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1、机械设备故障诊断技术 -滚动轴承故障诊断,北京科技大学 机械工程学院 黎敏 阳建宏 2020/9/13,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,概述,滚动轴承是旋转机械中的重要零件 滚动轴承的优点 摩擦系数小，运动精度高 对润滑剂的黏度不敏感，多数滚动轴承可使用润滑脂 低速下也能承受载荷 产品已经国际标准化，易于大批量生产，成本低廉，互换性好 滚动轴承的缺点 承受冲击的能力差 滚动体上的载荷分布不均匀,概述,滚动轴承的组成 外圈 内圈 滚动体 保持架 按承载方向分类 向心轴承 推力轴承 向心推力轴承,概述,滚动轴承的安装 冷压法和热套法 压力
2、机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等 滚动轴承的拆卸 使用专门的拆卸工具,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,疲劳剥落 磨损 锈蚀 塑性变形 断裂 胶合 保持架损坏,常见故障形式,疲劳剥落 原因 内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑 后果 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,内圈疲劳失效,外圈疲劳失效,常见故障形式,疲劳剥落 是轴承失效的主要形式 一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命 滚动轴承的额定寿命 在滚道或滚动体上
3、出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命终结 同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故障可以合理利用轴承的寿命,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,常见故障形式,磨损 原因 尘埃、异物的侵入 润滑不良 后果 轴承游隙增大，表面粗糙度增加 轴承运转精度降低，振动和噪声增大,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,常见故障形式,锈蚀 原因 水分或酸、碱性物质的侵入 轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝结 电流通过，引起电火花而产生电蚀 后果 高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常工作,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,常见故障形式,滚动轴承故
4、障诊断常见故障形式及原因,塑性变形 原因： 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷 硬度很高的异物侵入 后果： 运转过程中产生剧烈的振动和噪声 压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落 胶合 原因: 在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，使一个表面上的金属粘附到另一个表面上 后果: 出现压痕，产生剥落区,常见故障形式,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,保持架损坏 原因： 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形 后果： 保持架和滚动体之间的摩擦增大，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦 会进一步使振动、噪声与发热加剧
5、，导致轴承损坏 断裂 原因： 过高的载荷可能引起轴承零件断裂 金属材料有缺陷和热处理不良 转速过高，润滑不良 后果： 轴承出现裂纹，加速劣化,常见故障原因综述,装配不当 润滑不良 腐蚀 水分和异物侵入 征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 过热 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 温度超过400F（204）使滚道和滚动体材料退火 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能 过载 引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）,滚动轴承故障诊断常见故障形式及原因,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机
6、理 滚动轴承的故障诊断技术,疲劳剥落 磨损 锈蚀 塑性变形 断裂 胶合 保持架损坏,装配不当 润滑不良 腐蚀 过热 过载,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,轴承结构特点引起的振动 轴承制造装配原因引起的振动 故障缺陷引起的振动,轴承结构特点引起的振动 滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载刚度会有变化，引起轴心的起伏波动 采用游隙较小的轴承或加预紧力可减小此振动,滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系,振动原因分析,滚动轴承故障诊断振动机理,轴承的装配制造原因引起的振动 在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工面的波
7、纹度 滚动体大小不均匀引起轴心摆动,振动原因分析,滚动轴承故障诊断振动机理,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,轴承结构特点引起的振动 轴承制造装配原因引起的振动 故障缺陷引起的振动,磨损 偏心 胶合 疲劳剥落损伤 内滚道损伤 外滚道损伤 滚动体损伤,轴承磨损 随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升，振动信号呈现较强的随机性 峰值与RMS值的比值从5左右逐渐增加到5.56,轴承磨损时振动加速度,振动原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,严重磨损导致轴承偏心 轴承出现偏心，当轴旋转时，轴心便会绕外圈中心摆动,振动
8、原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,胶合 在A点以前，振动加速度略微下降，温度缓慢上升 A点之后振动值急剧上升，而温度却还有些下降，这一段轴承表面状态已恶化 在B点之前，轴承中已有明显的金属与金属的直接接触和短暂的滑动 B点之后有更频繁的金属之间直接接触及滑动，润滑剂恶化甚至发生炭化，直至发生胶合 从图中可以看出，振动值比温度能更早地预报胶合的发生，由此可见轴承振动是一个比较敏感的故障参数,振动原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,振动,温度,疲劳剥落损伤 当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲 钢球冲击过程 在碰撞点产生很大
9、的冲击加速度(a图和b图)，大小和冲击速度成正比 构件变形产生衰减自由振动(c图) 振动频率取决于系统的结构，为其固有频率(d图) 振幅的增加量A也与冲击速度成正比,振动原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,a,疲劳剥落损伤 疲劳剥落故障轴承的振动信号 T取决于碰撞频率，T=1/f碰,振动原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,轴承外滚道损伤 轴承内滚道损伤 滚动体损伤,振动原因分析-故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断振动机理,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,轴承结构特点引起的振动 轴承制造装配原因
10、引起的振动 故障缺陷引起的振动,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,振动测量 简易诊断 精密诊断,振动测量,测点的选择 测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好 应尽量考虑在水平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行振动检测,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,止推轴承,振动测量,传感器的选择与固定方式 滚动轴承的振动可能是频率为1kHz以下的低频脉动，也有可能是频率在1kHz以上，数千赫兹甚至数十千赫兹的高频振动，通常二者皆有 传感器获取的信号应同时覆盖上述两个频带 传感器的尺寸和重
11、量应尽可能小 建议采用钢制螺栓固定,振动测量,分析谱带的选择 低频段 低频率段指1kHz以下的频率范围 一般可以采用低通滤波器（例如截止频率fb1kHz）滤去高频成分后再作频谱分析 此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断 这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反映故障的频率成分在低频段的能量很小。因此，信噪比低，故障检测灵敏度差 中频段 中频段指1k20kHz频率范围 使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除机械干扰； 用信号的峰值、RMS值或峭度指标作为监测参数 使用带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，用通带内的信号总功率作为监测参
12、数,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,振动测量,分析谱带的选择 高频段 高频率段指2080kHz频率范围 轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段 如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊断非常有效 瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国首创的IFD法就是利用这个频段,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,滚动轴承故障诊断,概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,振动测量 简易诊断 精密诊断,获取数据,简易诊断,目的 简易诊断：判断滚动轴承是否出现了故障 精密诊断：判断故障轴承的故障类别及
13、原因 滚动轴承故障的简易标准 绝对判定标准 绝对判定标准是指用于判断实测振值是否超限的绝对量值 相对判定标准 对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较，以轴承无故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断的标准,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断,振动信号简易诊断法 振幅值诊断法 振幅值指峰值、均方根值 峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断；对于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采用峰值进行诊断 均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断,滚动轴承故障诊断故障诊
14、断技术,简易诊断,振动信号简易诊断法 波形因数诊断法 波形因数：峰值与均值之比 当波形因数值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而波形因数小时，则有可能发生了磨损,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断,振动信号简易诊断法 波峰因数诊断法 波峰因数：峰值与均方根值之比 不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响 当滚动轴承无故障时，Xp/Xrms，为一较小的稳定值 一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故Xp/Xrms增大 当故障不断扩展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，Xp/Xrms逐步减小，直至恢
15、复到无故障时的大小,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断,振动信号简易诊断法 峭度系数诊断法 振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3。 随着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势 与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,实验中第74h轴承发生了疲劳破坏，峭度系数由3上升到6，而此时峰值和RMS值尚无明显增大 故障进一步恶化后，峰值、RMS值才有所反映,简易诊断,振动信号简易诊断法 概率密度诊断法 无故障轴承：典型正态分布曲线 有故障轴承：概率密度曲线可能出现偏斜或分散,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,滚动轴承故障诊断,概述
16、 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术,冲击脉冲诊断法(SPM,即Shock Pulse Method) 特点 无须专业人员进行分析，可直接得到轴承损伤程度 诊断快捷、准确，可作为滚动轴承监测的主要手段 同样适用于低转速轴承 可轻易获得轴承早期故障信息,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断-SPM,冲击脉冲诊断法(SPM,即Shock Pulse Method) 冲击脉冲 由于接触面上的物体发生碰撞而产生的振动 与振动不同：振动是连续的；冲击脉冲是断续的； 冲击能量的大小取决于 物体碰撞时的冲击速度 物体表面的凹凸不平度,滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断-SPM,冲击脉冲的强弱反映了故障程度,冲击脉冲诊断法(SPM,即Shock Pulse Method),滚动轴承故障诊断故障诊断技术,简易诊断-SPM,冲击脉冲诊断法(SPM,即Shock Pulse Method) 微弱冲击容易被淹没在噪声中,Unbala
