滾動(dòng)軸承故障診斷幻燈片

1、1 滾動(dòng)軸承故障診斷1 滾動(dòng)軸承的失效形式2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理與信號(hào)特征3 滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法4 滾動(dòng)軸承故障診斷案例實(shí)例 某鋼鐵公司高速線材軋制線上吐絲機(jī)軸承的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)介紹2iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介4. 4. 機(jī)器分類機(jī)器分類 在本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)烈度按如下參數(shù)分類： 機(jī)器類型機(jī)器類型 額定功率或轉(zhuǎn)軸高度額定功率或轉(zhuǎn)軸高度 支承系統(tǒng)剛度支承系統(tǒng)剛度3iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介4.14.1按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類由于設(shè)計(jì)，軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組：第第1 1組組 額定功率大于額定功率大于300300

2、kwkw但不超過(guò)但不超過(guò)5050mwmw的大型機(jī)器；轉(zhuǎn)軸高度大于的大型機(jī)器；轉(zhuǎn)軸高度大于315315毫米的毫米的電機(jī)。電機(jī)。這類機(jī)器通常具有套筒軸承。運(yùn)行范圍或額定轉(zhuǎn)速相對(duì)比較寬，其范圍從120120至1500015000轉(zhuǎn)/分。4iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介4.14.1按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類由于設(shè)計(jì)，軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組：第第2 2組組 中等大小機(jī)器，其額定功率大于中等大小機(jī)器，其額定功率大于1515kwkw至至300300kw(kw(包括包括300300kw)kw)；轉(zhuǎn)軸高度：轉(zhuǎn)軸高度：160160毫米毫

3、米 h h315315毫米的電機(jī)。毫米的電機(jī)。這類機(jī)器通常采用滾動(dòng)軸承并且運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過(guò)600600轉(zhuǎn)/分。5iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介4.14.1按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分按機(jī)器類型，額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類類由于設(shè)計(jì)，軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組：第第3 3組組 泵泵-離心式，混流式或軸流式離心式，混流式或軸流式/ /其額定功率大于其額定功率大于1515kwkw。這類機(jī)器通常采用套筒軸承或滾動(dòng)軸承。這幾類機(jī)器可具有水平，垂直或傾斜軸并且可安裝在剛性或柔性支承上。 6iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介4.24.2按支承柔度分類按支承柔度分類 通常有兩種類

4、型用于對(duì)指定方向上的支承部件柔度分類。 剛性支承剛性支承 柔性支承柔性支承 這些支承條件取決于機(jī)器與基礎(chǔ)柔度之間的相互關(guān)系。如在測(cè)量方向上機(jī)器與支承系統(tǒng)組合的最低自振頻率至少大于主激振頻率(在絕大多數(shù)情況下為旋轉(zhuǎn)頻率)25%25%，則支承系統(tǒng)在該方向上可看作剛性支承剛性支承。所有的其它支承系統(tǒng)都可看作柔性支承系統(tǒng)柔性支承系統(tǒng)。7iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介5 5評(píng)定評(píng)定 iso10816/1iso10816/1提供了對(duì)各種類型機(jī)器振動(dòng)烈度評(píng)估的兩條評(píng)定準(zhǔn)則兩條評(píng)定準(zhǔn)則的總的描述。第一條準(zhǔn)則第一條準(zhǔn)則考慮所觀察的寬頻帶振動(dòng)寬頻帶振動(dòng)的幅值的幅值，第二條準(zhǔn)則第二條準(zhǔn)則考慮幅值的變幅值的變化

5、化，無(wú)論它們是增大還是減小。8iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介5.1.15.1.1評(píng)價(jià)區(qū)域評(píng)價(jià)區(qū)域 對(duì)下列評(píng)價(jià)區(qū)域的確定。則可對(duì)給定的機(jī)器的振動(dòng)作定性的評(píng)估，并對(duì)可能采取的措施提供指南。 區(qū)域區(qū)域a a 新交付使用的機(jī)器的振動(dòng)通常落在該區(qū)域。新交付使用的機(jī)器的振動(dòng)通常落在該區(qū)域。區(qū)域區(qū)域b b 機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通常可考慮無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通?？煽紤]無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。區(qū)域區(qū)域c c 機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域一般考慮不適宜作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，通常應(yīng)當(dāng)在此狀態(tài)下機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域一般考慮不適宜作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，通常應(yīng)當(dāng)在此狀態(tài)下運(yùn)行有限時(shí)間至一合適的機(jī)會(huì)進(jìn)行維修。運(yùn)行有限時(shí)間至一合適的機(jī)會(huì)

6、進(jìn)行維修。區(qū)域區(qū)域d d 機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通?？紤]其振動(dòng)烈度足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通?？紤]其振動(dòng)烈度足以導(dǎo)致機(jī)器損壞。9iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介本限制值用于頻率范圍從頻率范圍從1010至至100100赫茲赫茲，或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器低轉(zhuǎn)速機(jī)器為從2 2至至10001000赫茲赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值。10iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介本限制值用于頻率范圍從頻率范圍從1010至至100100赫茲赫茲，或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器低轉(zhuǎn)速機(jī)器為從2 2至至10001000赫茲赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值。11

7、iso10816-3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介本限制值用于頻率范圍從頻率范圍從1010至至100100赫茲赫茲，或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器低轉(zhuǎn)速機(jī)器為從2 2至至10001000赫茲赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值。12軸承溫升要求 軸承的正常溫度因機(jī)器的熱容量、散熱量、轉(zhuǎn)速及負(fù)載而不同。如果潤(rùn)滑、安裝不合適，則軸承溫度會(huì)急驟上升，出現(xiàn)異常高溫，這時(shí)必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，采取必要的防范措施。參照輸送的介質(zhì)溫度，旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后軸承溫度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)（jb/t8664-1997 4.14 ），軸承溫升不得超過(guò)環(huán)境溫度35，最高溫度不得超過(guò)80。如設(shè)備說(shuō)明書有特別要求，可參照說(shuō)明書的要求

8、執(zhí)行。131 1 滾動(dòng)軸承的失效形式滾動(dòng)軸承的失效形式1.滾動(dòng)軸承的磨損失效磨損是滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的一種失效形式。在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中，滾動(dòng)體和套圈之間均存在滑動(dòng)，這些滑動(dòng)會(huì)引起零件接觸面的磨損。尤其在軸承中侵入金屬粉末、氧化物以及其他硬質(zhì)顆粒時(shí)，則形成嚴(yán)重的磨料磨損，使之更為加劇。另外，由于振動(dòng)和磨料的共同作用，對(duì)于處在非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的滾動(dòng)軸承，會(huì)在套圈上形成與鋼球節(jié)距相同的凹坑，即為摩擦腐蝕摩擦腐蝕現(xiàn)象。如果軸承與座孔或軸頸配合太松，在運(yùn)行中引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又會(huì)造成軸承座孔或軸徑的磨損。當(dāng)磨損量較大時(shí)，軸承便產(chǎn)生游隙噪聲，振動(dòng)增大。14 2. 滾動(dòng)軸承的疲勞失效在滾動(dòng)軸承中，滾動(dòng)體或套圈滾動(dòng)表面由于

9、接觸載荷的反復(fù)作用，表層因反復(fù)的彈性變形而致冷作硬化，下層的材料應(yīng)力與表層出現(xiàn)斷層狀分布，導(dǎo)致從表面下形成細(xì)小裂紋，隨著以后的持續(xù)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料表面的裂紋相互貫通，直至金屬表層產(chǎn)生片狀或點(diǎn)坑狀剝落。軸承的這種失效形式稱為疲勞失效疲勞失效。隨著滾動(dòng)軸承的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，損壞逐步增大。因?yàn)槊撀涞乃槠粷L壓在其余部分滾道上，并給那里造成局部超載荷而進(jìn)一步使?jié)L道損壞。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一旦發(fā)生疲勞剝落，其振動(dòng)和噪聲將急劇惡化。15 3. 滾動(dòng)軸承的腐蝕失效軸承零件表面的腐蝕分三種類型。a. 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕，當(dāng)水、酸等進(jìn)入軸承或者使用含酸的潤(rùn)滑劑，都會(huì)產(chǎn)生這種腐蝕。b. 電腐蝕電腐蝕，由于

10、軸承表面間有較大電流通過(guò)使表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕。c. 微振腐蝕微振腐蝕，為軸承套圈在機(jī)座座孔中或軸頸上的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)所至。結(jié)果使套圈表面產(chǎn)生紅色（fe2o3）或黑色的銹斑。軸承的腐蝕斑則是以后損壞的起點(diǎn)。16 4. 滾動(dòng)軸承的塑變失效壓痕主要是由于滾動(dòng)軸承受負(fù)荷后，在滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。載荷過(guò)大時(shí)會(huì)在滾道表面形成塑性變形凹坑。另外，若裝配不當(dāng)，也會(huì)由于過(guò)載或撞擊造成表面局部凹陷?；蛘哂捎谘b配敲擊，而在滾道上造成壓痕。 5. 滾動(dòng)軸承的斷裂失效造成軸承零件的破斷和裂紋的重要原因是由于運(yùn)行時(shí)載荷過(guò)大、轉(zhuǎn)速過(guò)高、潤(rùn)滑不良或裝配不善而產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，也有的是由于磨削或熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致的。17 6

11、. 滾動(dòng)軸承的膠合失效滑動(dòng)接觸的兩個(gè)表面，當(dāng)一個(gè)表面上的金屬粘附到另一個(gè)表面上的現(xiàn)象稱為膠合膠合。對(duì)于滾動(dòng)軸承，當(dāng)滾動(dòng)體在保持架內(nèi)被卡住或者潤(rùn)滑不足、速度過(guò)高造成摩擦熱過(guò)大，使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合。其膠合狀為螺旋形污斑狀。還有的是由于安裝的初間隙過(guò)小，熱膨脹引起滾動(dòng)體與內(nèi)外圈擠壓，致使在軸承的滾道中產(chǎn)生膠合和剝落。18二滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理與信號(hào)特征引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素很多。有與部件有關(guān)的振動(dòng)，也有與制造質(zhì)量有關(guān)的振動(dòng)，還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關(guān)的振動(dòng)。如圖71所示，我們通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)的剖析，找出激勵(lì)特點(diǎn)，并通過(guò)不同的檢測(cè)分析方法的研究，從振動(dòng)信號(hào)中，獲取振源的可靠信息，用以

12、進(jìn)行滾動(dòng)軸承的故障診斷。圖71 滾動(dòng)軸承振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)(a) 新軸承的振動(dòng)波形 (b)表面劣化后的軸承振動(dòng)波形19 1. 軸承剛度變化引起的振動(dòng) 當(dāng)滾動(dòng)軸承在恒定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(如圖72)，由于其軸承和結(jié)構(gòu)所決定，使系統(tǒng)內(nèi)的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化。如滾動(dòng)體與外圈的接觸點(diǎn)的變化，使系統(tǒng)的剛度參數(shù)形成周期的變化，而且是一種對(duì)稱周期變化，從而使其恢復(fù)力呈現(xiàn)非線性的特征。由此便產(chǎn)生了分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)。此外，當(dāng)滾動(dòng)體處于載荷下非對(duì)稱位置時(shí)，轉(zhuǎn)軸的中心不僅有垂直方向的，而且還有水平方向的移動(dòng)。這類參數(shù)的變化與運(yùn)動(dòng)都將引起軸承的振動(dòng)，也就是隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體通過(guò)徑向載荷處即產(chǎn)生激振力激振力。這樣

13、在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于剛度參數(shù)形成的周期變化和滾動(dòng)體產(chǎn)生的激振力及系統(tǒng)存在非線性，便產(chǎn)生多次諧波振動(dòng)并含有分諧波成分，不管滾動(dòng)軸承正常與否，這種振動(dòng)都要發(fā)生都要發(fā)生。圖72滾動(dòng)軸承剛度的變化202. 由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng)當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體便在內(nèi)外圈之間滾動(dòng)。軸承的滾動(dòng)表面雖加工得非常平滑，但從微觀來(lái)看，仍高低不平，特別是材料表面產(chǎn)生疲勞斑剝時(shí)，高低不平的情況更為嚴(yán)重。滾動(dòng)體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動(dòng)，則產(chǎn)生交變的激振力。所產(chǎn)生的振動(dòng)，既是隨機(jī)的，又含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征頻率。滾動(dòng)軸承的特征頻率特征頻率(即接觸激發(fā)的基頻)，完全可以根據(jù)軸承元件之間滾動(dòng)接觸的速度關(guān)

14、系建立的方程求得。計(jì)算的特征頻率值往往十分接近測(cè)量數(shù)值，所以在診斷前總是先算出這些值，作為診斷的依據(jù)。21滾動(dòng)軸承的特征頻率（內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定時(shí)） 1) 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率1： hz 2) 保持架旋轉(zhuǎn)頻率2： 3） 滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率3： 4） 保持架過(guò)內(nèi)圈頻率4： 5） 滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈頻率5： 6） 滾動(dòng)體通過(guò)外圈頻率6：式中，n內(nèi)圈轉(zhuǎn)速(r/min)，z滾動(dòng)體個(gè)數(shù)在故障診斷的實(shí)踐中，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率1、滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈頻率5、滾動(dòng)體通過(guò)外圈頻率6對(duì)表面缺陷有較高的敏感度，是重要的參照指標(biāo)。60/1nf=12)cos1 (21fddf =123)cos(1cos21fddddf =1214)cos1 (2

15、1fddfff+=145)cos1 (2fddzzff+=126)cos1(2fddzzff=圖73 向心推力球軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定）22圖74 滾動(dòng)軸承內(nèi)缺陷所激發(fā)的振動(dòng)波形 3. 滾動(dòng)軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動(dòng)特征滾動(dòng)軸承內(nèi)出現(xiàn)剝落等缺陷，滾動(dòng)體以較高的速度從缺陷上通過(guò)時(shí)，必然激發(fā)兩種性質(zhì)的振動(dòng)。見(jiàn)圖74，第一類第一類振動(dòng)是上節(jié)所講的以結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系為特征的振動(dòng)，表現(xiàn)為沖擊振動(dòng)的周期性；第二類第二類振動(dòng)是被激發(fā)的以軸承元件固有頻率的衰減振蕩，表現(xiàn)為每一個(gè)脈沖的衰減振蕩波。軸承元件的固有頻率取決于本身的材料、結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量，根據(jù)某些資料介紹，軸承元件的固有頻率在20k60khz的

16、頻率段。因此,有些軸承診斷儀，就針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)分析處理，在這一頻段內(nèi)工作的儀表。23利用低頻段信號(hào)診斷軸承故障的要點(diǎn)軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的頻率與軸承結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系，處于振動(dòng)信號(hào)的低頻段內(nèi)，在這個(gè)頻段內(nèi)還有軸的振動(dòng)、齒輪的嚙合振動(dòng)等各種零件的振動(dòng)。由于這些振動(dòng)具有更強(qiáng)的能量，軸承早期軸承早期缺陷所激發(fā)的微弱周期性脈沖信號(hào)往往淹沒(méi)淹沒(méi)在這些強(qiáng)振信號(hào)中，給在線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)困難，但是，滾動(dòng)軸承故障在低頻段的特征還是可以得到的。因?yàn)闈L動(dòng)軸承在機(jī)器設(shè)備中的作用是支撐傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，所以滾動(dòng)軸承故障所激發(fā)的振動(dòng)必然對(duì)軸及軸上的機(jī)械零件產(chǎn)生影響。對(duì)于轉(zhuǎn)軸上的零件為齒輪等非轉(zhuǎn)子類零件的軸而言

17、，其動(dòng)不平衡量動(dòng)不平衡量是不隨時(shí)間變化的。滾動(dòng)軸承影響到軸的空間定位空間定位，軸承故障將使軸的空間定位出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)軸的工作狀態(tài)處于非重載時(shí)，軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值升高，有時(shí)還表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻的2x、3x5x頻率的振幅升高。這種情況往往預(yù)示著滾動(dòng)軸承出現(xiàn)早期故障早期故障。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值再次降低再次降低時(shí)，滾動(dòng)軸承故障已進(jìn)入晚期，到了必需更換的程度。24三 滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法軸承故障信號(hào)的拾取實(shí)際上是傳感器及安裝部位和軸承故障信號(hào)的拾取實(shí)際上是傳感器及安裝部位和感應(yīng)頻率段的選擇感應(yīng)頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號(hào)傳動(dòng)的方向選擇垂直、水平、軸向垂直、水平、軸向布置。這里距故障信號(hào)

18、源最近，傳輸損失最小，也是軸、齒輪等故障信號(hào)傳輸路徑必經(jīng)的最近位置。所以幾乎所有的在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)都選擇軸承座作為傳感器的安裝部位。由于軸的空間位置波動(dòng)，也必然影響齒輪等零件的振動(dòng)。很微弱很微弱，幾乎看不見(jiàn)。25圖75 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻譜傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇軸承故障信號(hào)分布的頻段軸承故障信號(hào)分布的頻段傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇，如圖75所示，這是一個(gè)航空軸承通過(guò)故障實(shí)驗(yàn)得到的頻譜圖。軸承的故障信號(hào)分布在3個(gè)頻段，即圖中陰影陰影部分。26a). 低頻段：低頻段：在8khz以下，滾動(dòng)軸承中與結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系的故障信號(hào)在這個(gè)頻率段，少數(shù)高速滾動(dòng)軸承的信號(hào)頻段能延展到b點(diǎn)以外。因?yàn)檩S軸的故

19、障信號(hào)、齒輪齒輪的故障信號(hào)也在這個(gè)頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的頻段。b).高頻段：高頻段：位于區(qū)，這個(gè)頻段的信號(hào)是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率軸承自振頻率的振動(dòng)。c). 超高頻段：超高頻段：位于區(qū)，它們是軸承內(nèi)微裂紋擴(kuò)張所產(chǎn)生的聲發(fā)射超聲波信號(hào)。27信號(hào)拾取方式：信號(hào)拾取方式：針對(duì)不同的信號(hào)所處頻段，需采用不同的信號(hào)拾取方式。a)a)監(jiān)測(cè)低頻段的信號(hào)監(jiān)測(cè)低頻段的信號(hào)，通常采用加速度加速度傳感器，由于同時(shí)也要拾取其它零件的故障信號(hào)，因此采用通用的信號(hào)處理電路（儀器）。b)b)監(jiān)測(cè)高頻段的信號(hào)監(jiān)測(cè)高頻段的信號(hào)，其目的是要獲取唯一的軸承故障信號(hào)，采用自振頻率在2530khz

20、的加速度加速度傳感器，利用加速度傳感器的共振效應(yīng)，將這個(gè)頻段的軸承故障信號(hào)放大，再用帶通濾波器將其它頻率的信號(hào)（主要是低頻信號(hào)）濾除，獲得唯一唯一的軸承故障信號(hào)。c)c)監(jiān)測(cè)超高頻段的信號(hào)，監(jiān)測(cè)超高頻段的信號(hào)，則采用超聲波傳感器，將聲發(fā)射聲發(fā)射信號(hào)檢出并放大。儀表統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的頻度和強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的頻度和強(qiáng)度，一旦頻度或強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)報(bào)警限，則判定軸承故障。28滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析方法1有效值與峰值判別法有效值：有效值：滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值反映了振動(dòng)的能量大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振動(dòng)必然增大。因而可以用有效值有效值作為軸承異常的判斷指標(biāo)。峰值：峰值：有效值指標(biāo)對(duì)具有瞬

21、間沖擊振動(dòng)的異常是不適用的。因?yàn)闆_擊波峰的振幅大，并且持續(xù)時(shí)間短。用有效值來(lái)表示故障特征，其特征并不明顯，對(duì)于這種形態(tài)異常的故障特征，用峰值峰值比有效值更適用。2峰值系數(shù)法所謂峰值系數(shù)峰值系數(shù)，是指峰值與有效值之比。用峰值系數(shù)進(jìn)行診斷的最大特點(diǎn)，是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的影響。正常時(shí)正常時(shí)，滾動(dòng)軸承的峰值系數(shù)約為5，當(dāng)軸承有故障時(shí)故障時(shí)，可達(dá)到幾十。軸承正常、異常的判定可以很方便判別。另外，峰值系數(shù)不受振動(dòng)信號(hào)的絕對(duì)水平所左右。測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度即使變動(dòng)，對(duì)示值也不會(huì)產(chǎn)生多大影響。293峭度指標(biāo)法峭度指標(biāo)cq反映振動(dòng)信號(hào)中的沖擊特征。 峭度指標(biāo)cq 峭度指標(biāo)cq對(duì)信號(hào)中的沖擊特征很敏

22、感，正常情況下其值應(yīng)該在3左右，如果這個(gè)值接近4或超過(guò)4，則說(shuō)明機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀況中存在沖擊性振動(dòng)。*當(dāng)軸承出現(xiàn)初期故障時(shí)初期故障時(shí)，有效值變化不大，但峭度指標(biāo)值已經(jīng)明顯增加，達(dá)到數(shù)十甚至上百，非常明顯。它的優(yōu)勢(shì)在于能提供早期的故障早期的故障預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)。*當(dāng)軸承故障進(jìn)入晚期故障進(jìn)入晚期，由于剝落斑點(diǎn)充滿整個(gè)滾道，剝落斑點(diǎn)充滿整個(gè)滾道，峭度指標(biāo)反而下降。也就是對(duì)晚期故障不適應(yīng)不適應(yīng)。441)(1rmsniiqxxxnc=304沖擊脈沖法（spm）沖擊脈沖法沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)加速度傳感器的共振放大、帶通濾波及包絡(luò)檢波等信號(hào)處理，所獲得的信號(hào)振幅正比于沖擊力的大

23、小。在沖擊脈沖技術(shù)中，所測(cè)信號(hào)振幅的計(jì)量單位是db。測(cè)到的軸承沖擊dbi值與軸承基準(zhǔn)值db0相減（db0是良好軸承的測(cè)定值）。dbn = dbidb0沖擊脈沖計(jì)的刻度就是用dbn值表示的。軸承的狀況分為三個(gè)區(qū)：（020）dbn 表示軸承狀況良好（2035）dbn 表示軸承狀況已經(jīng)劣化，屬發(fā)展中的損傷期（3560）dbn 表示軸承已經(jīng)存在明顯的損傷。31圖76 共振解調(diào)法的信號(hào)變換過(guò)程 5共振解調(diào)法 共振解調(diào)法也稱為包絡(luò)檢波頻共振解調(diào)法也稱為包絡(luò)檢波頻譜分析法譜分析法，是目前滾動(dòng)軸承故障診斷中最常用的方法之一。共振解調(diào)法的基本原理可用圖76所示信號(hào)變換過(guò)程中的波形特征來(lái)說(shuō)明。圖 (a)為理想的故

24、障微沖擊脈沖信號(hào)f(t)（原始脈沖波），它在時(shí)域上的脈寬極窄，幅值很小，而脈沖的頻率成分很豐富。雖然這種脈沖是以t為周期，但在頻譜上卻直在頻譜上卻直接反映不出對(duì)應(yīng)的頻率接反映不出對(duì)應(yīng)的頻率1t成分成分。32圖(b)是脈沖信號(hào)由傳感器接收后，經(jīng)過(guò)電子高頻諧振器諧振，產(chǎn)生的一組組共振響應(yīng)波共振響應(yīng)波。這是一種振幅被放大了的高頻自由衰減振蕩波，振蕩頻率就是諧振器的諧振頻率諧振頻率n(n=1/tn)，它的最大振幅與故障沖擊的強(qiáng)度成正比，而且每組振蕩波在時(shí)域上得到了展寬，振蕩波的重復(fù)振蕩波的重復(fù)頻率與故障沖擊的重復(fù)頻率相同頻率與故障沖擊的重復(fù)頻率相同。圖(c)為振蕩波經(jīng)過(guò)絕對(duì)值處理絕對(duì)值處理后留下了對(duì)應(yīng)

25、的頻率，但它還不是完全的周期信號(hào)，在頻譜上不能形成簡(jiǎn)單波形那樣的離散譜線。圖(d)為對(duì)圖(c)所示振蕩波再進(jìn)行包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波處理后的波形，也就是取振蕩波形的包絡(luò)線包絡(luò)線。這個(gè)包絡(luò)波形就把高頻成分和其他機(jī)械干擾頻率剔除掉了，成為純低頻的周期波純低頻的周期波，波的周期t仍與原始沖擊頻率相對(duì)應(yīng)圖(e)為將圖(d)所示的純低周期包絡(luò)波作為新的振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析，獲得明顯的沖擊頻率及其諧波成分的頻譜分析圖。33圖77 兩種信號(hào)處理方法比較例：共振解調(diào)法（包絡(luò)檢波頻譜例：共振解調(diào)法（包絡(luò)檢波頻譜分析法）分析法）實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波的方法有多種，常用的有兩種方法：希爾伯特希爾伯特(hilbett)變換法變換法和

26、檢波濾波法檢波濾波法。圖77為204型軸承加了30n軸向力，在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測(cè)試分析的結(jié)果。圖77(a)為原信號(hào)直接用低頻信號(hào)接收法得到的頻譜，圖中譜峰密集，較難尋找出故障的特征頻率。圖77(b)為經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后的頻譜圖，清楚地顯示出故障的特征頻率，其中91.25hz是軸承外圈的間隔頻率(理論計(jì)算值為92.5hz)，145hz、290hz和436hz是內(nèi)圈的間隔頻率及其諧波。該軸承的實(shí)際故障該軸承的實(shí)際故障是內(nèi)、外滾道表面上各有一處疲勞剝落。 346頻譜分析法將低頻段測(cè)得振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)低通抗疊混濾波器后，進(jìn)行fft快速富里葉變換，得到頻譜圖。根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式計(jì)算得到各項(xiàng)特征頻率，在頻譜圖

27、中找出、觀察其變化，從而判別故障的存在與部位。需要說(shuō)明的是，各種特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來(lái)的，而實(shí)際上，由于軸承的各幾何尺寸會(huì)有誤差，加上軸承安裝后的變形、fft計(jì)算誤差等因素，使得實(shí)際的頻率與計(jì)算所得的頻率會(huì)有某些出入，所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí)，需在計(jì)算的頻率值上找其近似的值來(lái)作診斷。35圖78 故障軸承與完好軸承的頻譜圖對(duì)比a)故障軸承 b)完好軸承例如，圖78a，是一個(gè)外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖，明顯看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2hz。圖78b是與該軸承同型號(hào)的完好軸承的頻譜圖。通過(guò)比較可以看出，當(dāng)出現(xiàn)故障后頻譜圖上有較高階諧波。在此例中出現(xiàn)了184.2hz的5階諧

28、波。且在736.9hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。需要指出的是，圖78是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室作出的圖形。實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)是極復(fù)雜的，包含了諸多軸、齒輪等強(qiáng)振信號(hào)，而滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)因?yàn)閺?qiáng)度太小，而被淹沒(méi)。只有機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械（如低轉(zhuǎn)速的水泵）才能復(fù)現(xiàn)與圖78相似的頻譜圖。36滾動(dòng)軸承原故障信號(hào)弱，并不意味常規(guī)的fft信號(hào)分析技術(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷束手無(wú)策。我們都知道滾動(dòng)軸承以其尺寸精度固定了轉(zhuǎn)軸的軸心空間位置軸心空間位置，一旦滾動(dòng)軸承內(nèi)的故障引發(fā)振動(dòng)，必然影響轉(zhuǎn)軸的軸心位置，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅加大軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅加大，若能排除軸上其他零件的原因（例如齒輪的轉(zhuǎn)子不平衡力是不隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)子不平衡

29、力是不隨時(shí)間變化的），即可診斷出軸承故障。軸上的齒輪等零件的振動(dòng)也會(huì)受到軸承振動(dòng)的影響，導(dǎo)致自身的振動(dòng)出現(xiàn)幅值增大，諧頻成分增多諧頻成分增多的現(xiàn)象。377倒頻譜分析法對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)情況，其諧波成分更加復(fù)雜而密集復(fù)雜而密集，僅僅去觀察其頻譜圖，可能什么也辨認(rèn)不出。這是由于各運(yùn)動(dòng)件在力的相互作用下各自形成特有的特征頻率，并且相互疊加與調(diào)制相互疊加與調(diào)制，因此在頻譜圖上則形成多族諧波多族諧波成分，如果應(yīng)用倒頻譜則較易于識(shí)別。倒頻譜倒頻譜：對(duì)于存在調(diào)頻、調(diào)幅現(xiàn)象的信號(hào)，其功率譜上會(huì)出現(xiàn)周期分量或等間隔的旁瓣，利用倒譜分析方法，對(duì)功率譜上的周期分量進(jìn)行再處理，找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。處理過(guò)程：離

30、散信號(hào)序列xifft變換功率譜s f 求對(duì)數(shù)lgs(f)求逆傅里葉變換f-1lgs(f)得到倒譜c()c()=f-1lgs(f)38例：圖79a，是內(nèi)圈軌道上有疲勞損傷和滾子有凹坑缺陷軸承的振動(dòng)時(shí)間歷程。圖79b則是其頻譜圖，該圖不便識(shí)別。圖79c是其倒頻譜，明顯看出有106hz及26.39hz成分，理論計(jì)算上滾子故障頻率為106.35hz及內(nèi)圈故障頻率為26.35hz，在此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一致。在滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析中，由于存在著明顯的調(diào)制現(xiàn)象，并在頻譜圖中形成不同族的調(diào)制邊帶調(diào)制邊帶。*當(dāng)內(nèi)圈有故障時(shí)是則內(nèi)圈故障頻率構(gòu)成調(diào)制邊帶；*當(dāng)滾子有故障時(shí)，則又以滾子故障頻

31、率構(gòu)成另一族調(diào)制邊帶。因此軸承故障的倒頻譜診斷方法可以提供有效的預(yù)報(bào)信息。39圖79 倒頻譜分析的有效性示意圖40四 滾動(dòng)軸承故障診斷案例 41圖726 吐絲機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖滾動(dòng)軸承故障診斷案例2006年6月27日，某鋼鐵公司高速線材軋制線上的吐絲機(jī)軸發(fā)生軸承碎裂事故，被迫停產(chǎn)檢修。事后檢視在線故障診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)早在4月13日時(shí)域峰值指標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)發(fā)出紅色警報(bào)。圖726是吐絲機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖。 作為事后調(diào)查，欲對(duì)所有故障監(jiān)測(cè)指標(biāo)作一下回顧，以便認(rèn)識(shí)哪些指標(biāo)對(duì)這類故障信息敏感。所以將各項(xiàng)時(shí)域監(jiān)測(cè)指標(biāo)列舉分析如下：421、時(shí)域指標(biāo)趨勢(shì)分析(1) 6.5鋼吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峰值趨勢(shì)圖 由圖727可見(jiàn)，在26

32、月份軋6.5鋼時(shí)，吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)時(shí)域峰值從4月13日（50 m/s）開始有所上升，到4月25日達(dá)到85 m/s，此后到5月6日已達(dá)到260 m/s以上，并且到吐絲機(jī)軸承出現(xiàn)損壞事故前在線系統(tǒng)一直連續(xù)出現(xiàn)紅色警報(bào)（均在200 m/s以上）。01002003004002月1日2月15日2月19日3月7日3月11日3月28日4月13日4月17日5月6日5月10日5月26日6月7日6月27日吐絲機(jī)水平測(cè)點(diǎn)峰值趨勢(shì)日期峰值a35圖727 峰值指標(biāo)趨勢(shì)圖43(2) 軋6.5鋼吐絲機(jī)a35水平測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)趨勢(shì)圖 由圖728可見(jiàn)，在26月份軋6.5鋼時(shí)，吐絲機(jī)a35水平測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)在4月13日之前維持在5以

33、下，到4月16日達(dá)到10，此后到5月25日之間一直維持在6.5以上，軸承在正常狀態(tài)下的峰值系數(shù)為5左右，說(shuō)明吐絲機(jī)在4月13日時(shí)已有故障隱患了，到5月25日后吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)又降到5以下，說(shuō)明此時(shí)軸承到已經(jīng)損壞了。圖728 峰值系數(shù)趨勢(shì)圖44(3) 軋6.5鋼吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度指標(biāo)趨勢(shì)圖由圖729可見(jiàn)，在26月份軋6.5鋼時(shí)，吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度在4月13日之前維持在5以下，到4月16日達(dá)到14，此后到5月25日之間一直維持在6.5以上，軸承在正常狀態(tài)下的峭度為3左右，說(shuō)明吐絲機(jī)在4月13日（9.4）時(shí)已有故障隱患了，到5 月25日后吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度又降到5以下，說(shuō)明此時(shí)軸承到已

34、經(jīng)損壞了。由以上分析可見(jiàn)，從峰值、峰值系數(shù)、峭度三個(gè)時(shí)域指標(biāo)都可看出吐絲機(jī)軸承在4月13日時(shí)已有故障隱患了，在5月初到5月25日是軸承逐漸損壞時(shí)期，若在這個(gè)時(shí)期能夠?qū)ν陆z機(jī)進(jìn)行必要的檢查，就可避免6月27日軸承碎裂事故的發(fā)生。圖729 峭度指標(biāo)趨勢(shì)圖452、頻域指標(biāo)趨勢(shì)分析軋6.5鋼吐絲機(jī)ii軸軸頻幅值趨勢(shì)圖 由圖730可見(jiàn)，在26月份軋6.5鋼時(shí)，吐絲機(jī)ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的幅值在4月24日之前維持在0.25m/s2以下，4月24日開始上升，達(dá)到0.4m/s2，到5月6日達(dá)到9.659m/s2，此后到6月27日之間一直維持在8.5m/s2以上，6月6日最高達(dá)到30.82m/s2，說(shuō)明吐絲機(jī)在4月2

35、4日（0.4）時(shí)已有故障隱患了，到5月6日幅值發(fā)生突變，增大了20多倍，說(shuō)明此時(shí)吐絲機(jī)軸承已經(jīng)損壞了。圖730 ii軸軸頻幅值趨勢(shì)圖463、譜圖分析(1)a35測(cè)點(diǎn)正常時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖（軋6.5鋼） 圖731(a) 吐絲機(jī)06年3月9日19：00時(shí)域波形圖47圖731(b) 吐絲機(jī)06年3月9日19：00頻域波形圖48特征頻率表1特征頻率表1（圖731 軋6.5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速：1071r/min） 吐絲機(jī) a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù))圖731顯示為吐絲機(jī)3月9日19：00的時(shí)域和頻域波形圖，吐絲機(jī)ii軸（高速軸）轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為0.151m/s，并且ii軸軸頻的2、5、7倍頻的振幅較為突出（見(jiàn)特征頻率表

36、1），這時(shí)ii軸已有輕微松動(dòng)故障了。由于振幅相對(duì)很低，不易看出。序號(hào)故障信號(hào)頻率 (hz)計(jì)算特征頻率 (hz)振幅絕對(duì)誤差（hz）相對(duì)誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析129.29730.6650.1511.3684.4690ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率258.59461.330.9482.7364.46902ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率392.77391.9950.630.7780.851003ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率4151.367153.3251.1791.9581.281005ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率5205.078214.6551.9169.5774.46907ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率49(2)a35測(cè)點(diǎn)峰值明顯上升時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖(軋

37、6.5 鋼)圖732(a) 吐絲機(jī)06年4月25日4：00時(shí)域波形圖50圖732(b) 吐絲機(jī)06年4月25日4：00頻域波形圖51特征頻率表2特征頻率表2（圖732 軋6.5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速：1052r/min） 吐絲機(jī) a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù))圖732顯示為吐絲機(jī)4月25日4：00的時(shí)域和頻域波形圖，吐絲機(jī)ii軸（高速軸）轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為0.386m/s，并且ii軸軸頻的2、5、7倍頻幅值較為突出（見(jiàn)特征頻率表2），與3月9日波形圖相比，ii軸（高速軸）軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅上升了2倍多，且ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2、5、7倍頻幅值也相對(duì)上升了，表明吐絲機(jī)ii軸松動(dòng)故障在逐漸加重。序號(hào)故障信號(hào)頻率 (hz)計(jì)算特征

38、頻率 (hz)振幅絕對(duì)誤差（hz）相對(duì)誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析129.29730.1210.3860.8242.73100ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率258.59460.2421.0261.6482.731002ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率387.89190.3630.6392.4722.731003ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率4151.367150.6050.9480.7625.06905ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率5205.078210.8472.2265.7692.731007ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率52(3)a35測(cè)點(diǎn)峰值上升非常大時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖(軋6.5鋼)圖733 吐絲機(jī)06年5月6日10：00時(shí)域和頻域波形圖53特征頻率表3特征頻

39、率表3（圖733 軋6.5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速：1063r/min） 吐絲機(jī) a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù)) 圖733顯示為吐絲機(jī)5月6日10：00的時(shí)域和頻域波形圖，吐絲機(jī)ii軸（高速軸）轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為9.659m/s，并伴有ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2、3倍頻振幅較為突出（見(jiàn)特征頻率表3），與4月25日波形圖相比，ii軸（高速軸）軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率振幅上升了20多倍，且ii軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2、3倍頻振幅也相對(duì)上升了，表明吐絲機(jī)ii軸上軸承已經(jīng)損壞了。這個(gè)時(shí)間距軸承破碎還有40多天，而且頻譜圖上已有極明顯的故障征兆。低頻段升高20倍，使高頻振幅都?jí)合氯チ恕Ｔ诖似陂g處理，完全可以避免事故發(fā)生。序號(hào)故障信號(hào)頻率 (hz)計(jì)算特征頻率 (hz)振幅絕對(duì)誤差（hz）相對(duì)誤差%可信度%故障部位及性質(zhì)分析129.29730.4369.6591.1393