診斷滾動軸承故障

1、診斷滾動軸承故障(國外專家版)歐陽家百(2021.03.07)(2007-07-24 10:11:56)轉(zhuǎn)載團標簽：分類：工作資料學(xué)習(xí)公社診斷滾動軸承故障現(xiàn)代工業(yè)通用機械都配備了相當(dāng)數(shù)量的滾動軸承。一般說來，滾 動軸承都是機器中最精密的部件。通常情況下，它們的公差都保 持在機器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經(jīng)驗 表明，只有10%以下的軸承能夠運行到設(shè)計壽命年限。而大約 40%的軸承失效是由于潤滑引起的故障，30%失效是由于不對中 或“卡住等裝配失誤，還有20%的失效是由過載使用或制造上缺 陷等其它原因所致。如果機器都逬行了精確對中和精確平衡，不在共振頻率附近運 轉(zhuǎn)，并且軸承潤滑良

2、好，那么機器運行就會非?？煽俊C器的實 際壽命也會接近其設(shè)計壽命。然而遺憾的是，大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場都 沒有做到這些。因此有很多軸承都因為磨損而永久失效。我們的 工作是要檢測出早期癥狀并估計故障的嚴重程度。振動分析和磨 損顆粒分析都是很好的診斷方法。1、頻譜特征故障軸承會產(chǎn)生與IX基頻倍數(shù)不完全相同的振動分量換言 之，它們不是同步的分量。對振動分析人員而言，如果在振動頻 譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量那么極有可能是軸承出現(xiàn)故障的警告信號。振動分析人員應(yīng)該馬上診斷并排除是否是其它故障引起的這些不 同步分量。如果我們看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關(guān)。如果 同時還有諧波和邊頻帶出現(xiàn)，那么軸承磨損的可能性就非

3、常大一 這時候我們甚至不需要再去了解軸承準確的擾動頻率。2、擾動頻率計算有四個與軸承相關(guān)的擾動頻率：球過內(nèi)圈頻率（BPI）、球過外 圈頻率（BPO）.保持架頻率（FT）和球的自旋頻率（BS） o 軸承的四個物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑和接觸角。其 中，BPI和BPO的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果BPO等 于3.2X, BPI等于4.8X,那么滾珠/滾柱的數(shù)量必定是8。軸承擾動頻率的計算公式如下：v如下圖所示注意：BS的值可能會加倍，因為所給的公式針對的是球撞擊內(nèi) 圈或外圈的情況。如果有庇點的滾球/滾柱同時撞擊內(nèi)圈和外 圈，那么其頻率值應(yīng)該加倍。需要說明的是由于受到各種實際情況如滑動

4、、打滑、磨損、軸承 各參數(shù)的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，所計算出 來的頻率值可能會與真實值有小范圍的差異。在檢查過程中我們可能會經(jīng)常涉及到滾珠的數(shù)目，對于軸承而言 我們所能了解到的信息可能只有滾珠（或滾柱）的數(shù)目。如果能 夠根據(jù)頻譜（或其它地方）確定其中一個的擾動頻率，就可以根 據(jù)它計算出其它的頻率。対于四個擾動頻率計算還有一個近似的經(jīng)驗公式可供參考。對于8一 12個滾珠/滾柱的軸承：BPO通常等于滾珠數(shù)量的0.4倍，BPI杲滾珠數(shù)量的0.6倍，而FT等于0.4 X。v如下圖所示3、軸承失效的九個階段有人把軸承失效劃分為四個階段，在此為了描述得更加詳細將它 細分為九個階段。第一階段

5、：在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20 KHz60 KHz之 間或更高。有多種電子設(shè)備可以用來檢測這些頻率，包括峰 值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測量裝置。在這個階 段，普通的頻譜上不會出現(xiàn)任何顯示。v如下圖所示第二階段：由于軸承上的庇點增大，使它在共振（固有）頻率處發(fā)出鈴叫 聲。同時該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。v如下圖 所示第三階段：出現(xiàn)軸承故障頻率。開始的時候只能觀察到這個頻率本身。圖中 所示為軸承內(nèi)圈故障時的頻譜顯示。當(dāng)軸承磨損進一步加劇后， 在故障頻率（例子中的BPI）處的波峰值將會升高。大多數(shù)情況 下波峰值將隨著時間線性增加。如下圖所示第四階段：隨著故障的

6、發(fā)展，故障頻率將產(chǎn)生諧波。這表明發(fā)生了一定程度 的沖擊。故障頻率的諧波有時可能會比基頻波峰更早被發(fā)現(xiàn)。因 此，首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對應(yīng) 的時域波形中同時也會出現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。V如下圖所示故障頻率及其諧波的幅值在開始階段都比較低。如果我們僅僅通 過線性坐標圖表來查看數(shù)據(jù)，很容易錯過這些重要的故障信號。因此，建議結(jié)合對數(shù)坐標來進行分析，從而及時發(fā)現(xiàn)軸承故障的 早期顯示。V如下圖所示（對數(shù)坐標顯示）如果想要進行軸承的早期故障預(yù)報，那么就應(yīng)該使用加速度為單 位來采集高頻時域波形（使用加速度傳感器）一一也就杲說，不 要進行積分。加速度能突出信號中的高頻成分，這對于的應(yīng)用來

7、說是很理想的方法。第五階段：隨著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴重，振動級將繼續(xù)升 高，同時出現(xiàn)更多的諧波。由于故障自身的性質(zhì)，這時還會出現(xiàn) 邊頻帶。時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，我們甚至能夠 通過測量尖峰間的時間間隔來計算故障頻率。高頻率的軸承檢 測，如峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢都在持續(xù)上升。V如下 圖所示此時引起調(diào)制的原因有二個：第一種情形是當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)故障時， 如果它位于加載區(qū)域時，產(chǎn)生的沖擊會更加劇烈，從而產(chǎn)生更高 的振幅。當(dāng)內(nèi)圈故障位置移出加載區(qū)后，其振幅又合降低，并在 軸承頂部達到最小值。在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率將被（內(nèi)圈 的）旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，于是可以在頻譜中看到IX邊頻

8、帶出現(xiàn)。 v如下圖所示如果滾珠出現(xiàn)冋題，也會因相同的原因，產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)滾珠運轉(zhuǎn) 在載荷區(qū)會產(chǎn)生比運轉(zhuǎn)在非載荷區(qū)更強烈的沖擊。越接近載荷 區(qū)，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動。該頻率低于1 X典型的FT大約等于0.4 Xo當(dāng)能夠從頻譜中觀察到諧波，特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就 己經(jīng)能夠用肉眼觀察到了。這時候，我們就可以建議更換軸承 了。此階段，軸承損壞所產(chǎn)生的影響也能從時域波形中看出。時域波 形上的尖峰波江更加清晰和明顯，我們甚至能夠通過測量尖峰間 的時間間隔來計算故障頻率。第六階段：IX處的幅值增大，并出現(xiàn)IX的諧波，這是由于磨損引起間隙增 大的結(jié)果。V如下圖所示第七階段：現(xiàn)在看見故

9、障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經(jīng)常被叫作“干草堆 ”。這是由于寬帶噪聲所致。在靠近機器的地方，我們還能聽到 軸承發(fā)出的噪聲。在這個階段，高頻率的軸承測量量可能會逐漸 減少。如果我們用測量工具測到的振幅有下降趨勢，不要以為是 情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，而應(yīng)該盡快去定購用來更換的軸承了！ v如下圖 所示第八階段：頻譜中的“干草堆將繼續(xù)擴大，諧波隨著松動的增加而增大，高 頻率的軸承測量顯示出的趨勢可能會繼續(xù)降低，但重要的是整個 噪聲水平都在上升。我們能清晰的聽到軸承發(fā)出的聲音，這預(yù)示 著軸承即將報廢。v如下圖所示第九階段：到了這個階段以后，頻譜會變得平直，因為機器已經(jīng)不能運轉(zhuǎn) 了 ! 如下圖所示504、解調(diào)頻譜及

10、應(yīng)用振動解調(diào)可以在滾動軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息， 并且可以跟蹤軸承的故障發(fā)展，在軸承故障的不同階段中以不同 的信息反映軸承不同的故障狀態(tài)。504-1使用和認識解調(diào)以上已經(jīng)論述了如下事實：在軸承故障的早期階段可以觀察到在 機器固有頻率處的振動。軸承在固有頻率上產(chǎn)生“鳴D。軸承的 損壞所引起的沖擊導(dǎo)致軸承“鳴因此，實際得到的是故障頻 率的邊頻帶。（如在第二階段上的圖示）在軸承失效的晚期，也 能觀察到在IX邊頻帶或保持架轉(zhuǎn)速的邊頻帶調(diào)制，他們分別代 表了軸承內(nèi)圈和滾珠的故障。（如在第五階段上的圖示）504-2解調(diào)結(jié)合上述兩種情形，會想：如果能夠檢測到故障頻率邊頻帶的軸 承共振是否就還能給

11、出非常早的軸承磨損警告呢？答案是肯定 的。但是由于測量的是高頻低幅信號，因此它容易被其他振源信 號所掩蓋。一種解決方法就是對信號進行解調(diào)。簡單的說，就是 首先使用高通濾波器過濾主要的低頻成份，然后進行檢波，接著 為了抗混頻還需要使用低通濾波器去除高頻信號。仔細查看頻譜，我們合在原始信號中發(fā)現(xiàn)許多振動源，特別是那些比軸承共振幅值還高的地方。圖如果查看時域波形，會發(fā)現(xiàn)正弦信號與密集的高頻雜波相伴。動態(tài)的高頻雜波來源于軸承的“鳴D。V如下圖所示首先是要通過高通濾波器濾掉低頻信號并讓高頻信號通過。濾波器可以設(shè)置成讓高于2000HZ的頻率通過（用于軸承分析）。結(jié)果信號仍然包含高頻成份，但較高振幅的信號應(yīng)

12、已經(jīng)被過濾掉了。時域波形上也只剩下軸承的沖擊信號，這才是最重要的信其次，將頻率坐標上部的邊頻帶“迭放到基帶”上?？梢杂媒庹{(diào)器來實現(xiàn)，實際上它就相當(dāng)于一個典型的整流器（翻轉(zhuǎn)所有的負向信號）O整流的過程中會去掉負向信號，剩下的就只是正向信號了。如（Rectified signal整流信號圖所示）之后，濾掉來自其他調(diào)制源的殘余信號。一些解調(diào)器產(chǎn)品允許手 動控制濾波器，然而大多數(shù)情況下該功能都由數(shù)據(jù)采集器中的抗 混頻濾波器來完成（基于選擇的頻率范圍）。対時域波形而言，所有的高頻信息都被濾掉。有人也把它叫做“包絡(luò)檢定器二解調(diào)測試最重要的是選擇頻率范圍。一般的原則是：范圍應(yīng)控制 在1520X （也就是運行

13、速度的1520倍）之間。的目的杲要確 保最后只留下需要的調(diào)制信號。機器可能多半會有其他的調(diào)制信 號源，因此最佳的規(guī)則是：把頻率范圍設(shè)定為整個邊頻帶寬度的 半。到最后，留下的信號應(yīng)該是有一系列很強的諧波這取 決于故障的嚴重程度了。如下圖所示解調(diào)頻譜與普通振動頻譜相比有些不同。不是根據(jù)振幅大小來確 定故障的嚴重程度，而是通過測量數(shù)據(jù)間的對比分析來進行判 斷，最重要的是將波峰和噪聲水平進行比較。一般說來當(dāng)損壞程 度較低時波峰將非常小。隨著故障破壞的進一步發(fā)展，振動波峰將逐漸從噪聲中凸顯出 來。v如下圖所示當(dāng)出現(xiàn)嚴重故障時，波峰值將高出噪聲水平約20 dB （100X） o v如下圖所示當(dāng)軸承破壞非常

14、嚴重處于前廂所述的第七或第八階段時，噪聲水 平將上升到接近波峰處。這是一個非常糟糕的信號預(yù)示著軸 承即將完全失效！該過程也可適用于機器的其它故障分析：齒輪嚙合分析、電機電 流分析、電動機氣隙偏心分析和其它調(diào)制信號源。（注：在齒輪歐陽索引創(chuàng)編2021.02.02箱中經(jīng)常會發(fā)生頻率調(diào)制，這可能導(dǎo)致分析振幅解調(diào)數(shù)據(jù)時得到 錯誤的結(jié)果。這個冋題已超出本討論的范圍，但必須對此有所認 識。）軸承的解調(diào)測試的一個好處是能夠幫助我們查明具體哪個軸承出 現(xiàn)了故障。如果我們不知道軸承的詳細參數(shù)，也不知道故障頻 率，或我們知道了故障頻率，但機器上有多個同樣的軸承。那么 可以對所有的軸承進行檢測，或只取其一個作診斷測

15、試，都能把 冋題軸承找出。505、沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等不同的監(jiān)測公司往往采用了不同的監(jiān)測技術(shù)。其中包括：沖擊脈 沖法、峰值能量法、高頻檢測法等等。簡單的說，這些方法就是 利用軸承發(fā)生故障時出現(xiàn)的癥狀進行診斷，故障軸承開始會出現(xiàn) 瞬態(tài)沖擊，然后發(fā)生共振或發(fā)出鳴叫聲。而前廂討論的解調(diào)技術(shù) 將產(chǎn)生一種頻譜，沖擊脈沖法（SPM）、峰值能量法和其它一些 技術(shù)則能夠產(chǎn)生一個（或兩個）能顯示出趨勢的值。隨著趨勢值 的升高，軸承損壞的可能性也跟著增加。基本原理：由沖擊產(chǎn)生的振動把能量注入到所有的頻率中。在0- 3KHz正常頻率段內(nèi)，因為混有其它振動信號源而很難被檢測 到。但當(dāng)達到傳感器的共振頻率時，除了瞬態(tài)沖擊波外沒有其它 強的振動信號源（不平衡、不對中等都是在較低的頻率段顯示的 故障）。因此瞬態(tài)沖擊可以單獨