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1、9 轴承状态监测与故障诊断技术,滚动轴承常见故障 滚动轴承特征频率与振动信号特征 滚动轴承故障简易诊断法 滚动轴承故障精密诊断法,1、滚动轴承常见故障,（1）磨损 滚道和滚动体相对运动和尘埃异物会引起表面磨损；润滑不良会加剧磨损 使轴承游隙增大，表面粗糙度加，降低了轴承运转精度，表现为振动水平及噪声的增大 （2）表面损伤 当损伤点滚过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力 宽带信号，激发轴承系统的高频固有振动。损伤故障产生的冲击振动成分可分为两类： 一类是由于轴承元件的工作表面损伤点在运行中的反复撞击与之相接触的其它元件表面而产生的低频振动成分，其频率与转速和轴承的几何尺寸有关； 另一类是由于损
2、伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成分,（3）锈蚀 水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀； 当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀； 当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。 （4）断裂 过高的载荷会可能引起轴承零件断裂； 磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂； 装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。,（5）胶合 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
3、到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。 （6）保持架损坏 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，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等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。,滚动轴承的损伤现象和检测方法,2、滚动轴承特征频率与振动信号特征,特征频率：1969年H. L. Balderston根据滚动轴承的运 动分析得出了滚动轴承的特征频率计算公式。 设轴承外圈固定，内圈（即轴）的旋转频率为 fs ，轴 承节径为D，滚动体直径为d，接触角为，滚动体个 数为z。假定滚动体与内外圈之间纯滚动接触。 滚动体的公转频率为 滚动体的
4、自转频率为 z个滚动体与外圈上某一固 定点接触的频率为 z个滚动体与内圈上某一固 定点接触的频率为,正常轴承的振动信号特征,（1）轴承结构特点引起的振动 滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载的滚子数目不同，因而承载刚度会有所变化，引起轴心的起伏波动。 要减少这种振动的振幅可以采用游隙小的轴承或加预紧力去除游隙。 （2）轴承钢度非线性引起的振动 滚动轴承的轴向刚度常呈非线性，特别是当润滑不良时易产生异常的轴向振动。 在刚度曲线呈对称非线性时，振动频率为 在刚度曲线呈非对称非线性时，振动频率为分数谐频（ 为轴回转频率）。,（3）轴承制造装配的原因 加工面波纹度引起的振动：由轴承零件的加工面（内圈、
5、外圈滚道面及滚动体面）的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见，这些缺陷引起的振动为高频振动（比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍）。高频振动及轴心的振摆不仅会引起轴承的径向振动，在一定条件下还会引起轴向振动。 轴承偏心引起的振动：当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动，振动频率为 滚动体大小不均匀引起轴心摆动：滚动体大小不均匀会导致轴心摆动，还有支承刚性的变化。振动频率 为 为保持架回转频率。 轴弯曲引起轴承偏斜：轴弯曲会引起轴上所装轴承的偏移，造成轴承振动。轴承的振动频率为 。,故障轴承振动信号特点,（1）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
6、。在滚动轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大致为微秒级。所以其频谱可从直流延展到100500kHz。 （2）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。如果不发生疲劳剥落，最后振动幅值可比最初增大很多倍。,（3）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点以后振动值第二次急剧上升，以致超过了仪器的测量范围，同时温度也急剧上升。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点之后有更频繁金属
7、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。,滚动轴承振动信号的频率成分: 低频带（1kHz以下），轴承故障特征频率和加工装配误差引起的振动特征频率。这一频带易受机械中其它零件及结构的影响，并且在故障初期反映损伤类故障冲击的特征频率成分信息的能量很小，信噪比较低。 中频带（1kHz20kHz），轴承元件表面损伤引起的轴承外圈的固有振动频率等。 高频带 （2080kHz），由于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
8、号，对故障诊断非常有效。冲击脉冲计 （SPM）和共振解调（IFD）法就是利用这个频段。,3、滚动轴承故障简易诊断法,1966年，瑞典SKF公司发明了用冲击脉冲仪（Shock Pulse Meter）检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。之后，多家公司安装了大批传感器用于长期监测轴承的运转情况，在航空飞机上也安装了类似的检测仪器。 1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪（Machine Checker），可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。同时推出的还有油膜检查仪，利用超声波或高频电流对轴承的润滑状态进行监测，探测油膜是否破裂，发生金属间直接接触。,随
9、机振动时历曲线,1976-1983年，日本精工公司（NSK）研制出了NB系列轴承监测仪，利用115kHz范围内的轴承振动信号测量其RMS值和峰值来检测轴承故障。由于滤除了低频干扰，灵敏度有所提高，其中有些型号的仪器仪表还具有报警、自动停机功能。 (1)振幅值诊断法 振幅值指峰值、均值（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值）。 峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采用峰值进行诊断。,均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较
10、峰值稳定，但一般用于转速较高的情况（如300r/min以上）。 均方根值是对时间平均，因而它适用于磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。 (2)波形因数诊断法 波形因数定义为峰值与均值之比。 当波形因数值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀； 当波形因数小时，则有可能发生了磨损。 (3)波峰因数诊断法 波峰因数定义为峰值与均方根值之比。该值适用于点蚀类故障的诊断，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。,当滚动轴承无故障时，波峰因数为一较小的稳定值； 当轴承出现了损伤，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，故波峰因数增大； 当故障不断扩展，峰
11、值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，波峰因数逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。 (4)概率密度诊断法 无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分散的现象，偏度系数和峭度系数。 此方法的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。,(5)滚动轴承的冲击脉冲诊断法（SPM法） 滚动轴承存在缺陷时，如有疲劳剥落、裂纹、磨损和滚道进入异物时，会发生冲击，引起脉冲性振动。 冲击脉冲的强弱反映了故障的程度，它还和轴承的线速度有关。SPM冲击脉冲法（Shock Pulse Method)就是基于这一原理。,冲击脉冲法对使用
12、者的要求较高，应注意以下几方面问题： (1)传感器的安装：对于固定安装的SPM传感器，经常由于机器本身的结构限制，无法完全达到SPM传感器的安装标准，造成信号衰减。 (2)设备安装条件：不对中和轴弯曲对滚动轴承状态有明显影响，使轴承产生不均匀载荷。一方面会加剧轴承状态的恶化；另一方面，在轴承状态恶化以前也会造成冲击值增大，导致误报警适当放宽报警限 (3)对辅助传动轴承的考虑：辅助传动轴承经常处于从动轻载荷状况，冲击值比其正常载荷下获得的标准值要小很多。但同时由于载荷小而容易受其他轴承或齿,齿轮冲击值的影响，使冲击值快速增高。 因此对此类轴承应放宽其下限，但上限应基本不变。 (6)滚动轴承共振解
13、调诊断法（IFD法） 共振解调法是利用传感器及电路的谐振，将故障冲击引起的衰减振动放大，提高故障探测的灵敏度，这是与冲击脉冲法相同之点。 但该方法还利用解调技术将故障信息提取出来，通过对解调后的信号进行频谱分析，可以诊断出故障的部位，指出故障发生在轴承外圈、内圈滚道或滚动体上。 这是美国波音公司提出的一项技术，称为早期故障探测法（Incipient Failure Detection）。,a)轴承故障引起的冲击脉冲F(t) b)经传感器拾取及电路谐振，得到放大的高频衰减振动a(t) c)经包络检波得到的波形a1(t)，相当于将故障引起的脉冲加以放大和拓宽，并且踢除了其余的机械干扰 d)最后作频
14、谱分析可以得到与故障冲击周期T相对应的频率成分 及其高次谐波。,4、滚动轴承故障精密诊断法 滚动轴承的精密诊断与旋转机械、往复机械等精密诊断一样，主要采用频谱分析法。 由于滚动轴承的振动频率成分十分丰富，既含有低频成分，又含有高频成分，而且每一种特定的故障都对应特定的频率成分。进行频谱分析之前需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来，然后对其进行处理，以找出信号的特征频率，确定故障的部位和类别。 注意：只有一个或数个指标的检测仪表是难以精确分析故障的！尤其是轴承传递途径比较复杂时。 信号分析方法 滚动轴承常见的分析方法有：频谱、倒谱、希尔伯特包络法、时频理论等。,（1）倒谱分析法 由
15、于倒谱分析受传输途径的影响很小，并且能将原来频谱图上成族的边频带谱线简化为单根谱 线，所以用于齿轮箱故障诊断具有特殊的优越性；,（a）功率谱 图，边带信号的 谱线间隔为20Hz （b）倒谱图， 图中谱峰的间隔 为0.05s（20Hz）,（2）希尔伯特包络分析法 时域信号绝对值的包络，它从信号中提取调制信号，对其作谱分析可得到包络信号的包络谱。 （3）时频分析法 齿轮箱振动信号中，调频、调幅现象很多，传统的频谱分析很难对它们加以确认和区别，利用Wigner-Ville谱、小波变换等则能很明显地加以区分 （4）时域模型法 时间序列模型是用数学方法描述动态系统，如果模型是适用的，则残差 at 最小，
16、因此可以比较正常工况与异常工况的残差平方和，确定故障是否存在，但难以确定故障原因及部位。此外，直接就原始检测数据进行AR谱分析，也可以分析故障信号的频率成分。 （5）时域平均法 时域平均法原理是在检测信号时消除噪声干扰。,滚动轴承其他诊断方法 光纤维监测诊断法 声发射（AE）诊断 轴承润滑状态监测诊断法 (油膜厚度、油膜电阻） 油液分析诊断（润滑油理化指标、污染度、发射光谱分析油液中金属元素含量 、红外光谱分析 、铁谱分析 ） 温度监测诊断法 间隙（游隙）监测诊断法,1. 5 空压： 1486/8173 rpm； 齿数： 209/38； 电动机工作频率： = 24.7 Hz； 压缩机工作频率：24.7 136
