頻率1cos12ciicidffffD13A滾珠通過內(nèi)圈頻率滾珠通過內(nèi)圈頻率cos12BiciindfnffDA滾珠通過外圈頻率滾珠通過外圈頻率cos12BOcindfnffD143 3）滾動軸承元件的固有頻率）滾動軸承元件的固有頻率A鋼球的固有頻率鋼球的固有頻率2424.0ErfBr r為鋼球的半徑

7、為鋼球的半徑(m)(m)；為材料密度為材料密度(kg/m(kg/m3 3) )；E E為為彈彈性模量（性模量（N/mN/m2 2) )。A軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率MEIannnfn22212)1(n n為固有頻率階數(shù)為固有頻率階數(shù)；a a 為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑（為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑（m m）；）； M M 為為套圈單位長度內(nèi)的質(zhì)量套圈單位長度內(nèi)的質(zhì)量(kg/m)(kg/m)；I I為為套圈截面繞中套圈截面繞中心軸的慣性矩心軸的慣性矩。一般軸承元件的固一般軸承元件的固有頻率在有頻率在2060 kHz 2060 kHz 的頻率范圍內(nèi)的頻率范圍內(nèi) 154 4）

8、與滾動軸承安裝有關(guān)的振動）與滾動軸承安裝有關(guān)的振動A滾動軸承緊固過緊或過松，在滾動體通過特定位置滾動軸承緊固過緊或過松，在滾動體通過特定位置時，即引起振動。其頻率與滾動體通過頻率相同：時，即引起振動。其頻率與滾動體通過頻率相同：165 5）滾動軸承故障所產(chǎn)生的振動）滾動軸承故障所產(chǎn)生的振動滾動軸承代表故障有：表面皺裂、表面剝落、軸承燒損等。滾動軸承代表故障有：表面皺裂、表面剝落、軸承燒損等。 燒損燒損17剝落剝落185.2.2 5.2.2 滾動軸承振動信號的拾取滾動軸承振動信號的拾取 測定部位：測定部位：基本思路：選基本思路：選擇在離軸承最近、最能反映軸擇在離軸承最近、最能反映軸承振動的位置上

9、。承振動的位置上。測定參數(shù)：測定參數(shù)：如果是在較寬如果是在較寬的頻帶上檢測振動級，則對于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要求低頻振動小的軸承檢測振動速度，而對要求高頻振動小動速度，而對要求高頻振動小的軸承檢測振動加速度信號。的軸承檢測振動加速度信號。測定周期測定周期：對于定期檢測，為早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，：對于定期檢測，為早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，以免故障繼續(xù)發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測的周期應(yīng)可能以免故障繼續(xù)發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測的周期應(yīng)可能短一些。短一些。195.2.3 5.2.3 滾動軸承的振動故障識別滾動軸承的振動故障識別 滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征

10、 20u（1 1）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：u（2 2）一個滾動體（或保持架）通過內(nèi)圈上一點的頻率：）一個滾動體（或保持架）通過內(nèi)圈上一點的頻率：u（3 3）Z Z個滾動體通過內(nèi)圈上一點的頻率：個滾動體通過內(nèi)圈上一點的頻率： u（4 4）一個滾動體（或保持架）通過外圈上的一點的頻率：）一個滾動體（或保持架）通過外圈上的一點的頻率： u（5 5）Z Z個滾動體通過外圈上一點的頻率：個滾動體通過外圈上一點的頻率： u（6 6）滾動體上的一點通過內(nèi)圈或外圈的頻率：）滾動體上的一點通過內(nèi)圈或外圈的頻率： u（7 7）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動體的公轉(zhuǎn)頻率）：）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動體的公轉(zhuǎn)頻率）：

11、 以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承的的基礎(chǔ)。以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承的的基礎(chǔ)。滾動軸承的頻率特征滾動軸承的頻率特征 211 1）概率密度方法）概率密度方法方法要點：方法要點：基本無故障的滾動軸承的振幅概率密度基本無故障的滾動軸承的振幅概率密度曲線圖形呈曲線圖形呈高斯分布高斯分布；而正弦信號則呈鞍形，據(jù)此不難；而正弦信號則呈鞍形，據(jù)此不難分析出圖中四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。分析出圖中四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。圖圖a a 接近接近高斯分布高斯分布；圖；圖 b b 方差值較大，但無鞍形，方差值較大，但無鞍形，可以說無明顯故障；圖可以說無明顯故障；圖 c c 特點是數(shù)據(jù)集中成分較特

12、點是數(shù)據(jù)集中成分較大，在均值左右出現(xiàn)較明顯的鞍形，低值分散顯大，大，在均值左右出現(xiàn)較明顯的鞍形，低值分散顯大，存在劃傷現(xiàn)象；圖存在劃傷現(xiàn)象；圖 d d 圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常分散，這是疲勞的明顯特征。分散，這是疲勞的明顯特征。222 2）有效值和峰值判別法）有效值和峰值判別法有效值反映了振動能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，有效值反映了振動能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振幅必然增大。因而用有效值作為異常軸承的判斷指其振幅必然增大。因而用有效值作為異常軸承的判斷指標(biāo)。但這對具有瞬變沖擊振動的異常是不適用的。因為標(biāo)。但這對具有瞬變沖擊振動的異常是不適用的。因為沖擊波峰的振幅

13、大，但持續(xù)時間短，用有效值來表示，沖擊波峰的振幅大，但持續(xù)時間短，用有效值來表示，其特征不明顯，對于這種形態(tài)的異常，用峰值比有效值其特征不明顯，對于這種形態(tài)的異常，用峰值比有效值更適用。更適用。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于象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之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于表面點蝕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（如轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。行診斷。233 3）波形系數(shù)法）波形系數(shù)法所謂波峰系數(shù)所謂波峰系數(shù) Cf ，是指峰值與有效值或均方根值之比（，是指

14、峰值與有效值或均方根值之比（xp/xrms）。）。特點，特點，是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、傳輸通道、及載荷是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、傳輸通道、及載荷的影響，也不受傳感器、放大器一、二次靈敏度變化的影響。的影響，也不受傳感器、放大器一、二次靈敏度變化的影響。對對 Cf 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)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。行早期預(yù)報，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢。滾動軸承無故障時，滾動軸承無故障時，Cf 為一較小的穩(wěn)定值，滾動軸承的波峰系為一較小的穩(wěn)定值，滾動軸承的波峰系數(shù)約為數(shù)約為5；一旦軸承出現(xiàn)了損

15、傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明；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增大，顯增大，但此時均方根值尚無明顯增大，Cf 值增大，可達(dá)幾十；值增大，可達(dá)幾十；當(dāng)故障不斷擴展，峰值逐步達(dá)到極限后，均方根值開始增大，當(dāng)故障不斷擴展，峰值逐步達(dá)到極限后，均方根值開始增大，Cf 逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時的大小。244 4）頻譜分析法）頻譜分析法 基頻識別 圖a是一個軸承外環(huán)有劃傷的軸承振動加速度信號的頻譜圖，明顯可看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz，而圖b則是與其相同的完好軸承的頻譜圖。通過比較可以看出，當(dāng)

16、出現(xiàn)故障后的譜圖上有明顯較高的高次諧波成分。在此例中出現(xiàn)了184.2Hz的5倍頻成分。且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。25諧振頻率諧振頻率，根據(jù)諧頻的間距來判別，在分辨率較高的，根據(jù)諧頻的間距來判別，在分辨率較高的功率譜圖時常見到均勻棒線或尖峰，仔細(xì)測量其間距大功率譜圖時常見到均勻棒線或尖峰，仔細(xì)測量其間距大小可以判斷什么部位發(fā)生故障。小可以判斷什么部位發(fā)生故障。邊頻識別邊頻識別，頻率調(diào)制的情況總是存在的，在某故障頻，頻率調(diào)制的情況總是存在的，在某故障頻率附近總是圍繞一族頻率，習(xí)慣稱它為邊頻。率附近總是圍繞一族頻率，習(xí)慣稱它為邊頻。)2(2sin)2(2sin2)(2sin)(2sin

17、2)2sin()2(sin2cos)2sin()(1tfftffmAtfftffmAtfAtftfmAtfAtXscsccscscccccknsccc)2sin()(1 )(tftmSAtXcc0),2cos()(tftSs26倒頻譜法倒頻譜法，圖a是某滾動軸承內(nèi)圈軌道上有疲勞損傷和滾動體有凹坑缺陷的軸承的振動加速度信號時域信號；圖b則是其功率譜圖，該圖便識別；而圖c是其倒頻譜，明顯看出有106Hz及26.39Hz成分。經(jīng)理論計算，軸承的滾動體故障特征頻率為106.35Hz及內(nèi)圈故障特征頻率為26.35Hz，由此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一樣。27包絡(luò)法包絡(luò)法，包絡(luò)法將與故障有

18、關(guān)的信號從高頻調(diào)制信號包絡(luò)法將與故障有關(guān)的信號從高頻調(diào)制信號中取出從而避免了與其他低頻干擾的混淆，故有較高中取出從而避免了與其他低頻干擾的混淆，故有較高的靈敏度和診斷的可行性。的靈敏度和診斷的可行性。其他方法如其他方法如沖擊脈沖法沖擊脈沖法和和時序模型參數(shù)分析法時序模型參數(shù)分析法在軸在軸承診斷中應(yīng)用也比較多。承診斷中應(yīng)用也比較多。28滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷杭州軸承測試與試驗中心（HBRC）的ABLT-1A 軸承試驗機ABLT-1A 軸承試驗機29滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷(a)傳感器安裝示意圖(b)傳感器安裝實物圖30滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷試件參考特征頻率 (Hz)31滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷實驗信號采集示意圖32滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷33滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷050100150200250300350400