軸承振動(dòng)特征分析含軸承故障特征頻率的特點(diǎn)及計(jì)算.ppt

滾動(dòng)軸承故障,機(jī)器振動(dòng)特征分析（2）,滾動(dòng)軸承故障,滾動(dòng)軸承是機(jī)器中最精密的部件,公差是其余部件的十分之一。 由于各種原因，只有10到20的軸承能達(dá)到它們的設(shè)計(jì)壽命,滾動(dòng)軸承類型,深槽球軸承,針軸承,角接觸球軸承,圓柱滾子軸承,球面滾子軸承,圓錐滾子軸承,滾動(dòng)軸承為什么會(huì)過早損壞？,主要因素之一是過大的動(dòng)載荷即振動(dòng)。 理論計(jì)算滾珠軸承壽命公式，表明為什么作用在軸承上的動(dòng)載減少軸承的壽命：,轉(zhuǎn)速愈高，預(yù)期的壽命愈短。理論的軸承壽命隨軸承承受的的負(fù)載的三次方變化。如果設(shè)計(jì)者只考慮軸承的靜載和如皮帶拉伸等其他部件靜載，則軸承的理論計(jì)算壽命會(huì)大打折扣。,縮短滾動(dòng)軸承壽命的因素,例： 重量為2000磅(908公斤)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分，在直徑為3英尺（半徑為18英寸=457.2毫米）處的轉(zhuǎn)子上存在一個(gè)1盎司(2835克)的不平衡質(zhì)量。此不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力計(jì)算：,其它縮短滾動(dòng)軸承壽命的因素,轉(zhuǎn)子不只承受不平衡，還承受不對(duì)中、松動(dòng)、氣蝕或其它故障引起的動(dòng)載荷，軸承的實(shí)際壽命可能還要短。 其它因素：潤滑不當(dāng)，錯(cuò)誤潤滑劑，灰塵和其它污染物污染，儲(chǔ)存不當(dāng)，潮氣，運(yùn)輸或使用時(shí)嗑碰、刮傷，錯(cuò)用軸承型號(hào)，軸承安裝不當(dāng)?shù)取?最重要的對(duì)策是監(jiān)測滾動(dòng)軸承的狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，跟蹤其發(fā)展趨勢，并知道何時(shí)需更換軸承； 正確地采集軸承振動(dòng)特征信號(hào)； 分析其振動(dòng)特征信號(hào)，故障診斷； 利用高頻包絡(luò)解調(diào)信號(hào)處理技術(shù)，更有效地監(jiān)測出軸承故障。 選擇合適的監(jiān)測參數(shù)如振動(dòng)速度、沖擊脈沖、解調(diào)譜等。,軸承故障原因及其解決,過負(fù)荷 引起過早疲勞，（包括過緊配合，布氏硬度凹痕和預(yù)負(fù)荷） 減少負(fù)荷或重新設(shè)計(jì) 過熱 征兆是滾道，球和保持架變色，金色變?yōu)樗{(lán)色 溫度超過400F(204)使?jié)L道和滾動(dòng)體材料退火 硬度降低導(dǎo)致軸承承重降低和早期失效 嚴(yán)重情況下引起變形，另外溫升高會(huì)降低和破壞潤滑性能,軸承故障原因及其解決,布氏硬度凹痕 當(dāng)負(fù)荷超過滾道的彈性極限時(shí)產(chǎn)生 滾道上的凹痕增加振動(dòng)（噪聲） 任何靜態(tài)過負(fù)荷和嚴(yán)重沖擊產(chǎn)生布氏凹痕 偽布式凹痕 在每個(gè)滾珠位置產(chǎn)生的橢圓形磨損凹痕，光滑，有明顯邊界，周圍有磨削 表明嚴(yán)重的外部振動(dòng) 隔振和使用抗摩添加劑,軸承故障原因及其解決,正常疲勞失效 疲勞失效指滾道和滾動(dòng)體上發(fā)生龜裂，并隨之產(chǎn)生材料碎片剝落 這種疲勞為逐漸發(fā)生，一旦開始則迅速擴(kuò)展，并伴隨明顯的振動(dòng)增加 更換軸承，和設(shè)計(jì)有更長疲勞壽命的軸承,軸承故障原因及其解決,反向載荷 角接觸軸承的設(shè)計(jì)只接受一個(gè)方向的軸向載荷 當(dāng)方向相反時(shí)，外圈的橢圓接觸區(qū)域被削平 結(jié)果是應(yīng)力增加，溫度升高，并產(chǎn)生振動(dòng)增大和軸承早期失效,軸承故障原因及其解決,污染 污染是軸承失效的主要原因之一 污染的征兆是在滾道和滾動(dòng)體表面有點(diǎn)痕，導(dǎo)致振動(dòng)加大和磨損 清潔環(huán)境，工具，規(guī)范操作。新軸承的儲(chǔ)運(yùn)。 潤滑油失效 滾道和滾子的變色（藍(lán)、棕）是潤滑失效的征兆，隨之產(chǎn)生滾道、滾子和保持架磨損，導(dǎo)致過熱和嚴(yán)重故障。 滾動(dòng)軸承的正常運(yùn)行取決于各部件間存在良好油膜失效常常由潤滑不足和過熱引起,軸承故障原因及其解決,腐蝕 其征兆是在滾道、滾子、保持架或其他位置出現(xiàn)紅棕色區(qū)域 原因是軸承接觸腐蝕性流體和氣體 嚴(yán)重情況下，腐蝕引起軸承早期疲勞失效 除掉腐蝕流體，盡可能使用整體密封軸承,軸承故障原因及其解決,不對(duì)中 征兆是滾珠在滾道上產(chǎn)生的磨痕與滾道邊緣不平行 如果不對(duì)中超過0.001in/in，會(huì)產(chǎn)生軸承和軸承座異常溫升，和保持架球磨損 配合松動(dòng) 配合松動(dòng)導(dǎo)致配合部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)輕微但不間斷，則產(chǎn)生磨損 這種磨損產(chǎn)生顆粒，并氧化成特殊的棕色。這導(dǎo)致研磨和松動(dòng)加大。 如果松動(dòng)增大到內(nèi)圈或外圈的顯著運(yùn)動(dòng)，安裝表面（孔徑，外徑和側(cè)面）將磨損和發(fā)熱，引起噪聲和晃動(dòng)。,滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)特征,滾動(dòng)軸承一旦產(chǎn)生故障，可能會(huì)產(chǎn)生四種類型頻率的振動(dòng) 隨機(jī)的超聲頻率； 軸承零部件的自振頻率； 軸承故障特征頻率； 軸承故障的和頻及差頻。 隨機(jī)的超聲頻率振動(dòng) 滾動(dòng)軸承初始故障時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，從滾動(dòng)軸承安裝在設(shè)備上直到它們剛發(fā)生故障之前，發(fā)生的頻率范圍從約5000Hz到60000Hz超聲頻率范圍。包括振動(dòng)尖峰能量(SpikeEneey)，高頻加速度(HFD)，沖擊脈沖(ShockPules)及其他。通常，以總量值評(píng)定軸承的狀態(tài)，其頻譜數(shù)據(jù)信息更豐富。,滾動(dòng)軸承振動(dòng)尖峰能量(gSE)報(bào)警值。,軸承零部件的自振頻率 安裝在機(jī)器上的滾動(dòng)軸承自振頻率范圍約為500到2000Hz之間。自振頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，無論軸的轉(zhuǎn)速高低它都處在一個(gè)相同的頻率位置。 軸承故障特征頻率 滾動(dòng)軸承故障特征頻率就是軸承故障產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。 BPFO 外圈故障特征頻率 BPFI 內(nèi)圈故障特征頻率 BSF 滾動(dòng)體故障特征頻率 FTF 保持架故障特征頻率,滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)特征,軸承的故障頻率與其他故障頻率不同 ； 軸承故障頻率是轉(zhuǎn)速頻率的非整數(shù)倍 ； 內(nèi)外環(huán)故障頻率的和頻=“軸承滾動(dòng)體通過頻率” （滾動(dòng)體個(gè)數(shù)RPM） 軸承內(nèi)環(huán)故障頻率往往伴有1 X轉(zhuǎn)速頻率的邊帶,軸承故障特征頻率的特點(diǎn),軸承外環(huán)故障頻率的幅值高于軸承內(nèi)環(huán)故障頻率的幅值； 軸承故障一般在發(fā)展到滾動(dòng)體和保持架出現(xiàn)故障之前首先出現(xiàn)的是內(nèi)環(huán)或外環(huán)故障頻率； 軸承保持架故障頻率(FTF)通常不是以其基頻出現(xiàn) ； 當(dāng)滾動(dòng)體本身出現(xiàn)故障時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生不僅滾動(dòng)體故障頻率(BSF)，還有保持架故障頻率(FTF)； 軸承保持架斷裂時(shí)，可能出現(xiàn)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率 ； 一個(gè)以上滾動(dòng)體有故障時(shí)，將產(chǎn)生有故障的滾動(dòng)體數(shù)目滾動(dòng)體故障特征頻率的頻率。如果5個(gè)滾珠或滾柱上有故障，往往將出現(xiàn)5BSF的頻率。 軸承故障頻率允許的振動(dòng)幅值不能絕對(duì)限定。它不僅與具體機(jī)器、轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與軸承故障頻率傳遞的通路有很大關(guān)系。 指示軸承損壞的最明顯的標(biāo)志就是存在軸承故障頻率的諧波頻率，尤其是這些頻率伴有1轉(zhuǎn)速頻率或軸承其它故障頻率邊帶，應(yīng)盡快更換該軸承。,軸承故障特征頻率的特點(diǎn),12. 評(píng)定的低速機(jī)器的軸承狀態(tài): 評(píng)定尤其是低于100轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)速的機(jī)器軸承狀態(tài)時(shí)，推薦采集時(shí)域波形和 (FFT)頻譜二者。當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，滾動(dòng)體滾動(dòng)通過軸承內(nèi)外環(huán)上缺陷時(shí)發(fā)生的脈沖沒有足夠能量產(chǎn)生清楚的，可以檢測出來的FFT譜中的頻率，但是在時(shí)域波形中仍然可能清楚的看出來。,軸承故障特征頻率的特點(diǎn),13.振動(dòng)傳感器置于盡可能靠近軸承的承載區(qū)，尤其是軸承僅支承徑向負(fù)載時(shí)。 14.不合適的軸承負(fù)載和安裝問題 若軸承負(fù)載不合適或安裝不恰當(dāng)，例如，安裝新軸承時(shí)，如果軸承與軸承座過盈配合過緊，使軸承“咔入”軸承座中，導(dǎo)致軸承內(nèi)部間隙發(fā)生變化，使?jié)L動(dòng)體強(qiáng)制被壓向軸承的內(nèi)外環(huán)。出現(xiàn)這種情況，軸承在起動(dòng)時(shí)立即產(chǎn)生軸承外環(huán)和內(nèi)環(huán)的故障頻率。 由于安裝不當(dāng)對(duì)軸承施加了過大負(fù)荷。雖然，可能尚未發(fā)生實(shí)際損壞，但是，如果檢測不出這種故障問題并采取措施修正，則該軸承將在其預(yù)定壽命之前很早就損壞。 15.軸承潤滑不良產(chǎn)生的頻率 特征是在900到1600Hz范圍內(nèi)，有3或4個(gè)尖峰，尖峰之間的差頻在80到130Hz。潤滑良好的軸承可能也包括這些頻率分量，然而，它們的幅值非常小，約為1.27mm/s或更小。當(dāng)潤滑不良時(shí)，幅值增大到 2.54到5.08mm/s,軸承故障特征頻率的特點(diǎn),滾動(dòng)軸承故障特征頻率,BPFO - Ball Pass Frequency Outer Race BPFI - Ball Pass Frequency Inner Race BSF - Ball Spin Frequency FTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency,滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(1),保持架故障頻率： FTF=(1/2)No1+（d/D）Cos +Ni 1-（d/D）Cos 滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni| 1-(d/D)Cos 外環(huán)故障頻率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| 1-(d/D)Cos 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| 1+(d/D)Cos d=滾動(dòng)體直徑； D=滾動(dòng)軸承平均直徑(滾動(dòng)體中心處直徑)； =徑向方向接觸角； n=滾動(dòng)體數(shù)目； No=軸承外環(huán)角速度； Ni=軸承內(nèi)環(huán)角速度(=軸轉(zhuǎn)速). 注：1.滾動(dòng)軸承沒有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)和軸承內(nèi)環(huán)都旋轉(zhuǎn).,滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(2),保持架故障頻率： FTF=(N/2)1-（d/D）Cos 滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率： BSF=(N/2)(D/d)1-(d/D)Cos 外環(huán)故障頻率： BPFO=(N/2)n1-(d/D)Cos 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFI=(N/2)n1+(d/D)Cos d=滾動(dòng)體直徑； D=滾動(dòng)軸承平均直徑(滾動(dòng)體中心處直徑)； =徑向方向接觸角； n=滾動(dòng)體數(shù)目； N=軸的轉(zhuǎn)速。 注：1.滾動(dòng)軸承沒有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).,滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(3),外環(huán)故障頻率： BPFOr0.4Nn 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFIr0.6Nn 保持架故障頻率： FTFr0.4N n=滾動(dòng)體數(shù)目； N=軸的轉(zhuǎn)速。 注：1.滾動(dòng)軸承沒有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒有變化； 3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).,經(jīng)驗(yàn)公式,滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(4),外環(huán)故障頻率： BPFOeN(0.5n-1.2) 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFIeN(0.5n+1.2) 滾動(dòng)體故障頻率： BSFeN(0.2n-1.2/n) 保持架故障頻率： FTFeN(0.5-1.2/n) n=滾動(dòng)體數(shù)目； N=軸的轉(zhuǎn)速。 注：1.滾動(dòng)軸承沒有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn),估算公式,滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算例,典型的軸承故障發(fā)展過程,典型的軸承故障發(fā)展過程,軸承故障劣化發(fā)展不是按線性規(guī)律，而是按指數(shù)規(guī)律變化,軸承故障發(fā)展的四個(gè)階段,I. 初始階段 噪聲正常 溫度正常 可以用超聲，振動(dòng)尖峰能量，聲發(fā)射測量出來，軸承外環(huán)有缺陷 振動(dòng)總量比較小，無離散的軸承故障頻率尖峰 剩余壽命大于10 II. 第二階段 噪聲略增大 溫度正常 超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量有大的增加，軸承外環(huán)有缺陷， 振動(dòng)總量略增大(振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量) 對(duì)數(shù)刻度頻譜上可清楚看到軸承故障頻率，線性刻度頻譜上難得看到，噪聲地平明顯提高 剩余壽命5,軸承故障發(fā)展的四個(gè)階段,III. 第三階段 可聽到噪聲 溫度略升高 非常高的超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量，軸承外環(huán)有故障 振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量有大的增加 在線性刻度的頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波和邊帶 振動(dòng)頻譜噪聲地平明顯提高 剩余壽命小于1 IV第四階段 噪聲的強(qiáng)度改變 溫度明顯升高 超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量迅速增大，隨后逐漸減小，軸承外環(huán)處在損壞之前故障狀態(tài) 振動(dòng)速度總量和振動(dòng)位移總量明顯增大，振動(dòng)加速度總量減小 較低的軸承故障頻率占優(yōu)勢的振動(dòng)尖峰，振動(dòng)頻譜中噪聲地平非常高 剩余壽命小于0.2,Stage 1,Stage 2,Stage 3,Stage 4,no apparent change on typical velocity spectrum,defects harmonic frequencies appear,defects fundamental frequencies also appear and may exhibit sidebands,defects harmonic frequencies develop multiple sidebands (haystack), fundamental freqs. grow and also develop sidebands,defects “fund.” frequency range,defects “harmonic” frequency range,軸承故障四個(gè)階段的頻譜,包絡(luò)（解調(diào)）頻譜,球/滾動(dòng)體撞擊缺陷產(chǎn)生 “沖擊波”. 軸承 “像一個(gè)鈡響” (共鳴).,解調(diào)頻譜,信號(hào)處理過程,解調(diào)譜與常規(guī)頻譜,振動(dòng)解調(diào)可以在滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息，并且可跟蹤軸承故障發(fā)展，在第二，三和第四階段中以不同的信息反映軸承不同的故障狀態(tài)。 同時(shí)采用振動(dòng)速度或振動(dòng)加速度檢測常規(guī)振動(dòng)頻譜可以在滾動(dòng)軸 承故障發(fā)展的第三階段有效地檢測到軸承的故障頻率(內(nèi)環(huán)故障BPFI，外環(huán)故障BPFO，滾動(dòng)體故障BSF和保持架故障FTF)等。 振動(dòng)解調(diào)和振動(dòng)速度或振動(dòng)加速度相結(jié)合可以有效地早期檢測滾動(dòng)軸承的故障。,解調(diào)譜/常規(guī)譜結(jié)合用于軸承故障監(jiān)測,解調(diào)頻譜作為一個(gè)早期指示故障的測量參數(shù) 檢查常規(guī)頻譜和解調(diào)頻譜： 都沒有故障頻率，狀態(tài)良好，作為基線繼續(xù)監(jiān)測 只在解調(diào)頻譜存在故障頻率，早期故障指示，或需要潤滑 在兩種頻譜中都存在譜峰值，計(jì)劃下一次維修更換軸承 只在常規(guī)頻譜中存在峰值，同時(shí)在解調(diào)頻譜中噪聲水平升高，立即更換,用振動(dòng)頻譜沒有檢測出 第一階段軸承故障,用振動(dòng)解調(diào)譜檢測出 第一階段軸承故障,速度譜,解調(diào)譜,軸承外圈故障,軸承外圈有缺陷時(shí)，在解調(diào)頻譜上可見軸承外圈缺陷頻率BPFO及其高次諧波，如果外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，可能出現(xiàn)其轉(zhuǎn)速頻率的邊頻。,軸承外圈故障的解調(diào)頻譜特點(diǎn),軸承外圈缺陷,軸承外圈缺陷解調(diào)譜,軸承內(nèi)圈有缺陷時(shí)，在解調(diào)頻譜上可見軸承內(nèi)圈缺陷頻率BPFI及其高次諧波，對(duì)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，可能出現(xiàn)其轉(zhuǎn)速頻率的邊頻。,軸承內(nèi)圈故障的解調(diào)頻譜特點(diǎn),軸承內(nèi)圈缺陷,軸承內(nèi)圈缺陷解調(diào)譜,調(diào)制的原因：當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)故障時(shí)，如果它位于加載區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生的沖擊會(huì)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，其振幅又會(huì)降低，并在軸承頂部達(dá)到最小值。在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率被（內(nèi)圈的）旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，可以在頻譜中看到1 X邊頻帶出現(xiàn)。,軸承內(nèi)圈故障的解調(diào)頻譜舉例,軸承滾動(dòng)體有缺陷時(shí)，在解調(diào)頻譜上可見軸承滾動(dòng)體缺陷頻率BSF及其高次諧波，以及出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率的邊頻；此外，由于滾動(dòng)體對(duì)外圈的碰撞強(qiáng)于對(duì)內(nèi)圈的碰撞，在解調(diào)譜上還會(huì)存在BSF的半諧波。,軸承滾動(dòng)體故障的解調(diào)頻譜特點(diǎn),軸承滾動(dòng)體缺陷,軸承滾動(dòng)體缺陷解調(diào)譜,如果滾珠故障也會(huì)產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)在載荷區(qū)會(huì)產(chǎn)生比運(yùn)轉(zhuǎn)在非載荷區(qū)更強(qiáng)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(dòng)。該頻率低于1 X，大約等于0.4 X。,軸承保持架有缺陷時(shí)，在解調(diào)頻譜上可見軸承保持架缺陷頻率FIF及其高次諧波；此外，由于軸承潤滑不良也會(huì)引起保持架與滾動(dòng)體的直接接觸而出現(xiàn)保持架缺陷頻率。,軸承保持架故障的解調(diào)頻譜特點(diǎn),軸承保持架缺陷,軸承保持架缺陷解調(diào)譜,軸承失效的九個(gè)階段：第I 階段,頻率范圍在20 KHz60 KHz之間或更高 普通的頻譜上不會(huì)出現(xiàn)任何指示 峰值能量、 HFD、 沖擊脈沖、 SEE等超音頻測量儀器,軸承失效第II階段,在共振（固有）頻率處發(fā)出鈴叫聲。共振頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。,軸承失效第III階段,出現(xiàn)軸承故障頻率 當(dāng)軸承磨損進(jìn)一步加劇，峰值將隨著時(shí)間線性增加,軸承失效第IV階段,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(shí)會(huì)比基頻峰更早被發(fā)現(xiàn) 同時(shí)，時(shí)域波形中也會(huì)出現(xiàn)沖擊脈沖顯示,建議結(jié)合對(duì)數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障的早期顯示。 使用加速度傳感器，不要進(jìn)行積分。加速度能突出信號(hào)中的高頻成分,軸承失效第V階段,出現(xiàn)更多軸承故障諧波，由于故障自身的性質(zhì)，還會(huì)出現(xiàn)邊頻帶 時(shí)域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯 高頻