（機械電子工程專業(yè)論文）基于沖擊脈沖法的滾動軸承故障診斷方法研究.pdf

華北電力大學碩士學位論文摘要 摘要 滾動軸承是機械設備中最常見的零部件 它的運行狀態(tài)直接影響到整臺機器的 功能 本文首先從理論上分析總結了滾動軸承結構的振動機理 失效形式 振動類 型及發(fā)生故障的原因 針對滾動軸承故障缺陷的特點 本文采用了沖擊脈沖法分析 滾動軸承故障 軸承信號經過帶通濾波 包絡檢波 沖擊脈沖值轉化 得出軸承運 行狀態(tài) 然后將小波包濾波引入到沖擊脈沖法中來 提出了基于小波包濾波的沖擊脈 沖法 并通過試驗驗證了這種方法的正確性 最后設計研發(fā)了基于l a b v i e w 軟件的 滾動軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)有效地提取了滾動軸承的故障特征 診斷識別出了 滾動軸承的故障缺陷 關鍵詞 滾動軸承 故障診斷 沖擊脈沖 小波包 虛擬儀器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a t i n gm a c h i n e r y a n d t h er u n n i n gs t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sf u n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y t h ef a u l t v i b r a t i o np r o p e r t y t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf a u l t s s h o c kp u l s em e t h o d s p m i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t od i a g n o s eb e a r i n gf a u l t t h es i g n a l sa r ep r o c e s s e db yb a n d p a s sf i l t e r i n g e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n v i b r a t i o ns i g n a l st r a n s f o r m a t i o ni n t od e c i b e lv a l u ea n da m p l i t u d ea n a l y s i s t h e nan e wm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s w h i c hb a s e do nt h e w a v e l e tp a c k e t sa n ds h o c kp u l s em e t h o d s p m t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o f t w a r ef o rt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n g b e a r i n g si sd e s i g n e db yl a b v i e w w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s et h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y l o uy u a n y u a n m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s p r o f w a ns h u t i n g k e y w o r d s r o l l i n gb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s s h o c kp u l s em e t h o d w a v e l e t p a c k e t v i r t u a li n s t r u m e n t s 華北電力大學碩士學位論文摘要 摘要 滾動軸承是機械設備中最常見的零部件 它的運行狀態(tài)直接影響到整臺機器的 功能 本文首先從理論上分析總結了滾動軸承結構的振動機理 失效形式 振動類 型及發(fā)生故障的原因 針對滾動軸承故障缺陷的特點 本文采用了沖擊脈沖法分析 滾動軸承故障 軸承信號經過帶通濾波 包絡檢波 沖擊脈沖值轉化 得出軸承運 行狀態(tài) 然后將小波包濾波引入到沖擊脈沖法中來 提出了基于小波包濾波的沖擊脈 沖法 并通過試驗驗證了這種方法的正確性 最后設計研發(fā)了基于l a b v i e w 軟件的 滾動軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)有效地提取了滾動軸承的故障特征 診斷識別出了 滾動軸承的故障缺陷 關鍵詞 滾動軸承 故障診斷 沖擊脈沖 小波包 虛擬儀器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a t i n gm a c h i n e r y a n d t h er u n n i n gs t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sf u n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y t h ef a u l t v i b r a t i o np r o p e r t y t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf a u l t s s h o c kp u l s em e t h o d s p m i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t od i a g n o s eb e a r i n gf a u l t t h es i g n a l sa r ep r o c e s s e db yb a n d p a s sf i l t e r i n g e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n v i b r a t i o ns i g n a l st r a n s f o r m a t i o ni n t od e c i b e lv a l u ea n da m p l i t u d ea n a l y s i s t h e nan e wm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s w h i c hb a s e do nt h e w a v e l e tp a c k e t sa n ds h o c kp u l s em e t h o d s p m t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db y t h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o f t w a r ef o rt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n g b e a r i n g si sd e s i g n e db yl a b v i e w w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i a g n o s et h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l y l o uy u a n y u a n m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d i r e c t e db ya s s p r o f w a ns h u t i n g k e y w o r d s r o l l i n gb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s s h o c kp u l s em e t h o d w a v e l e t p a c k e t v i r t u a li n s t r u m e n t s 聲明尸明 本人鄭重聲明 此處所提交的碩士學位論文 基于沖擊脈沖法的滾動軸承故障診斷 方法研究 是本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間 在導師指導下進行的研究工作 和取得的研究成果 據本人所知 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含 其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得華北電力大學或其他教育機構的 學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示了謝意 學位論文作者簽名 耋匾丕 日 期 2 宰 f 了 關于學位論文使用授權的說明 本人完全了解華北電力大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 即 學校有權保管 并向有關部門送交學位論文的原件與復印件 學校可以采用影印 縮印或其它復制手 段復制并保存學位論文 學?？稍试S學位論文被查閱或借閱 學校可以學術交流為 目的 復制贈送和交換學位論文 同意學?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表 傳播 學位論文的全部或部分內容 涉密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定 作者簽名 耋 厘匠 日 期 q 仝 l1 導師簽名 丕壺呈 日期 q2 f j q 華北電力大學碩士學位論文 1 1 課題研究的意義 第一章引言 隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展 生產過程中基本上實現(xiàn)了自動化 這時品質檢測的 自動化和智能化引起了人們的重視 現(xiàn)代機械的主流之一是被稱為 傳動系統(tǒng) 的 動力機械和傳動機械 而傳動系統(tǒng)最關鍵 最重要的部件則是軸承 軸承部件相對 于整臺機械來說是價格低廉的部件 但卻是故障率最高的部件 有關資料統(tǒng)計 機 械故障的7 0 是振動故障 而振動故障中有3 0 是由滾動軸承引起的n 1 這是因為軸 承是機械設備中工作條件最為惡劣的部件 軸承在機械設備中起著承受載荷 傳遞 載荷的作用 因而其運行狀態(tài)直接影響到整臺機器的功能 軸承部件故障所造成的 整臺設備損壞 引發(fā)災難性事故 造成重大經濟損失的事例不勝枚舉疆1l 作為基礎零部件的滾動軸承廣泛應用于各種機械設備中 滾動軸承運行狀態(tài)的 識別與診斷一直是人們關注的研究課題 研究滾動軸承的缺陷和故障識別技術及方 法無疑具有重要的意義 滾動軸承在運行過程中 受到力 熱 以及摩擦磨損等多 種作用 其運行狀態(tài)不斷發(fā)生變化 一旦發(fā)生故障 往往會導致嚴重的后果 因此 必須在事故發(fā)生以前就能診斷出故障并加以消除 即必須在滾動軸承運行過程中對 其運行狀態(tài)及時做出判斷 采取相應的對策 杜絕事故的發(fā)生 這樣做 就可大大 提高機器運行的可靠性 迸一步提高機器的使用率 因此滾動軸承故障診斷技術是 機械設備故障診斷技術的重要組成部分 分析研究滾動軸承故障診斷技術具有重大 的科學意義和實際意義 1 2 滾動軸承故障診斷技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 2 1 國內外研究動態(tài) 滾動軸承的工況監(jiān)視與故障診斷在國外大概開始于2 0 世紀6 0 年代 在其后幾 十年的發(fā)展時間應用的領域不斷擴大 診斷的有效性不斷提高 總的來說 滾動軸 承故障診斷的發(fā)展經歷了以下幾個階段d 枷 第一階段 利用通用的頻譜分析儀診斷軸承故障 2 0 世紀6 0 年代中期 由于 快速傅立葉變換 f f t 技術的出現(xiàn)和發(fā)展 振動信號的頻譜分析得到了很大的發(fā)展 人們根據對滾動軸承元件有損傷時產生的振動信號特征頻率的計算和采用頻譜分 析儀實際分析得到的結果進行比較來判斷滾動軸承是否有故障 第二階段 利用沖擊脈沖技術診斷軸承故障 2 0 世紀6 0 年代末 瑞典儀器公 司根據各個鋼制軸承元件表面損傷后在受載情況下接觸時要產生沖擊引起高頻壓 1 華北電力大學碩士學位論文 縮波的現(xiàn)象開發(fā)了一種成為沖擊脈沖計 s h o c kp u l s em e t e r 的儀器來監(jiān)測軸承故 障 并且不需要進行頻譜分析 所以它一經發(fā)明便很快被美國 英國等工業(yè)發(fā)達國 家所采用 早期的沖擊脈沖計只用來檢測軸承的局部損傷類故障 后來 隨著這一 技術的不斷發(fā)展和完善 世界上其他一些國家的公司可廠家相繼開發(fā)出各種更新?lián)Q 代的產品 這些儀器不但用于監(jiān)測軸承局部損傷類故障 而其用來監(jiān)測軸承的潤滑 情況甚至油膜厚度等 盡管s p m 技術已經產生了幾十年時間 但現(xiàn)在仍然在廣泛的 使用 6 1 第三階段 利用共振解調技術診斷軸承故障 1 9 7 4 年 美國波音公司的 d r h a r t i n g 發(fā)明了一項叫做搿共振解調分析系統(tǒng) 的專利m 共振解調技術與沖 擊脈沖技術相比 對軸承早期損傷類故障更有效 共振解調技術不但能診斷出軸承 是否有故障 而且可以判斷出故障發(fā)生在那個軸承元件上以及故障發(fā)生的大致嚴重 程度 第四階段 開發(fā)以微機為中心的滾動軸承監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng) 2 0 世紀9 0 年 代以來 隨著微機技術迅猛發(fā)展 開發(fā)以微機為中心的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)引起 了國內外研究者的重視 微機信號分析和故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高 適應性 強 易于維護和升級的特點 而且易于推廣和應用 在國外 機械設備的故障診斷發(fā)展比較早 美國是最早開展設備故障診斷的國 家之一 最早進行滾動軸承故障診斷方面研究的是美國學者g u a t a f s s o n 和 t a l lj a n 他們于1 9 6 2 年提出初始故障可以用加速度傳感器所采集的信號峰值變化 來檢測 即用測量信號的峰數值與標準信號的峰數值對比方法來評價軸承狀態(tài)嘲 1 9 7 6 年 日本新日鐵株會社研制了m c v 系列機器檢測儀 m a c h i n ec h e c k e r 可分別在低頻 中頻 高頻段檢測軸承的異常信號 該公司還推出了油膜檢測儀 它是利用超聲波和高頻電流對軸承的潤滑狀態(tài)進行監(jiān)測 檢測油膜是否破裂 而導 致金屬間的直接接觸 1 9 7 6 1 9 8 3 年 日本精工公司 n s k 相繼研制出了n b 系列 軸承檢測儀器 利用1 1 5 k h z 范圍內的軸承振動信號測量有效值和峰值來檢測軸承 故障 英國d y e r 等首先采用峭度系數法在軸承壽命機上檢測滾動軸承損傷情況 指出峭度系數不隨載荷和轉速變化 只與故障程度有關諍1 k o i z u m i r e i f w h e e l e r 等采用信號的均方根幅值 峰值作為參數來診斷故障 效果也比較理想n h t a y l o r 比較了潤滑不足和多種故障的頻譜特點 并提出尺寸故障計算方法n 羽 r a n d a l l 進 行倒頻譜分析 并指出倒頻譜分析比功率譜更好n 鍆 m a t h e w 等針對f f l 技術的不足 采用共振解調法和a r 模型來檢測低速軸承故障 取得了滿意的效果n 射 我國的故障診斷技術研究起步較晚 從1 9 7 9 年到1 9 8 3 年 設備故障診斷技術 從初步認識進入到初步實踐階段 主要是學習國外的先進技術和經驗 對滾動軸承 的故障診斷 在國內雖然起步較晚 但近年來發(fā)展較快 較早進行研究的是上海交 2 華北電力大學碩士學位論文 通大學 對滾動軸承故障診斷進行了較全面 系統(tǒng)的研究 重慶大學的雷繼堯等在 軸承壽命實驗機上進行了大量實驗 發(fā)現(xiàn)了 高頻峰群 現(xiàn)象 并據此開發(fā)了一套 微機診斷系統(tǒng)n 引 南京航空航天大學等開發(fā)了一套軋鋼機軸承在線監(jiān)測和診斷系 統(tǒng) 提出了同一軸承內多個同類故障的診斷方法n 引 國內很多院校也都將滾動軸承 故障診斷作為研究的一項主要內容 吉林大學的陳向東等人利用神經網絡的函數逼 近和記憶能力實現(xiàn)了滾動軸承運行狀態(tài)的故障監(jiān)測 吉林大學的陳向東等利用神經 網絡的逼近函數和記憶能力實現(xiàn)了滾動軸承運行狀態(tài)的故障監(jiān)測n 7 1 西北工業(yè)大學 的王平利用共振解調技術和b p 神經網絡技術實現(xiàn)了滾動軸承故障在線智能診斷 n h 們 該儀器具有自動化和智能化的優(yōu)點 且故障診斷準確性高 使用方便 從國 內召開的全國機械設備故障診斷學術會議論文集來看 研究開展的情況也比較活 躍 國內還研制開發(fā)了一些檢測儀器 如j k 8 2 4 1 軸承齒輪故障分析儀 h b a 2 電腦 軸承分析儀等 1 2 2 發(fā)展趨勢 隨著信號檢測技術 計算機技術 數字信號處理技術 人工智能技術的迅速發(fā) 展 軸承故障診斷已經成為融合數學 物理 力學等自然科學和計算機技術 數字 信號處理技術 人工智能技術的綜合學科 與傳統(tǒng)的診斷方法相比 目前的研究方 向主要表現(xiàn)在以下幾個方面降船1 l 小波變換 從8 0 年代后期開始 作為應用數學的一個分支 小波變換得到了迅速的發(fā)展 由于小波變換在時 頻域的局部化和可變時頻窗的特點 與傳統(tǒng)的傅立葉變換相比 小波變換更適合分析非穩(wěn)態(tài)信號 因為滾動軸承的損傷故障信號是典型非穩(wěn)態(tài)信 號 所以用小波變換處理軸承振動信號 可更為有效地獲得故障特征信息 2 專家系統(tǒng) 近年來隨著人工智能技術的發(fā)展 專家系統(tǒng)技術得到了迅速的推廣 所謂的專 家系統(tǒng)就是一個智能的計算機程序 它能模擬專家在處理問題時的一些推理方法 利用己有的知識和經驗建立模型 解決問題 將基于知識的專家系統(tǒng)技術應用于故 障診斷領域可以使?jié)L動軸承診斷分析和決策分析更加準確可靠 3 模糊診斷 由于滾動軸承振動信號中故障特征振動與故障類型不存在絕對的對應關系 一 種故障可能引起多種特征 而一種故障特征可能對應多類故障 因此近年來 模糊 理論被引進到軸承故障診斷領域 軸承故障模糊診斷中的概念是模糊概念 可以用 模糊集合來表示 而模糊變換運算是用來討論模糊判斷和推理的 4 神經網絡 3 華北電力大學碩士學位論文 軸承故障診斷的目的 是從故障定位到確定故障性質 進而確定故障發(fā)生的程 度 由于神經網絡具用處理復雜多模式及進行聯(lián)想 推測和記憶的功能 因而近年 來在故障診斷領域引起了廣泛的研究 1 2 3 滾動故障診斷的基本環(huán)節(jié) 滾動軸承故障診斷要識別滾動軸承運行狀態(tài) 研究其運行狀態(tài)的變化在診斷信 息中的反映 它的內容包括對滾動軸承運行狀態(tài)的識別 故障預測和故障監(jiān)視等 概括為以下5 個方面洶啪1 1 測取 根據滾動軸承的工況 選擇并測取能夠反映滾動軸承工作情況或狀態(tài) 的信號 2 特征 征兆 提取 從狀態(tài)信號中提取與滾動軸承故障對應的特征信息 征 兆 3 監(jiān)視 狀態(tài)識別 根據特征信息 識別滾動軸承的故障 故障識別 4 診斷 狀態(tài)分析 根據滾動軸承運行時的征兆和故障 進一步分析故障的 部位 類型 原因和趨勢等 5 決策干預 根據滾動軸承的故障及其發(fā)展趨勢 做出評價和決策 包括控制 自診治 調整 維修 繼續(xù)監(jiān)測等措施 整個診斷過程如圖1 1 所示 圖1 1 滾動軸承故障診斷的過程 基于振動信號分析的機械監(jiān)測診斷技術 目前仍然是軸承診斷的主要手段之 一 振動法是通過安裝在軸承座適當方位的振動傳感器監(jiān)測軸承的振動信號 并對 4 華北電力大學碩士學位論文 此信號進行分析處理來判斷軸承的狀況和故障 由于振動法具有 適用于各種類 型 各種工況的軸承 可以有效診斷出早期故障 信號測試與處理簡單直觀 診 斷結果相對可靠等優(yōu)點 所以在實際中得到了廣泛的應用 1 3 本論文的內容 本論文主題在如何有效地運用沖擊脈沖法從滾動軸承振動信號中提取故障信 息 繼而判斷滾動軸承是否存在故障及其故障程度 圍繞這個主題 本文的研究內 容如下 第一章 概述滾動軸承故障診斷技術研究的意義 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 第二章 系統(tǒng)的介紹了滾動軸承的主要失效形式 振動機理以及其典型故障的 振動特征 第三章 詳細的闡述了沖擊脈沖法原理 希爾伯特變換 h i i b e r t 原理 并 通過試驗驗證了該方法的有效性 第四章 詳細闡述了基于小波包濾波的沖擊脈沖原理 提出了基于小波包變換 的滾動軸承故障診斷方法 并通過試驗驗證了該方法的有效性 第五章 在前面分析的基礎上 采用l a b v i e w 軟件編寫了基于虛擬儀器的滾動 軸承故障診斷系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)滾動軸承參數的設置 信號的時域和頻域分析 信號的故障沖擊脈沖值顯示與診斷等功能 5 華北電力大學碩士學位論文 第二章滾動軸承故障特征分析 軸承是機械系統(tǒng)中重要的支撐部件 其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯(lián) 的轉軸以及安裝在轉軸上的齒輪乃至整個機器設備的性能 據統(tǒng)計 在使用軸承的 旋轉機械中 大約有3 0 的故障都是由軸承引起的 因此 開展對軸承的故障診斷 很有現(xiàn)實意義 根據其工作原理的不同 軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類 在生產實際中 滾動軸承應用較廣泛 所以 在本文中我們只討論滾動軸承的故障 診斷 2 1 滾動軸承的失效形式 滾動軸承在運行過程中 由于裝配不當 潤滑不良 水分和異物侵入 腐蝕和 過載等都可能視軸承過早損壞 即使不出現(xiàn)上述情況 經過一段時間后 軸承也會 出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作 總之 滾動軸承的損傷形式是十分復雜的 下面列出滾動軸承的主要損傷形式及原因咖1 2 1 1 滾動軸承的正常疲勞失效 滾動軸承在其運行總小時數超過軸承計算壽命后 所發(fā)生的疲勞剝落為正常疲 勞失效 產生正常失效的原因是滾動表面的金屬由于運轉時的應力循環(huán)數超過材料 的疲勞極限 從次表層開始萌生疲勞裂紋 并向表面層開裂而落下金屬碎片一剝落 正常疲勞失效所表現(xiàn)的特征 疲勞裂紋的萌生在次表層 故看不見 用普通儀器也 無法偵聽到 剝落的屑片表面粗糙而不規(guī)則 原滾動表面留下疤痕狀小坑 稱為點 蝕 點蝕一旦出現(xiàn) 即迅速擴展 短時間內即引起全面疲勞剝落 應及早更換軸承 否則將引起軸承的事故性報廢 可能對安裝部位甚至對整機帶來嚴重的后果 超過計算壽命的疲勞剝落 實際上是不可避免的最終必然發(fā)生的現(xiàn)象 這時材 料的潛力已被充分利用 如用戶在工作壽命方面的要求仍不滿足 可在軸承的潤滑 劑中加添合適的極壓添加劑 改用性能更高或尺寸更大的軸承 或選用真空冶煉 多次真空重煉等鋼材所制軸承 2 1 2 滾動軸承的正常磨損失效 滾動軸承在其運轉總小時數或總轉數超過軸承的計算壽命 或超過磨損壽命后 的過度磨損 為正常磨損失效 產生原因是 滾動軸承的運動都伴有微小滑動 所 受負荷也總有一定波動 因而潤滑可以延緩磨損但實際不能避免兩界面的固體接 觸 即不能完全避免磨損 它所表現(xiàn)出的特征是 滾動表面沿運動方向發(fā)生較光滑 的磨損條紋 新條紋有顯著的金屬光澤 滾動軸承的正常磨損也有三個階段 即短 6 華北電力大學碩士學位論文 期的 跑合 磨損 很長時間的平緩磨損 以及短期的劇烈磨損 最終使軸承的精 度喪失 或引起振動和噪聲而不能繼續(xù)使用 超過額定壽命或磨損壽命的磨損失效 在現(xiàn)有技術水平條件下實際上也是不可 避免的 如用戶在工作壽命方面的要求仍不滿足 可改進軸承的潤滑方式 選用更 有效的潤滑劑 或按具體情況加添合適的油性添加劑或抗磨添加劑 提高軸承及其 潤滑劑的清潔程度 改進密封等 2 1 3 滾動軸承的疲勞失效 疲勞是滾動軸承的另一種失效形式 常表現(xiàn)為滾動體或滾道表面剝落或脫皮 初期是在表面上形成不規(guī)則的凹坑 以后逐漸延伸成片 滾動軸承在工作時 由于 滾動體與內 外圈接觸面積很小 因此接觸應力很大 在高速旋轉時 由于巨大交 變接觸應力多次反復作用 軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞 產生剝落形成小凹坑 造成剝落的主要原因是載荷引起的交變應力 有時是因為潤滑不良強迫安裝 2 1 4 滾動軸承的膠合失效 膠合發(fā)生在滾動接觸的兩個表面間 為一個表面上的金屬粘附到另一個表面的 現(xiàn)象 當滾子在保持架內卡住 由于潤滑不良 速度過高和慣性力的影響 保持架 的材料粘附到滾子端面上形成螺旋型污斑狀的膠合 2 1 5 滾動軸承的磨損失效 磨損是滾動軸承最常見的一種失效形式 是軸承滾道 滾動體 保持架 座空 或安裝軸承的軸頸 由于機械原因或潤滑雜質引起的表面磨損 在工作環(huán)境惡劣的 情況下 許多雜質會混雜在潤滑油中 進入軸承 從而就會在滾動體和滾道上產生 磨料磨損 在滾動體和滾道上出現(xiàn)不均勻的劃痕 磨料的存在 是軸承磨損的基本 原因 2 1 6 滾動軸承的燒傷失效 滾動軸承的燒傷失效損傷結果是 表面局部軟化 降低使用壽命 滾動軸承的 燒傷失效損傷特征是 滾道面 滾動體面 擋邊面變色 軟化 熔體滾動軸承的燒 傷失效損傷原因是 裝配不當 潤滑不良 2 1 7 滾動軸承的腐蝕失效 疲勞是滾動軸承的另一種失效形式 常表現(xiàn)為滾動體或滾道表面剝落或脫皮 初期是在表面上形成不規(guī)則的凹坑 以后逐漸延伸成片 滾動軸承在工作時 由于 滾動體與內 外圈接觸面積很小 因此接觸應力很大 在高速旋轉時 由于巨大交 變接觸應力多次反復作用 軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞 產生剝落形成小凹坑 7 華北電力大學碩士學位論文 造成剝落的主要原因是載荷引起的交變應力 有時是因為潤滑不良強迫安裝 2 1 8 滾動軸承的破損失效 滾動軸承的破損失效損傷結果是 導致產生裂紋 斷裂 使軸承失效 滾動軸 承的破損失效損傷特征是 外環(huán)或內環(huán)裂紋 滾動體產生裂紋 保持架斷裂 滾動 軸承的破損失效損傷原因是 沖擊載荷過大 裝配不當 膠合發(fā)展 沖擊載荷 熱 處理不當 制造原因 對中不良 潤滑不良 異物載荷 轉速過快 異物進入 2 1 9 滾動軸承的壓痕失效 壓痕是由于軸承過載 撞擊或異物進入滾道內使得滾動體或滾道表面上產生局 部變形而出現(xiàn)的凹坑 其原因主要是由于裝配不當 有時也可能是過載或撞擊造成 2 2 滾動軸承故障振動的診斷 滾動軸承不同類型的故障會引起軸承系統(tǒng)不同性質的振動 如圖2 i 所示m 1 囊損 壕心 圖2 i 滾動軸承故障框圖 8 一一一一一一一一 一一一一一一 一一一一一一一一 藿一一 薹一一一一一一 華北電力大學碩士學位論文 2 2 1 引起滾動軸承振動的原因和特征頻率 引起滾動軸承振動和噪聲的原因 除了外部激勵因素 如轉子的不平衡 不對 中 流體激勵 結構共振的振動傳遞 之外 屬于軸承本身內部原因產生的振動可 分如下三種類型口2 1 第一類由于軸承結構本身引起的振動 這部分包括 滾動體通過載荷的方向 產生的振動 套圈的固有振動 軸承彈性特性引起的振動 第二類由于軸承形狀和精度問題引起的振動 這部分包括 套圈 滾道和滾 動體波紋度引起的振動 滾動體大小不均勻和內 外圈偏心引起的振動 第三類由于軸承使用不當或裝配不正確引起的振動 這部分包括 滾道接觸 表面局部缺陷引起的振動 潤滑不良 由摩擦引起的振動 裝配不正確 軸頸偏斜 產生的振動 下面將分別敘述滾動軸承發(fā)生振動的各類故障原因和特征 l 滾動體通過載荷方向產生的振動 軸承在外載荷的作用下 最下面的滾動體受力最大 最上面的滾動體受力最小 其余的滾動體的受力依據其位置的不同是不相同的 軸在旋轉過程中 最下面的滾動體從載荷中心線下面向非載荷中心線位置滾 動 其接觸力由大變小 并且引起軸頸中心6 的位移 軸頸中心不僅有上下方向的 微動 隨著滾動體接觸位置的變動 還有水平方向的微動 因此 只要軸在旋轉 每個滾動體通過載荷的中心線時 就會發(fā)生一次力的變化 對軸頸或軸承座產生激 勵的作用 2 套圈的固有振動 套圈的固有振動主要表現(xiàn)在外圈上 因為一般軸承中外圈與軸承殼體為動配 合 外圈在殼體內可以自由活動 因此軸承上受到任何沖擊性的激勵力 均可激起 外圈固有頻率的振動 內圈因為與軸為靜配合 固有振動頻率較高 振動相對要小 套圈徑向彎曲振動的固有頻率可近似地按下式計算 厶 一n n 2 而1 2 a d 2 償p a h z 2 1 砌 2 2 1v 式中e 一材料的彈性模數 p a 鋼材為2 1 0 g p a i 一圓環(huán)縱向截面的慣性矩 刪4 g 一重力加速度 j 2 p 一材料密度 磁 刪3 a 一圓環(huán)縱向截面面積 h b h m 2 h 圓環(huán)厚度 m b 圓環(huán)寬度 m 9 華北電力大學碩士學位論文 卜圓環(huán)中性軸直徑 m 2 n 一振動階數 3 軸承彈性特性引起的振動 軸承彈性特性除了引起套圈振動之外 滾動體也會像一個 彈簧 那樣產生彈 性變形 但是它的剛性很高 并且具有非線性彈簧的特性 如果潤滑不良 容易出 現(xiàn)非線性振動 振動頻率有軸的轉速頻率 高次諧波和分數諧波 不過球軸承的彈 性特征具有對稱的非線性 一般產生奇數倍的諧波振動 有游隙的大型軸承 承受徑向載荷或作低速旋轉時 滾動體從負荷區(qū)進入非負 荷區(qū)變成自由運動 因滾動體自身重力使其位置超前或滯后 將沖撞保持架和套圈 產生自由振動 軸承套圈的固有頻率從數千赫茲至數十千赫茲 而滾動體的固有頻率可達數百 千赫 可見滾動軸承元件的固有頻率都是很高的 軸承接觸表面的缺陷所產生的沖 擊力 能夠激起軸承元件的固有頻率振動 一般在2 0 6 0 k h z 范圍內總是有它的振 動響應 因此很多振動診斷方法利用這一頻段作為檢測頻帶 4 套圈 滾道和滾動體波紋度引起的振動 軸承內 外圈經過精加工的 雖然明顯的起伏波紋并不存在 但是一些微小的 加工波紋也會引起軸承的振動 波紋度是引起軸承振動的主要原因之一 振動頻率 與波紋數n 的關系和所處的元件有關 當球軸承承受軸向載荷 內圈旋轉 外圈靜 止時 其溝道上的波紋峰數與外圈振動頻率的關系見表2 1 所示 表2 1軸承滾動面波紋度與振動頻率的關系 波紋峰數振動頻率 軸承元件 徑向或角度軸向徑向或角度軸向 方向方向 內圈滾道 肥 1 忍z 嘲l(fā) t f 礪 外圈滾道 7 1 7 土l 舷 碩 吐 滾動體滾動 2 n2 n 2 礬 f o喊 面 注 露一正整數 n l 2 3 z 一滾動體數 一軸轉速頻率 1 0 華北電力大學碩士學位論文 z 一一個滾動體在內圈上的通過頻率 z 一保持架轉速頻率 一滾動體相對于保持架的轉速頻率 從表2 1 中看到 只有當內 外圈的加工波紋峰數為n z l 是 才會產生外圈的 徑向移動 而當波紋峰數為舷時 外圈不產生徑向移動 5 滾動體大小不均勻和內 外圈偏心引起的振動 滾動體大小不均勻 不僅使大的滾動體受到較大的應力 過早產生疲勞剝落 而且軸承在工作中容易發(fā)生顫振 發(fā)出噪聲 研究證明 大小不同的滾動體運轉后 的磨耗程度是不相同的 小球的磨耗反而大于大球 而且球的大小相差愈大 磨耗 愈明顯 結果是軸承游隙增大 運轉精度降低 振動和噪聲增加 所以對直徑較小 的滾動軸承 直徑d 1 5 m m 一般規(guī)定滾動體直徑大小相差不超過0 0 0 2 m m 較精 密的軸承不大于0 0 0 1 m m 超精軸承要求不大于0 0 0 0 6 m m 6 滾道接觸表面局部性缺陷引起的振動 滾動軸承可能由于潤滑不良 載荷過大 材質不良 軸承內落入異物 修飾等 原因引起軸承工作表面上的剝落 裂紋 壓痕 腐蝕凹坑和膠合等離散型缺陷或局 部損傷 當滾動體通過一個缺陷時 就會產生一個微弱的沖擊脈沖信號 好像小榔 頭敲擊一樣 軸承內產生的沖擊能量可激起軸承和軸承座各零件以其固有頻率振 動 振動能量隨著機械結構的阻尼而衰減 因此 這種由局部缺陷所產生的沖擊脈 沖信號 其頻率成分不僅有反映軸承故障特征的問隔頻率 即通過缺陷處的沖擊頻 率 而且還包含有反映軸承元件自振頻率的高頻成分 7 潤滑不良 由摩擦引起的振動 滾動軸承發(fā)生摩擦 主要由下列幾部分產生 滾動體與滾道之間的滾動與滑動 摩擦 滾柱軸承的滾動體端面與套圈擋邊之間的滑動摩擦 滾動體與保持架之間的 滑動摩擦 保持架與套圈引導面之間的滑動摩擦 軟化劑 空氣對軸承運轉元件的 摩擦 密封裝置的滑動摩擦 在上述這幾部分的摩擦中 滾動體與滾道之間除了滾動摩擦之外 還有一定量 的滑動摩擦 滾動軸承中存在各個元件之間的滑動摩擦 摩擦導致磨損 擦傷 疲勞剝落和 裂紋的損傷 如果潤滑劑不足或潤滑不良 滾動體在滾道上不能形成良好的油膜 金屬之間的直接摩擦在滾道上產生更多的缺陷或損傷 使軸承工作時振動加大 保持架的引導面與滾動體之間無油膜隔離 則可能使?jié)L動體在保持架內被卡 住 滾動體在滾道上以滑動代替滾動 產生摩擦發(fā)熱 保持架的材料膠合到滾動體 上 潤滑不良首先會使保持架產生異常的振動和噪聲 這種振動是由于滾動體和保 持架之間發(fā)生摩擦 引起保持架的自激振動所致 1 1 華北電力大學碩士學位論文 8 裝配不正確 軸頸偏斜產生的振動 如果軸承在軸上裝歪或者旋轉軸發(fā)生了彎曲 軸在旋轉時相當于轉子的角度不 對中現(xiàn)象 將表現(xiàn)出以轉速頻率 為特征的振動頻率 但在滾動軸承中 由于軸的 彎曲式軸承單側受力 因此又具有滾動體通過頻率 的特征 兩者結合成為以士 成為這種故障振動的主要頻率成分 2 2 2 滾動軸承缺陷產生的間隔頻率 當滾動體和滾道接觸處遇到一個局部缺陷時 就有一個沖擊信號產生 缺陷在 不同元件上 接觸點經過缺陷的頻率是不同的 這個頻率就稱為沖擊脈沖的問隔頻 率或特征頻率 間隔頻率可以根據軸承的轉速 軸承零件的形狀和尺寸由軸承的簡 單運動關系分析中得到 圖2 2 滾動軸承中各元件的運動關系 如圖2 2 所不 設外幽和內圈滾遭上分別有一袋觸點a 和b 如果徑向辯隙為 零 則a 點和b 點的圓周速度分別為 匕 魯 2 2 匕 苜 心吃 畸 魯啊 2 3 畸 苜啊 皚峭 式中 匕 m 一外圈 內圈滾道接觸點處的圓周速度 i m f 見 4 一外圈 內圈滾道接觸點處的直徑 所肌 吩一外圈 內圈的轉速 r n l i n 令 若c o 孵 c2 訓 式中d 滾動體直徑 m 聊 華北電力大學碩士學位論文 見一滾動體中心圓直徑 m m 口一接觸角 指接觸中心線與滾動體中心線在軸承軸向平面上的夾角 t a d 或 o 滾動體的公轉線速度也就式保持架中心圓的線速度 保持架的轉速為 l l c 寺 啊 1 一廠 1 廠 2 5 二 內圈相對于保持架的轉速為 1 吩一心 寺 吩一心 1 2 6 外圈相對于保持架的轉速為 以鐘 一他 寺 心一啊 1 一力 2 7 二 絕大多數滾動軸承在實際應用中總是保持外圈靜止 內圈與軸一起旋轉 當軸 的轉速為刀時 則 啊2 再 20 由上面式 9 6 可得內圈相對于保持架的轉速 內圈相對于保持架的轉速 7 1 1 艫i 1 椰 等 2 8 因為保持架上有z 個滾動體 所以內圈上某一點每分鐘通過的滾動體數為 mw 7 1 1 警弦 k 7 1 卜艫 1 卜等 k 2 互刀 卜 2 卜1 i 外圈上某一點每分鐘通過的滾動體數為 札釧擴i 1 椰一半z 滾動體自轉速度為 p 告以c l y 2 卜銣 d 2 吒c o s 2 口 1 3 2 9 9 1 0 2 1 2 華北電力大學碩士學位論文 當內圈 外圈 滾子出現(xiàn)點蝕等故障時 會產生一定 特征 頻率的沖擊 引 起軸承振動 機器運行會出現(xiàn)周期性脈沖 在外圈固定 內圈與軸一起旋轉的情況 下 假如內圈滾道 外圈滾道或滾動體上有一處局部缺陷 剝落或裂紋 則兩種 金屬在缺陷處相接觸時的沖擊振動間隔頻率見表2 2 表2 2 由局部缺陷引起的沖擊振動間隔頻率 缺陷位置沖擊振動發(fā)生的間隔頻率備注 h z 內圈z 個滾動體通過內圈上一處缺 石 赤 麥 弦 陷的頻率 外圈z 個滾動體通過外圈上一處缺 z 赤 1 一壽讎咖 陷的頻率 滾動沖擊單側即滾動體的自轉頻率 體 滾道 0 1 一見d 1 番2 吶 沖擊兩側滾動體上一處缺陷沖擊內 外 滾道 厶 麗n 了o 1 一番c o s 2 口 圈滾道的頻率 保持架與外圈摩即保持架的頻率 擦 厶 赤 1 一番 保持架與內圈摩亦即一個滾動體通過內圈上某 擦 無 赤 1 壽 s 一點的頻率 2 3 本章小結 本章詳細闡述了滾動軸承結構的振動機理 失效形式 振動類型及發(fā)生故障的 原因 為以后幾章的滾動軸承振動信號的故障分析提供了理論依據 1 4 華北電力大學碩士學位論文 第三章沖擊脈沖法在滾動軸承故障中的研究 沖擊脈沖法 英文稱s p m 即s h o c kp u l s em e t h o d 是由瑞典s p mi n s t r u m e n t a b 公司在上世紀6 0 年代末最先提出的一套系統(tǒng)監(jiān)測方法 專門用于滾動軸承多種 失效的診斷 尤其對疲勞失效 磨損失效 潤滑不良等失效的診斷準確率相當高 是滾動軸承失效診斷的主要方法 目前被公認為對診斷滾動軸承局部損傷故障工程 實用性最強 3 1 沖擊脈沖法介紹 2 0 世紀6 0 年代末 瑞典儀器公司根據各個鋼制軸承元件表面損傷后在受載情 況下接觸時要產生沖擊引起高頻壓縮波的現(xiàn)象開發(fā)了一種成為沖擊脈沖計 s h o c k p u l s em e t e r 的儀器來監(jiān)測軸承故障 并且不需要進行頻譜分析 所以它一經發(fā)明 便很快被美國 英國等工業(yè)發(fā)達國家所采用 早期的沖擊脈沖計只用來檢測軸承的 局部損傷類故障 后來 隨著這一技術的不斷發(fā)展和完善 世界上其他一些國家的 公司可廠家相繼開發(fā)出各種更新?lián)Q代的產品 這些儀器不但用于監(jiān)測軸承局部損傷 類故障 而其用來監(jiān)測軸承的潤滑情況甚至油膜厚度等 盡管s p m 技術已經產生了 幾十年時間 但現(xiàn)在仍然在廣泛的使用 3 1 1 沖擊脈沖法基本原理 傳統(tǒng)的振動分析技術是直接對振動信號作f f t 分析 得到 振動頻譜一 該頻 譜中含有 機器轉子不平衡 支承對中不良等因素引起的低頻振動的多階頻譜 軸 承故障損傷引起沖擊的若干階頻譜等 軸承故障沖擊的譜線實際上是看不到的 在轉動機械及其軸承故障診斷領域所論的振動 通常是指周期振動 即與機器 轉動有關的 周而復始的 其頻譜相對于引起該現(xiàn)象周期作用力之重復頻率僅數倍 以內的運動 而沖擊則是相對于引起該現(xiàn)象周期作用力的重復頻率有幾乎無限豐富 的高階頻譜的特殊振動 振動主要是由連續(xù)的不平衡作用力引起的 而沖擊擇主要 由不連續(xù)的沖擊力所致的碰撞引起 則主要由不連續(xù)的沖擊力所致的碰撞引起b 鍆 圖3 i 沖擊和振動的瞬時信號 1 5 華北電力大學碩士學位論文 盡管沖擊的基本重復頻率也與振動的重復頻率相同或相近 但是 初期故障引 起的沖擊的量值常常遠小于振動值 這是因為振動表現(xiàn)為上述的持久過程 能量是 持續(xù)釋放的 積累量值較大 而沖擊則是異常短暫的過程 峰值能量也許較大 但 積累能量甚微 圖3 2 沖擊脈沖的形成過程圖3 3 振動的形成過程 共振 同樣是人們司空見慣的物理現(xiàn)象 如果外力的激勵頻率與物體的固有頻 率相同 則將激起物體產生很大的振動 如果物體的阻尼很小的話 振動將趨于無 窮大 但是 上面的論述 僅僅描述了共振的一個方面 值得注意的另一種共振現(xiàn) 象是 任何一個諧振系統(tǒng) 不管激勵它的外部作用的重復頻率如何不同于其固有頻 率 只要外作用力的高階頻譜落在以固有頻率為中心的一個通帶內 也將激起該系 統(tǒng)的共振現(xiàn)象發(fā)生 我們可以應用共振的這一獨有特征 來提取深埋于正常振動信息中的軸承故障 沖擊的信息 由于正常的振動中不含高頻的分量 而軸承等故障沖擊中則含有 因 此 可設一個高頻的 正常振動頻率所不達的諧振系統(tǒng) 剔除正常振動 響應沖擊 激勵 實現(xiàn)沖擊信息的提取 由此得出沖擊脈沖的理論依據 在一個滾動軸承內 當內圈 外圈或滾動體損 傷時 在其受載相接觸時要產生沖擊 該沖擊在軸承內外圈滾道上產生壓力波 并 且以不連續(xù)的沖擊脈沖波形式傳遞到軸承座上 在這個沖擊力作用下 軸承元件或 結構的某一部分的固有頻率可能被激發(fā) 盡管沖擊脈沖的重復率遠低于軸承的固有 頻率 但只要這個沖擊產生的高階頻率落在軸承固有頻率的通帶內 也會激起軸承 系統(tǒng)的共振現(xiàn)象 沖擊脈沖法正是通過檢測沖擊點處的沖擊波幅值來判斷軸承內滾 動體與滾道間的碰撞程度 從而有效識別出軸承的工作狀態(tài)與故障類型 軸承的沖擊振動激起其固有頻率的減幅振蕩 經軸承座傳播到加速度傳感器 上 這個振動的幅度與軸承故障的嚴重程度成正比 對此加速度信號進行采集 經 過帶通濾波器 濾除軸承附近的中低頻的機械干擾 只讓反映沖擊脈沖振動的高頻 成分通過 其高頻信號經過可調衰減器和放大器 再經包絡檢波得到解調后的信號 對此信號進行分析處理 最終顯示出沖擊脈沖值來確定軸承的運行狀態(tài) 沖擊脈沖 信號處理的過程如圖3 4 所示m l 信號變換過程如圖3 5 所示 1 6 且 華北電力大學碩士學位論文 圖3 4 脈沖信號明處理過程 f l 原始脈沖渡 l 二笨x 一吣一啊一 弋伯 共攮響應渡 lk j 吣k 盈k a 地對僵處理 缸 l 一 爭叫p 宅 乜絡檢波 i 一t t i i口 口 口 口口口 口 沖擊脈沖僵 圈3 5 沖擊脈沖法酌信號蠻換討稃 采用沖擊脈沖診斷滾動軸承 只能判明其總體的狀態(tài) 不可確定其中哪個元件 損壞 這在生產現(xiàn)場設備中已經足夠 因為對于滾動軸承來說只要其中任何一個元 件損壞 都得進行總體更換 無需將故障定位到某個元件 3 1 2 滾動軸承的壽命及其評定參數 3 1 2 1s p m 法軸承壽命定義 滾動軸承的壽命是以同一批型號的軸承 在相同運轉條件下9 0 的軸承不發(fā)生 破壞前的轉數或工作小時數作為軸承的壽命 并把這個壽命叫做額定壽命 而沖擊 脈沖對軸承壽命的定義為 一只完好的新軸承有一個初始沖擊振動值 當沖擊振動 值達到初始沖擊振動值的1 0 0 0 倍左右時 就認為該軸承已經達到使用壽命的終點 用分貝 d b 表示時 軸承壽命終點的沖擊振動值為6 0d b 即 2 0 i g l 0 0 0 l 2 0 x1 9 1 0 3 2 0 3 6 0 d b 3 1 3 1 2 2s p m 法軸承狀態(tài)評定參數 d b s v 沖擊脈沖值的絕對分貝 是用來衡量沖擊脈沖能量強度的絕對值 d b i 沖擊脈沖值的背景分貝 即滾動軸承初始值 其數值大小取決于滾動軸 承內徑大小和轉速的大小 d b i 2 0 i g n o 6 1 9 d 1 9 2 1 5 0 3 2 1 7 華北電力大學碩士學位論文 d b i 式中 n 一滾動軸承轉速 轉 分 d 一滾動軸承內圈直徑 毫米 d b n 沖擊脈沖值的標準分貝 用來評定滾動軸承工作狀態(tài)的標準 d b n d b s v 峨 2 0 l g 丁2 0 0 0 s v 3 3 式中 s 卜初級儀表量度得到的