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1、第章 滚动轴承的振动诊断 .轴承主要故障形式 .滚动轴承振动信号特征 .滚动轴承故障诊断法 机械故障诊断学 Anhui University of Technology Anhui University of Technology .轴承主要故障形式 一、概述 u滚动轴承是机器中最易损坏的零件之一，约占旋转机械故障的 30% u产生各种各样轴承缺陷原因：由于设计、加工、安装不好，或轴承 服役条件不佳，突出载荷的袭击等，运行一段时间后出现 u检测这些缺陷的方法很多，如：振动信号检测、声发射、铁谱等技 术或直接测定温度 （车轮轴承温度监测）。 u振动监测技术最为可靠容易实现 因为大部分可归纳为表面
2、劣化而使振动加剧，所以与表面状态有关 的振动信号成了检测轴承状态的重要资料 u专用仪器，如：测定波峰因素的BK-2511振动仪、日本NB-3轴承监 视器、瑞典MEPA-43冲击脉冲仪、SPM及美国IRD820振动脉冲能量 和峰值分析仪（用于在线） 研究目标 Anhui University of Technology .轴承主要故障形式 二、轴承主要故障形式 磨损：磨料磨损（杂质）和摩擦磨损（润滑恶化） 疲劳剥落：交变应力作用、微小裂纹的发展、生绣等原因引起 裂纹：由材料缺陷或交变载荷、应力集中、润滑不良等引起 腐蚀：湿气或水侵入润滑油、较大电流引起电腐蚀（铜铝管） 压痕：过载、撞击或异物进入
3、滚道 胶合和点蚀：因为各种原因，当轴承在高温、高速、重载、瞬 间载荷等使用条件下，滚道或滚动体表面产生微小烧损点，滚道 和滚动体表面温度过高而使局部熔合在一起即胶合。 其他故障形式：破损、烧损、电蚀等 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承振动信号特征 1.不考虑接触变形；2.纯滚动；3.忽略径向游隙；4.不考虑润滑 油膜；5.外圈不动。 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承振动信号特征 滚动轴承元件出现缺陷时，随着轴承的旋转，缺陷每接触一次就 会产生一次冲击振动，具有一定的周期性，其振动频率在020kH
4、z。 一、 滚动轴承的低频振动（接触频率-缺陷特征频率） 内圈旋转频率 滚珠通过内圈滚道 滚珠通过外圈滚道 滚动体自转 保持架旋转频率 式中：z滚动体个数；d滚动体直径；D滚道节径；f0轴承回转频率，为 每秒转数n/60。 接触角：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角。 研究目标 Anhui University of Technology 与轴承结构有关 (由于外力的激励就会引起振动，不管轴承有无故障均存 在，但不能表征轴承的异常，所以要加以区分类型 ) .滚动轴承振动信号特征 二、 滚动轴承的固有频率（共振频率） 钢球的固有频率为 轴承圈在圈平面内 的固有频率（内外 圈弯曲方向的）为 式中
5、：E弹性模量；I轴承圈横截面的惯性矩；材料密度；A轴承圈横截面积 ；n振动阶数。G重力加速度；R钢球半径；D轴承圈横截面中性轴直径。 此为圆环弯曲方向的振动频率，还有内外径半径方向、扭力方向的振动， 式中计算为单体共振频率，具结构其计算有变化。一般固有频率在数千HZ到数 十千HZ，人耳听不见 。 研究目标 Anhui University of Technology 二、 滚动轴承的固有频率（共振频率） 轴承圈在圈平面内 的固有频率（内外 圈弯曲方向的）为 .滚动轴承振动信号特征 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承振动信号特征 三、异常构造引起振
6、动1.振动形式 （1）.轴承刚度引起的振动 研究目标 Anhui University of Technology 当波纹峰数为滚珠整数倍时，径向无振动。否则 有振动，振动频率等于滚珠通过内圈的频率。 .滚动轴承振动信号特征 （2）.内圈波纹引起的振动 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承振动信号特征 （3）疲劳剥落 引起的振动 研究目标 Anhui University of Technology 三、构造异常2 .特征频率成分） 其中，n为正整数；Z为钢球数目；fc为保持架频率；f0为内圈回转频率。 .滚动轴承振动信号特征 研究目标 Anhui
7、 University of Technology 其中，fbi为钢球在内圆滚道上的通过频率；f0振动频率；fc为保持架转速；fb滚动体相对 于保持架的频率。 .滚动轴承振动信号特征 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承故障诊断法 一、简易诊断法（仅判断有无异常） 1、测定部位的选择 （1）测定部位不要改变 ，以保证前提一致，最好是 轴承座； （2）测头接触表面光滑 牢固； （3）一般在垂直、轴向 两方向上测量。速度需三个 方向，加速度一个方向即可 。 轴承座露在外面，测定部 位：轴承座；轴承座在内部 ，测定部位：轴承座刚性高 的部位或基础。 研究
8、目标 Anhui University of Technology 故障引起的冲击振 动以半球面波方式 向外传播，在零件 界面传递一次，能 量损失约80%。传 感器放在承载方向 时灵敏度为100%； 45度方向为95%； 轴向仅为20%。 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承故障诊断法 2、测定参数 轴承振动频率范围在几HZ到数 千HZ。一般 小于10HZ, 测位移; 10HZ至1KHZ（中频）， 测速度 ；大于1KHZ（高频）， 测加速度 （常用于大于10KHZ）。 常用速度和加速度，为去除其 它振动信号，用滤波器取所需带宽
9、 。 正常工作的零件的幅值服从正 态分布，异常情况下某一频率的幅 值分布会比较集中。 3、测定周期 测定时间间隔取决于经济性 ，且不漏异常情况，越短越好。 研究目标 4、判别标准 绝对值判别标准和相对判别标准，兼用。 适用于所有轴承的绝对标准是不存在的，同一种轴承用于不同的场合其判 别标准也是不同的。所以一定要注意使用场合选择合适的判别标准。 低频部分的绝对值判别标准难以确定，用相对标准或相对判定法，故对于 同时存在高、低频的轴承振动要用两个判别标准来判别。 Anhui University of Technology .滚动轴承故障诊断法 目前，国际和国内关于机器振动测量与评定的标准共有两个
10、系列。ISO 7919(GB/T11348)系列“旋转机械转轴径向振动的测量和评定”，测量与评 价的是轴的振动位移。ISO/TC10816(GB/T6075)系列“在非旋转部件上测 量与评价机器的机械振动”,测量与评定的是轴承座的振动烈度。目前 ISO/TC108已发布的状态检测与诊断国标标准有11项，正在进行的新国际 标准工作项目有7个，包括： 1）ISO/DIS 13374-2, 机器状态监测与诊断 数据处理、通信与表示 第 2部分： 数据处理 2）ISO/DIS 18434-1机器状态监测与诊断 热成像 第1部分：一般指南 研究目标 .滚动轴承故障诊断法 Anhui University
11、 of Technology 5、简易诊断 首先检查润滑状态，加油后数小时数天后测量，发现振动明显增 大，则要判别是否异常； 根据各自情况制定出专门的绝对值标准，测定同条件下的振动初 始值，即相对值判别标准； 确定判定方案，包括：位置、方向、参数、周期等。 测量振动信号，作出比较判断或进一步作谱分析。 方法： （1）冲击脉冲法（SPM法） 轴承缺陷如疲劳剥落、裂纹、磨损等会产生脉冲衰减振动，随着故障 的发展，脉冲值逐渐增大，当达到初始能量的1000倍时就认为轴承报废 。 （2）峰值监测 （3）峭度监测 适合于脉冲故障 研究目标 二、低频信号诊断法 Anhui University of Tec
12、hnology 通过直接测量滚动轴承损坏出现的振动，从振动谱图上观察突 出的谱线频率来诊断轴承故障。如果在图上出现了异常振动的特征 频率成分时，就认为对应的缺陷存在。 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology 频频率成分激发频发频 率故障说说明 理论值论值 Hz实验值实验值 Hz 保持架回转频转频 率fc 18.8036.102倍保持回转频转频 率，滚滚 动动元件或保持架不规规 则则 转转子回转频转频 率f0 50.0050.65转转子不平衡 内圈轨轨道频频率FBi 206.25200.95内圈不规则规则 滚动滚动 体回转频转频 率fb 18
13、7.50380.002 倍关系，滚动滚动 体缺陷 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承故障诊断法低频信号诊断法 如果其他零件的干扰噪声和故障频率非常接近时，会 产生 扰作用，这时可以采用同期时间平均信号处理方法（ 相干滤波）来分离信号。 Anhui University of Technology 三、 包络法（共振解调法 ） 轴承发生故障时，将引起一系列冲击脉冲，在频域中含有基频及其一系 列高阶谐波，其脉冲间隔，即脉冲的重复速率是指示故障部位的重要信息， 由于重复速率容易倍背景噪声所淹没，从原始信号寻找重复速率比较困难， 一
14、般要采用包络法（共振解调法）来找出这些谐波。 包络法中，信号先被滤去其他低频分量（燥声）而只取经调制的高频分 量（高频自由衰减振动），再经放大、滤波后送入峰值跟踪器解调（或低通 滤波器），即可得到原来的低频脉动信号，在此基础上进行轴承缺陷的频谱 分析。 所得解调波与故障脉冲有唯一对应关系，解调波的幅度反映故障严重程 度，而解调波的基频为轴承故障频率（特征频率） 包络法的优点是它有效地消除了各种低频成分的干扰，更为突出地显示 故障的频谱特征，提取有用信息使诊断结果更准确。 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology 低频信号接收法和包络法拾取信号
15、过程 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology .滚动轴承故障诊断法包络法 包络法信号变换过程 经过处 理后的频 谱图显示 了脉冲的 振动频率 。 与特征 频率比较 可以找出 故障的原 因。 研究目标 Anhui University of Technology 低频信号接收法和包络法得到的谱图 图中a、c无故障， b、d有故障， a、b低频信号接收法， c、d包络法 .滚动轴承故障诊断法 Anhui University of Technology 四、声发射诊断法 原理： 疲劳断裂交变载荷作用，金属产生错位运动，首先产生疲劳裂 纹，再沿着
16、最大切向应力方向扩展（一般是外圈）， 直至断裂。 疲劳磨损循环接触压应力周期地作用在摩擦表面上，金属晶格 的弹性应力达到临界值就会产生微观裂纹，进而扩展 出现麻点、微粒脱落。 这些轴承故障的发生与发展都伴随着声发射信号的发出。金属材料声 发射频率为几十到几百兆赫，信号强度为几微伏到几百伏。故障的声发射 明显强于燥声的声发射。所以以声发射信号作为分析源，来研究其频谱。 （特别用于初期诊断效果好） 声发射：当固体受力的作用时，由于内部缺陷的存在，会产生应力集中， 使塑性变形加大或形成裂纹及扩展，这时均要释放弹性波（应变能） 。 当零件多时或系统复杂时，振动信号分析法信号复杂而受到限制。 .滚动轴承故障诊断法 研究目标 Anhui University of Technology 声发射法特点 、特征频率明显 用振动加速度计 和声发射传感器在同 一部位测得信号进行 频谱分析，比较如
