滾珠軸承故障診斷

1、2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)1第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪故障診斷 齒輪常見(jiàn)故障齒輪常見(jiàn)故障 齒輪振動(dòng)故障的診斷齒輪振動(dòng)故障的診斷滾珠故障診斷 滾珠軸承的故障形式與原因滾珠軸承的故障形式與原因 滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測(cè)方法滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測(cè)方法 滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障的診斷滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障的診斷2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)2第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪是最常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)零件，具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，齒輪是最常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)零件，具有結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，工作可靠，理論傳動(dòng)比恒定不變和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。工作可靠，理論傳

2、動(dòng)比恒定不變和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)：不能緩和沖擊作用。當(dāng)制造不精確，材質(zhì)不良，熱處主要缺點(diǎn)：不能緩和沖擊作用。當(dāng)制造不精確，材質(zhì)不良，熱處理不當(dāng)，使用條件惡劣，安裝不正確時(shí)，往往會(huì)引起較大的振動(dòng)、噪理不當(dāng)，使用條件惡劣，安裝不正確時(shí)，往往會(huì)引起較大的振動(dòng)、噪聲和斷裂等故障。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(jī)械中，既有減速用的齒輪副多數(shù)安裝在齒輪箱內(nèi)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)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(guān)系到整個(gè)機(jī)齒輪箱，又有增速用的齒輪箱，它的工作狀態(tài)好壞直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組能否正常運(yùn)行，因此，要提高對(duì)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)水平，需要重視對(duì)組能否正常運(yùn)行

3、，因此，要提高對(duì)機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)水平，需要重視對(duì)齒輪和齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。齒輪和齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dá)在齒輪箱中，齒輪本身產(chǎn)生的故障比例最大，故障率達(dá)60%，其，其余零件中的故障率為：軸承占余零件中的故障率為：軸承占19%，軸占，軸占10%，箱體占，箱體占7%，緊固件占，緊固件占3%，油封占，油封占1%。而從引起故障原因上分析，屬于維護(hù)、操作不當(dāng)又。而從引起故障原因上分析，屬于維護(hù)、操作不當(dāng)又占了最大比重。占了最大比重。5.1 齒輪常見(jiàn)故障齒輪常見(jiàn)故障 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)3第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾

4、珠軸承故障診斷 齒的斷裂：齒的斷裂：在運(yùn)行過(guò)程中承受載荷的輪齒，如同懸臂梁，其根部收在運(yùn)行過(guò)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(yīng)力作用最大，當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過(guò)齒輪材料到脈沖循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用最大，當(dāng)這種周期性應(yīng)力超過(guò)齒輪材料的疲勞極限時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展。當(dāng)剩余部分無(wú)法的疲勞極限時(shí)，會(huì)在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展。當(dāng)剩余部分無(wú)法承傳動(dòng)在何時(shí)就會(huì)發(fā)生斷齒現(xiàn)象。承傳動(dòng)在何時(shí)就會(huì)發(fā)生斷齒現(xiàn)象。 齒面疲勞：齒面疲勞： 齒輪在實(shí)際嚙合過(guò)程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑齒輪在實(shí)際嚙合過(guò)程中，既有相對(duì)滾動(dòng)，又有相對(duì)滑動(dòng)，而且相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動(dòng)動(dòng)

5、，而且相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的方向相反，從而產(chǎn)生脈動(dòng)載荷。載荷和脈動(dòng)力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)裙環(huán)變化的載荷。載荷和脈動(dòng)力的作用使齒輪表面層深處產(chǎn)生脈動(dòng)裙環(huán)變化的剪應(yīng)力，當(dāng)這種剪應(yīng)力超過(guò)齒輪材料的疲勞極限時(shí)，接觸表面將產(chǎn)剪應(yīng)力，當(dāng)這種剪應(yīng)力超過(guò)齒輪材料的疲勞極限時(shí)，接觸表面將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展；最終使齒面剝落小片金屬，在齒面生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展；最終使齒面剝落小片金屬，在齒面上形成小坑稱之為點(diǎn)蝕。當(dāng)上形成小坑稱之為點(diǎn)蝕。當(dāng)“點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕”擴(kuò)大連成片時(shí)，形成齒面上擴(kuò)大連成片時(shí)，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金屬塊剝落。此外，村質(zhì)不均勻或

6、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。先出現(xiàn)接觸疲勞，產(chǎn)生剝落。5.1 齒輪常見(jiàn)故障齒輪常見(jiàn)故障 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)4第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷 齒面磨損：齒面磨損： 潤(rùn)滑油不足或油質(zhì)不清潔會(huì)造成齒面磨粒磨損，使齒廓潤(rùn)滑油不足或油質(zhì)不清潔會(huì)造成齒面磨粒磨損，使齒廓改變，側(cè)隙加大，以至由于齒輪過(guò)度減薄導(dǎo)致斷齒。一般情況下，改變，側(cè)隙加大，以至由于齒輪過(guò)度減薄導(dǎo)致斷齒。一般情況下，只有在潤(rùn)滑油中夾雜有磨粒時(shí)，才會(huì)在運(yùn)行中引起齒面磨粒磨損。只有在潤(rùn)滑油中夾雜有磨粒時(shí)，才會(huì)在運(yùn)行中引起齒面磨粒磨損。 齒面膠合和擦傷：齒面膠合和擦傷： 對(duì)

7、于重載和高速齒輪的傳動(dòng)，齒面工作區(qū)溫度對(duì)于重載和高速齒輪的傳動(dòng)，齒面工作區(qū)溫度很高，一旦潤(rùn)滑條件不良，齒面間的油膜便會(huì)消失，一個(gè)齒面的金很高，一旦潤(rùn)滑條件不良，齒面間的油膜便會(huì)消失，一個(gè)齒面的金同會(huì)熔焊在與之嚙合的另一個(gè)齒面上，在齒面上形成垂直于節(jié)線的同會(huì)熔焊在與之嚙合的另一個(gè)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(shí)，常在某一局部產(chǎn)生這劃痕狀膠合。新齒輪未經(jīng)磨合便投入使用時(shí)，常在某一局部產(chǎn)生這種現(xiàn)象，使齒輪揀傷。種現(xiàn)象，使齒輪揀傷。5.1 齒輪常見(jiàn)故障齒輪常見(jiàn)故障 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)5第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷 齒

8、輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)彈性的機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)彈性的機(jī)械系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)激勵(lì)力的作用下將產(chǎn)械系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)激勵(lì)力的作用下將產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。右圖所示為一對(duì)齒輪的生振動(dòng)響應(yīng)。右圖所示為一對(duì)齒輪的力學(xué)模型。如不考慮齒面摩擦力的影力學(xué)模型。如不考慮齒面摩擦力的影響，將振動(dòng)系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)來(lái)考慮響，將振動(dòng)系統(tǒng)作為線性系統(tǒng)來(lái)考慮時(shí)，其力的平衡式為：時(shí)，其力的平衡式為：5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 式中式中:x在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)生的齒輪相對(duì)位移；生的齒輪相對(duì)位移；M齒輪副的等效質(zhì)量，齒輪副的等效質(zhì)量，M= m1為小量齒輪等效質(zhì)量；為小量齒輪等效質(zhì)量；m2為大為大

9、齒輪等效質(zhì)；齒輪等效質(zhì)；2121mmmm)()(21tKxtkxCxM C 齒輪嚙合阻尼；齒輪嚙合阻尼；K(t)齒輪嚙合剛度，嚙合剛度隨齒輪嚙合剛度，嚙合剛度隨時(shí)時(shí) 間間t變化；變化；1齒輪受載后的平均彈性變形；齒輪受載后的平均彈性變形；2齒輪傳動(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引齒輪傳動(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引起兩齒輪間的相對(duì)位移。起兩齒輪間的相對(duì)位移。5.2.1 齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)6第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 故障激勵(lì)故障激勵(lì): :n 剛度激勵(lì)：剛度激勵(lì)： 一是隨著嚙合點(diǎn)位一是隨著嚙

10、合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一輪齒置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。合的齒數(shù)在變化。n 傳動(dòng)誤差傳動(dòng)誤差：制造誤差，裝配誤差：制造誤差，裝配誤差，齒面損傷，外部激勵(lì)。，齒面損傷，外部激勵(lì)。n 嚙合沖擊嚙合沖擊n 節(jié)線沖擊節(jié)線沖擊5.2.1 齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)7第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒

11、輪嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)；另一部分為低頻成分的幅值和相輪嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)；另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。位變化所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)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故障的特征信息齒輪嚙合頻率：齒輪嚙合頻率： fm=f1z1=f2z2式中式中 f1、f2主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率；主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率； z1、z2主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù)。主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù)。嚙合頻率及其諧波嚙合頻率及其諧波 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

12、嚙合狀況變其諧波具有較低的幅值。輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的壞，嚙合頻率的諧波諧波成分幅值就會(huì)明顯增大成分幅值就會(huì)明顯增大。一般是磨損、間隙和游隙過(guò)大等故障。一般是磨損、間隙和游隙過(guò)大等故障。 fr fm 2fm 3fm 4fm f2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)8第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 5.2.2 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 齒輪中各種故障在運(yùn)行中具體反映為一個(gè)傳動(dòng)誤差問(wèn)題，傳動(dòng)誤差齒輪中各種故障在運(yùn)行中具體反映為一個(gè)傳動(dòng)誤差問(wèn)題，傳動(dòng)誤差大，則齒輪在傳動(dòng)中發(fā)生忽快忽慢轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)

13、的碰大，則齒輪在傳動(dòng)中發(fā)生忽快忽慢轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動(dòng)峰值，形成短暫時(shí)間的幅值變化和相位變化。撞加劇，產(chǎn)生較高的振動(dòng)峰值，形成短暫時(shí)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(gè)高頻振蕩的載波信號(hào)，把齒輪的嚙合頻率及其各次諧波看作為一個(gè)高頻振蕩的載波信號(hào)，而那些周期性出現(xiàn)的故障信號(hào)可看作調(diào)制信號(hào)。而那些周期性出現(xiàn)的故障信號(hào)可看作調(diào)制信號(hào)。 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，引，引起頻率或相位變化的產(chǎn)生起頻率或相位變化的產(chǎn)生。 信號(hào)調(diào)制和邊帶分析信號(hào)調(diào)制和邊帶分析 2022-6-28工

14、業(yè)裝備故障診斷技術(shù)9第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 5.2.2 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息載波信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)幅值調(diào)制后的信號(hào)幅值調(diào)制后的信號(hào)齒面上載荷波動(dòng)、節(jié)圓中心的偏心齒面上載荷波動(dòng)、節(jié)圓中心的偏心等因素均可產(chǎn)生扭矩的周期性變化等因素均可產(chǎn)生扭矩的周期性變化，這些因素反映在輪齒上是周期性，這些因素反映在輪齒上是周期性的嚙合力變化，時(shí)而的嚙合力變化，時(shí)而“加載加載”，時(shí)，時(shí)而而“卸載卸載”，形成了幅值調(diào)制效應(yīng)，形成了幅值調(diào)制效應(yīng)。幅值調(diào)制就是一種調(diào)幅波，振蕩。幅值調(diào)制就是一種調(diào)幅波，振蕩波形周期性地高

15、低起伏，其中頻率波形周期性地高低起伏，其中頻率較高的嚙合頻率較高的嚙合頻率fm稱為載波頻率；稱為載波頻率；頻率較低的故障信號(hào)頻率頻率較低的故障信號(hào)頻率fr稱為調(diào)稱為調(diào)制頻率。齒輪旋轉(zhuǎn)一周，故障信號(hào)制頻率。齒輪旋轉(zhuǎn)一周，故障信號(hào)重復(fù)一次重復(fù)一次 frfrfm2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)10第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 5.2.2 齒輪故障的特征信息齒輪故障的特征信息 齒輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，因加工中分度齒輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，因加工中分度誤差而導(dǎo)致齒距不均勻，輪齒產(chǎn)生周誤差而導(dǎo)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

16、嚙期性的周節(jié)誤差，齒輪軸偏心引起嚙合速率的變化，周期性扭矩（負(fù)荷）合速率的變化，周期性扭矩（負(fù)荷）變化引起的速度變化等因素均可引起變化引起的速度變化等因素均可引起頻率調(diào)制現(xiàn)象。頻率調(diào)制現(xiàn)象。 在齒輪實(shí)際故障中，調(diào)幅與調(diào)頻兩種現(xiàn)象可能同時(shí)存在，形成交在齒輪實(shí)際故障中，調(diào)幅與調(diào)頻兩種現(xiàn)象可能同時(shí)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(duì)稱分布于載波頻率兩側(cè)的共同特點(diǎn)均為齒輪的轉(zhuǎn)速頻率，以及邊帶對(duì)稱分布于載波頻率兩側(cè)的共同特點(diǎn)，因此調(diào)頻與調(diào)幅綜合影響的結(jié)果，在頻譜圖上得到嚙合頻率及

17、其諧，因此調(diào)頻與調(diào)幅綜合影響的結(jié)果，在頻譜圖上得到嚙合頻率及其諧波的兩側(cè)具有一系列邊頻。波的兩側(cè)具有一系列邊頻。 tr= 1/ frfm fr 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)11第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.2.3 齒輪故障信號(hào)的頻域特征齒輪故障信號(hào)的頻域特征n 齒輪均勻性磨損、齒輪徑向間隙過(guò)齒輪均勻性磨損、齒輪徑向間隙過(guò)大、不適當(dāng)?shù)凝X輪游隙以及齒輪負(fù)大、不適當(dāng)?shù)凝X輪游隙以及齒輪負(fù)荷過(guò)大等故障。荷過(guò)大等故障。 5.2 齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理齒輪故障的振動(dòng)機(jī)理 fr fm 2fm 3fm 4fm fn 齒面剝落、裂紋以及齒齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障。

18、的斷裂等局部性故障。n 齒的斷裂或裂紋，每當(dāng)輪齒進(jìn)入嚙合時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，這種齒的斷裂或裂紋，每當(dāng)輪齒進(jìn)入嚙合時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，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（約在一般都為高頻（約在110kHz范圍內(nèi)）。范圍內(nèi)）。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)12第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷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(dòng)信號(hào)在頻域和時(shí)域內(nèi)診斷。在齒輪故障診斷的基本方法是利用振動(dòng)信號(hào)在頻域和時(shí)域內(nèi)診斷。在頻域上診斷主要是提取頻域上診斷主要是提取信息，常用的方法有

19、：信息，常用的方法有： 5.3 齒輪故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法 細(xì)化譜（細(xì)化譜（ZOOMFFT）是用來(lái)增加頻譜中某些有限頻段上的分辨）是用來(lái)增加頻譜中某些有限頻段上的分辨能力，即所謂能力，即所謂“局部頻率擴(kuò)展局部頻率擴(kuò)展”方法。通常標(biāo)準(zhǔn)頻譜，在譜圖上的頻率方法。通常標(biāo)準(zhǔn)頻譜，在譜圖上的頻率是從零赫茲到最高分析頻率。細(xì)化分析，分辨以嚙合頻率為中心，兩邊是從零赫茲到最高分析頻率。細(xì)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分布著以故障特征頻率為間隔的邊頻帶 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)13第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3 齒輪

20、故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法 美國(guó)孟山都（美國(guó)孟山都（Monsanto）石）石油化工公司的一臺(tái)齒輪減速箱。油化工公司的一臺(tái)齒輪減速箱。如圖如圖5-21所示，輸入軸轉(zhuǎn)速為所示，輸入軸轉(zhuǎn)速為1 2 0 0 r / m i n ， 輸 出 軸 轉(zhuǎn) 速 為， 輸 出 軸 轉(zhuǎn) 速 為52.7r/min，中間經(jīng)二級(jí)減速。在，中間經(jīng)二級(jí)減速。在輸入高速軸一端產(chǎn)生很高幅度的輸入高速軸一端產(chǎn)生很高幅度的振動(dòng)。振動(dòng)。2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)14第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3 齒輪故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法 停機(jī)后打開齒輪箱觀察，證明小齒輪的一齒斷裂。停機(jī)后打

21、開齒輪箱觀察，證明小齒輪的一齒斷裂。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)15第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.3 齒輪故障的診斷方法齒輪故障的診斷方法 倒頻譜（倒頻譜（Cepstrum）的）的定義是功率譜對(duì)數(shù)的功率譜定義是功率譜對(duì)數(shù)的功率譜（傅里葉逆變換），即把時(shí)（傅里葉逆變換），即把時(shí)間信號(hào)間信號(hào)x(t)的功率譜函數(shù)的功率譜函數(shù)G(f)取對(duì)數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換取對(duì)數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換。把周期性的頻率結(jié)構(gòu)在倒。把周期性的頻率結(jié)構(gòu)在倒頻譜上變?yōu)閱胃V線及其高頻譜上變?yōu)閱胃V線及其高階譜線。階譜線。 （2000譜線）（400譜線）（圖b的倒譜圖）1-嚙合頻率；嚙合頻率

22、；2,3-高次諧波；高次諧波；A1A3周期為周期為11.8ms諧波；諧波；B1B3周期為周期為20ms諧波諧波 倒頻譜的優(yōu)點(diǎn)：倒頻譜的優(yōu)點(diǎn)：1.1.有效地提取和識(shí)別頻譜上有效地提取和識(shí)別頻譜上的周期性信號(hào)；的周期性信號(hào)；2.2.受傳遞途徑影響小。受傳遞途徑影響小。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)16 滾動(dòng)軸承因其摩擦系數(shù)??；運(yùn)轉(zhuǎn)精度高；對(duì)潤(rùn)滑劑的粘度不敏感，大滾動(dòng)軸承因其摩擦系數(shù)?。贿\(yùn)轉(zhuǎn)精度高；對(duì)潤(rùn)滑劑的粘度不敏感，大多數(shù)滾動(dòng)軸承可使用潤(rùn)滑脂，不需要像滑動(dòng)軸承那樣一套復(fù)雜的供油系統(tǒng)多數(shù)滾動(dòng)軸承可使用潤(rùn)滑脂，不需要像滑動(dòng)軸承那樣一套復(fù)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

23、件有變化和可靠性要求高；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(chǎng)合下工作；大多數(shù)類型的軸承能承受徑向和軸向負(fù)荷；更重要的是滾的場(chǎng)合下工作；大多數(shù)類型的軸承能承受徑向和軸向負(fù)荷；更重要的是滾動(dòng)軸承產(chǎn)品已國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，易于大批量生產(chǎn)，成本低廉，互換性好。它的動(dòng)軸承產(chǎn)品已國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，易于大批量生產(chǎn)，成本低廉，互換性好。它的缺點(diǎn)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(dòng)軸承缺點(diǎn)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(dòng)軸承在滾動(dòng)體上的載荷分布是不均勻的，在載荷線下面的一個(gè)滾動(dòng)體受力最大在滾動(dòng)體上的載荷分布是不均勻的，在載荷線下面的一個(gè)滾動(dòng)體受力最大，

24、因此軸承工作時(shí)，內(nèi)圈和外圈上各點(diǎn)所受的應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是不同，因此軸承工作時(shí)，內(nèi)圈和外圈上各點(diǎn)所受的應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是不同的，這些對(duì)軸承的損壞都有很大影響。的，這些對(duì)軸承的損壞都有很大影響。第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 旋轉(zhuǎn)機(jī)械是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作的重點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作的重點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有相當(dāng)大比例與軸承有關(guān)。滾動(dòng)軸承是機(jī)器的易損件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)有相當(dāng)大比例與軸承有關(guān)。滾動(dòng)軸承是機(jī)器的易損件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30是因滾動(dòng)軸承引起

25、的，由此可見(jiàn)滾動(dòng)軸承故障是因滾動(dòng)軸承引起的，由此可見(jiàn)滾動(dòng)軸承故障診斷工作的重要性。診斷工作的重要性。2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)17第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)18第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 滾動(dòng)體在滾道上由于反復(fù)承受載荷，工作到一定時(shí)滾動(dòng)體在滾道上由于反復(fù)承受載荷，工作到一定時(shí)間后，首先在接觸表面一定深度處形成裂紋（該處的剪應(yīng)力最大），間后，首先在接觸表面一定深度處形成裂

26、紋（該處的剪應(yīng)力最大），然后逐漸發(fā)展到接觸表面，然后逐漸發(fā)展到接觸表面，5.4.1 滾動(dòng)軸承的主要故障形式滾動(dòng)軸承的主要故障形式 滾動(dòng)體與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及外界污物的侵入，是軸滾動(dòng)體與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑不良，裝配不正確均會(huì)加劇磨損承工作面產(chǎn)生磨損的直接原因。潤(rùn)滑不良，裝配不正確均會(huì)加劇磨損或擦傷。磨損量較大時(shí)，軸承游隙增大，不僅降低了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度或擦傷。磨損量較大時(shí)，軸承游隙增大，不僅降低了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，也會(huì)帶來(lái)機(jī)器的振動(dòng)和噪聲，對(duì)于精密機(jī)械用的軸承，磨損量就成，也會(huì)帶來(lái)機(jī)器的振動(dòng)和噪聲，對(duì)于精密機(jī)械用的軸承，磨損量就成為限定軸承

27、使用壽命的主要因素。為限定軸承使用壽命的主要因素。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)19第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.1 滾動(dòng)軸承的主要故障形式滾動(dòng)軸承的主要故障形式 銹蝕是由于空氣中或外界的水分帶入軸承中，或者機(jī)器銹蝕是由于空氣中或外界的水分帶入軸承中，或者機(jī)器在腐蝕性介質(zhì)中工作，軸承密封不嚴(yán)，從而引起化學(xué)腐蝕。銹蝕產(chǎn)生在腐蝕性介質(zhì)中工作，軸承密封不嚴(yán)，從而引起化學(xué)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(huì)引起保持架磨的銹斑使軸承工作表面產(chǎn)生早期剝落，而端面生銹則會(huì)引起保持架磨損。電蝕主要是

28、轉(zhuǎn)子帶電，在一定條件下，電流擊穿油膜而形成電火損。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?；ǚ烹?，使軸承工作表面形成密集的電流凹坑。 軸承零件的裂紋和斷裂是最危險(xiǎn)的一種損壞形式，這主要是由軸承零件的裂紋和斷裂是最危險(xiǎn)的一種損壞形式，這主要是由于軸承超負(fù)荷運(yùn)行、金屬材料有缺陷和熱處理不良所引起的。轉(zhuǎn)速過(guò)于軸承超負(fù)荷運(yùn)行、金屬材料有缺陷和熱處理不良所引起的。轉(zhuǎn)速過(guò)高，潤(rùn)滑不良，軸承在軸上壓配過(guò)盈量太大以及過(guò)大的熱應(yīng)力會(huì)引起高，潤(rùn)滑不良，軸承在軸上壓配過(guò)盈量太大以及過(guò)大的熱應(yīng)力會(huì)引起裂紋和斷裂。裂紋和斷裂。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷

29、技術(shù)20第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.2 滾動(dòng)軸承故障的檢測(cè)方法滾動(dòng)軸承故障的檢測(cè)方法 滾動(dòng)軸承雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是損傷形態(tài)卻是多種多樣，振動(dòng)信號(hào)滾動(dòng)軸承雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是損傷形態(tài)卻是多種多樣，振動(dòng)信號(hào)的頻帶非常寬廣，大量機(jī)器的噪聲使一般檢測(cè)裝置很難直接找出它的的頻帶非常寬廣，大量機(jī)器的噪聲使一般檢測(cè)裝置很難直接找出它的故障特征頻率。故障特征頻率。 檢測(cè)方法檢測(cè)方法損傷現(xiàn)象損傷現(xiàn)象振動(dòng)和振動(dòng)和聲聲 音音溫度溫度磨損顆粒磨損顆粒軸承間隙軸承間隙油膜電阻油膜電阻剝剝 落落裂裂 紋紋壓壓 痕痕磨磨 損損腐腐 蝕蝕污污 斑斑燒燒

30、 傷傷生生 銹銹可否在轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)定可否在轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)定可以可以可以可以不可以不可以不可以不可以可以可以* *檢測(cè)方法的適用性：檢測(cè)方法的適用性：有效；有效；有可能性；有可能性；不適用。不適用。2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)21 當(dāng)滾動(dòng)體和滾道接觸處遇到一個(gè)局部缺陷時(shí)，就有一個(gè)沖擊信號(hào)當(dāng)滾動(dòng)體和滾道接觸處遇到一個(gè)局部缺陷時(shí)，就有一個(gè)沖擊信號(hào)產(chǎn)生。缺陷在不同元件上，接觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)缺陷的頻率是不相同的，這個(gè)產(chǎn)生。缺陷在不同元件上，接觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)缺陷的頻率是不相同的，這個(gè)頻率就稱為沖擊的間隔頻率或特征頻率。頻率就稱為沖擊的間隔頻率或特征頻率。第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾

31、動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.2 滾動(dòng)軸承故障缺陷產(chǎn)生的間隔頻率滾動(dòng)軸承故障缺陷產(chǎn)生的間隔頻率缺陷位置缺陷位置沖擊振動(dòng)發(fā)生的間隔頻率沖擊振動(dòng)發(fā)生的間隔頻率HzHz備備 注注內(nèi)內(nèi) 圈圈Z Z個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上一處個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上一處缺陷的頻率缺陷的頻率外外 圈圈Z Z個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)外圈上一處個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)外圈上一處缺陷的頻率缺陷的頻率滾滾動(dòng)動(dòng)體體沖擊單沖擊單側(cè)滾道側(cè)滾道即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率沖擊兩沖擊兩側(cè)滾道側(cè)滾道滾動(dòng)體上一處缺陷沖擊內(nèi)、滾動(dòng)體上一處缺陷沖擊內(nèi)、外圈滾道的頻率外圈滾道的頻率保持架與保持架與外圈摩擦外圈摩擦即保持架的轉(zhuǎn)速頻率即保持架的轉(zhuǎn)速頻率fc c保持架與保

32、持架與內(nèi)圈摩擦內(nèi)圈摩擦亦即一個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上亦即一個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上某一點(diǎn)的頻率某一點(diǎn)的頻率zDdnfmi)cos1 (602)cos1 (6022202mmDddDnf)cos1 (602micDdnf)cos1 (602mecDdnf)cos1 (60222201mmDddDnfzDdnfme)cos1 (6022022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)22軸承彈性特性引起的振動(dòng)軸承彈性特性引起的振動(dòng) 軸承彈性特性除了引起套圈振動(dòng)之外，滾動(dòng)體也會(huì)像一個(gè)軸承彈性特性除了引起套圈振動(dòng)之外，滾動(dòng)體也會(huì)像一個(gè)“彈簧彈簧”那那樣產(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。樣產(chǎn)生彈性變形，

33、但是它的剛性很高，并且具有非線性彈簧的特性。振動(dòng)頻率有軸的轉(zhuǎn)速頻率振動(dòng)頻率有軸的轉(zhuǎn)速頻率f、高次諧波、高次諧波if和分?jǐn)?shù)諧波（和分?jǐn)?shù)諧波（i=1，2，3的正的正整數(shù)）。不過(guò)球軸承的彈性特性具有對(duì)稱型的非線性，一般產(chǎn)生奇數(shù)整數(shù)）。不過(guò)球軸承的彈性特性具有對(duì)稱型的非線性，一般產(chǎn)生奇數(shù)倍轉(zhuǎn)速頻率倍轉(zhuǎn)速頻率f 的諧波振動(dòng)。的諧波振動(dòng)。 第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.3 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷滾動(dòng)體通過(guò)載荷方向產(chǎn)生的振動(dòng)滾動(dòng)體通過(guò)載荷方向產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)頻率：激勵(lì)頻率：fe=z fc 套圈的固有振動(dòng)套圈的固有

34、振動(dòng)套圈的固有振動(dòng)主要表現(xiàn)在外圈上，因?yàn)橐话爿S承中外圈與軸承殼體套圈的固有振動(dòng)主要表現(xiàn)在外圈上，因?yàn)橐话爿S承中外圈與軸承殼體為動(dòng)配合，外圈在殼體內(nèi)可以自由活動(dòng)，因此軸承上受到任何沖擊性為動(dòng)配合，外圈在殼體內(nèi)可以自由活動(dòng)，因此軸承上受到任何沖擊性的激勵(lì)力，均可激起外圈產(chǎn)生固有頻率的振動(dòng)。的激勵(lì)力，均可激起外圈產(chǎn)生固有頻率的振動(dòng)。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)23第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.3 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率“窗口窗口”的選擇的選擇 滾動(dòng)軸承存在故障時(shí)，由故

35、障所引發(fā)的激振力可以分成三種類型。滾動(dòng)軸承存在故障時(shí)，由故障所引發(fā)的激振力可以分成三種類型。 第一類第一類是由于磨損、腐蝕、潤(rùn)滑不良和混入異物等原因而產(chǎn)生表是由于磨損、腐蝕、潤(rùn)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(shí)，將以面粗糙樣的損傷，使接觸表面的凹凸不平度變大，軸承工作時(shí)，將以寬頻帶的隨機(jī)激勵(lì)連續(xù)地激發(fā)軸承振動(dòng)，激勵(lì)力的波形是隨機(jī)的，雜寬頻帶的隨機(jī)激勵(lì)連續(xù)地激發(fā)軸承振動(dòng)，激勵(lì)力的波形是隨機(jī)的，雜亂無(wú)章的。亂無(wú)章的。 第二類第二類是由于剝落、壓痕、裂紋等局部缺陷所引起的沖擊性激勵(lì)是由于剝落、壓痕、裂紋等局部缺陷所引起的沖擊性激勵(lì)，滾動(dòng)體每經(jīng)過(guò)缺陷處

36、一次，產(chǎn)生一次沖擊，激勵(lì)力為尖峰形的脈沖，滾動(dòng)體每經(jīng)過(guò)缺陷處一次，產(chǎn)生一次沖擊，激勵(lì)力為尖峰形的脈沖波，脈沖波的強(qiáng)度取決于表面損傷的程度。波，脈沖波的強(qiáng)度取決于表面損傷的程度。 第三類第三類是由于滾道面幾何形狀偏差（如內(nèi)外圈波紋，滾動(dòng)體不圓是由于滾道面幾何形狀偏差（如內(nèi)外圈波紋，滾動(dòng)體不圓）、滾動(dòng)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)）、滾動(dòng)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(lì)，這一類激勵(lì)是穩(wěn)態(tài)的，基本上呈正弦波形狀。生的激勵(lì)，這一類激勵(lì)是穩(wěn)態(tài)的，基本上呈正弦波形狀。 2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)24第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸

37、承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.3 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率“窗口窗口”的選擇的選擇 故障的軸承，往往同時(shí)存在幾種激勵(lì)力。故障的軸承，往往同時(shí)存在幾種激勵(lì)力。 ABC2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)25第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.3 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法傳感器及其安裝位置的選擇傳感器及其安裝位置的選擇 軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾道接觸面上的高低不平和局部缺陷所產(chǎn)生的的沖擊軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾道接觸面上的高低不平和局部缺陷所

38、產(chǎn)生的的沖擊性振動(dòng)，將以壓縮波的形式從接觸點(diǎn)出發(fā)呈半球形波面向外傳播。傳感性振動(dòng)，將以壓縮波的形式從接觸點(diǎn)出發(fā)呈半球形波面向外傳播。傳感器安裝位置應(yīng)選擇在對(duì)檢測(cè)沖擊脈沖信號(hào)較高靈敏度的區(qū)域，且不越過(guò)器安裝位置應(yīng)選擇在對(duì)檢測(cè)沖擊脈沖信號(hào)較高靈敏度的區(qū)域，且不越過(guò)界面。界面。 徑向軸承徑向軸承止推軸承止推軸承2022-6-28工業(yè)裝備故障診斷技術(shù)26第第5章章 齒輪和滾珠軸承故障診斷齒輪和滾珠軸承故障診斷5.4 滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承故障診斷 5.4.3 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷方法傳感器及其安裝位置的選擇傳感器及其安裝位置的選擇 根據(jù)滾動(dòng)袖承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用條件不同，它所引起的振動(dòng)可能是頻根據(jù)滾動(dòng)袖承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用條件不同，它所引起的振動(dòng)可能是頻率約為率約為1kHz以下的低頻脈動(dòng)（通過(guò)振動(dòng)），也可能是頻率在以下的低頻脈動(dòng)（通過(guò)振動(dòng)），也可能是頻率在 1kHz 以以上，數(shù)千赫茲至數(shù)十千赫的高頻振動(dòng)（固有振動(dòng)），通常情況下是同上，數(shù)千赫茲至數(shù)十千赫的高頻振動(dòng)（固有振動(dòng)），通常情況下是同時(shí)包含了上述兩種振動(dòng)成分。因此，一般采用加速度傳感器可同時(shí)覆時(shí)包含了上述兩種振動(dòng)成分。因