故障診斷5滾動(dòng)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷

1、00 0、課程準(zhǔn)備、課程準(zhǔn)備1 1、緒、緒 論論3 3、監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)2 2、信號(hào)分析及處理基礎(chǔ)、信號(hào)分析及處理基礎(chǔ)4 4、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷、旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷5 5、滾動(dòng)軸承的故障監(jiān)測(cè)和診斷、滾動(dòng)軸承的故障監(jiān)測(cè)和診斷6 6、齒輪箱的監(jiān)測(cè)和診斷、齒輪箱的監(jiān)測(cè)和診斷 1第五章第五章 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷5.1 5.1 滾動(dòng)軸承失效的基本形式滾動(dòng)軸承失效的基本形式5.2 5.2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷5.3 5.3 滾動(dòng)軸承的其他監(jiān)測(cè)診斷方法滾動(dòng)軸承的其他監(jiān)測(cè)診斷方法2u 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn) A滾動(dòng)軸承的失效的基本形式及其失

2、效原因滾動(dòng)軸承的失效的基本形式及其失效原因；A滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理；u 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) A掌握滾動(dòng)軸承的故障特征頻率的計(jì)算方法；掌握滾動(dòng)軸承的故障特征頻率的計(jì)算方法；A了解滾動(dòng)軸承的幾種沉積失效形式及其原因了解滾動(dòng)軸承的幾種沉積失效形式及其原因；A滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障識(shí)別滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障識(shí)別。A學(xué)會(huì)用時(shí)域分析法、頻譜分析法及包絡(luò)法等分學(xué)會(huì)用時(shí)域分析法、頻譜分析法及包絡(luò)法等分析滾動(dòng)軸承的各種故障。析滾動(dòng)軸承的各種故障。35.1、滾動(dòng)軸承失效的基本形式、滾動(dòng)軸承失效的基本形式認(rèn)識(shí)滾動(dòng)軸承認(rèn)識(shí)滾動(dòng)軸承4滾動(dòng)軸承應(yīng)力分析滾動(dòng)軸承應(yīng)力分析55.1.1 5.1.1 滾動(dòng)軸承的磨損失效滾動(dòng)

3、軸承的磨損失效 滾動(dòng)軸承常見的損壞形式有：磨損失效、疲勞失效、腐蝕失滾動(dòng)軸承常見的損壞形式有：磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。65.1.2 5.1.2 滾動(dòng)軸承的疲勞失效滾動(dòng)軸承的疲勞失效 疲勞失效原因是疲勞應(yīng)力造成的，有時(shí)是由于潤(rùn)滑不良或強(qiáng)迫安裝所至。75.1.3 5.1.3 滾動(dòng)軸承的腐蝕失效滾動(dòng)軸承的腐蝕失效 腐蝕失效分化學(xué)腐蝕 ，電腐蝕 ，微振腐蝕 三類。85.1.4 5.1.4 滾動(dòng)軸承的壓痕失效滾動(dòng)軸承的壓痕失效 壓痕失效主要是由于滾動(dòng)軸承受負(fù)荷后，在滾動(dòng)壓痕失效主要是由于滾動(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

4、形。過量時(shí)在滾道表面形體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。過量時(shí)在滾道表面形成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會(huì)造成壓成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會(huì)造成壓痕失效。痕失效。95.1.5 5.1.5 滾動(dòng)軸承的斷裂失效滾動(dòng)軸承的斷裂失效 斷裂失效由于運(yùn)行時(shí)載荷過大、轉(zhuǎn)速過高、潤(rùn)滑不良或裝配不妥等而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力 。膠合失效指滑動(dòng)接觸兩表面，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 。105.2、滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷、滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷5.2.1 5.2.1 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理 1 1）軸承剛度變化引起的振動(dòng)）軸承剛度變化引起的振動(dòng)振動(dòng)特點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn) 隨著滾動(dòng)體隨著滾動(dòng)

5、體位置不同，其承載狀態(tài)位置不同，其承載狀態(tài)也不斷變化，這將導(dǎo)致也不斷變化，這將導(dǎo)致內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體產(chǎn)內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體產(chǎn)生彈性變形而引起振生彈性變形而引起振動(dòng)動(dòng) 。由于滾動(dòng)體直徑。由于滾動(dòng)體直徑不一致，因剛性不同而不一致，因剛性不同而引起振動(dòng)。引起振動(dòng)。 112 2）由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng)）由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng) 軸承滾動(dòng)表面的軸承滾動(dòng)表面的微觀特征微觀特征導(dǎo)致滾動(dòng)體滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交變的導(dǎo)致滾動(dòng)體滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交變的激振力。激振力產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)和滾動(dòng)體產(chǎn)生的傳輸振動(dòng)的激振力。激振力產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)和滾動(dòng)體產(chǎn)生的傳輸振動(dòng)的主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征頻率特征頻率。12

6、A內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率60/NfiA保持架旋轉(zhuǎn)頻率保持架旋轉(zhuǎn)頻率icfDdf)cos1 (21D D為軸承的節(jié)圓直徑；為軸承的節(jié)圓直徑；d d為滾珠直徑；為滾珠直徑；為接觸角。為接觸角。A滾珠自轉(zhuǎn)頻率滾珠自轉(zhuǎn)頻率ibfDddDf2)cos(1cos21A保持架通過（內(nèi)圈）頻率保持架通過（內(nèi)圈）頻率1cos12ciicidffffD13A滾珠通過內(nèi)圈頻率滾珠通過內(nèi)圈頻率cos12BiciindfnffDA滾珠通過外圈頻率滾珠通過外圈頻率cos12BOcindfnffD143 3）滾動(dòng)軸承元件的固有頻率）滾動(dòng)軸承元件的固有頻率A鋼球的固有頻率鋼球的固有頻率2424.0ErfBr r為鋼球的半徑

7、為鋼球的半徑(m)(m)；為材料密度為材料密度(kg/m(kg/m3 3) )；E E為為彈彈性模量（性模量（N/mN/m2 2) )。A軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率MEIannnfn22212)1(n n為固有頻率階數(shù)為固有頻率階數(shù)；a a 為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑（為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑（m m）；）； M M 為為套圈單位長(zhǎng)度內(nèi)的質(zhì)量套圈單位長(zhǎng)度內(nèi)的質(zhì)量(kg/m)(kg/m)；I I為為套圈截面繞中套圈截面繞中心軸的慣性矩心軸的慣性矩。一般軸承元件的固一般軸承元件的固有頻率在有頻率在2060 kHz 2060 kHz 的頻率范圍內(nèi)的頻率范圍內(nèi) 154 4）

8、與滾動(dòng)軸承安裝有關(guān)的振動(dòng)）與滾動(dòng)軸承安裝有關(guān)的振動(dòng)A滾動(dòng)軸承緊固過緊或過松，在滾動(dòng)體通過特定位置滾動(dòng)軸承緊固過緊或過松，在滾動(dòng)體通過特定位置時(shí)，即引起振動(dòng)。其頻率與滾動(dòng)體通過頻率相同：時(shí)，即引起振動(dòng)。其頻率與滾動(dòng)體通過頻率相同：165 5）滾動(dòng)軸承故障所產(chǎn)生的振動(dòng)）滾動(dòng)軸承故障所產(chǎn)生的振動(dòng)滾動(dòng)軸承代表故障有：表面皺裂、表面剝落、軸承燒損等。滾動(dòng)軸承代表故障有：表面皺裂、表面剝落、軸承燒損等。 燒損燒損17剝落剝落185.2.2 5.2.2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的拾取滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的拾取 測(cè)定部位：測(cè)定部位：基本思路：選基本思路：選擇在離軸承最近、最能反映軸擇在離軸承最近、最能反映軸承振動(dòng)的位置上

9、。承振動(dòng)的位置上。測(cè)定參數(shù)：測(cè)定參數(shù)：如果是在較寬如果是在較寬的頻帶上檢測(cè)振動(dòng)級(jí)，則對(duì)于的頻帶上檢測(cè)振動(dòng)級(jí)，則對(duì)于要求低頻振動(dòng)小的軸承檢測(cè)振要求低頻振動(dòng)小的軸承檢測(cè)振動(dòng)速度，而對(duì)要求高頻振動(dòng)小動(dòng)速度，而對(duì)要求高頻振動(dòng)小的軸承檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)。的軸承檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)。測(cè)定周期測(cè)定周期：對(duì)于定期檢測(cè)，為早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，：對(duì)于定期檢測(cè)，為早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，以免故障繼續(xù)發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測(cè)的周期應(yīng)可能以免故障繼續(xù)發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測(cè)的周期應(yīng)可能短一些。短一些。195.2.3 5.2.3 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障識(shí)別滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障識(shí)別 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)及其頻率特征

10、 20u（1 1）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：u（2 2）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率：）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率：u（3 3）Z Z個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率：個(gè)滾動(dòng)體通過內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率： u（4 4）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過外圈上的一點(diǎn)的頻率：）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過外圈上的一點(diǎn)的頻率： u（5 5）Z Z個(gè)滾動(dòng)體通過外圈上一點(diǎn)的頻率：個(gè)滾動(dòng)體通過外圈上一點(diǎn)的頻率： u（6 6）滾動(dòng)體上的一點(diǎn)通過內(nèi)圈或外圈的頻率：）滾動(dòng)體上的一點(diǎn)通過內(nèi)圈或外圈的頻率： u（7 7）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率）：）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率）：

11、 以上各特征頻率是利用振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的的基礎(chǔ)。以上各特征頻率是利用振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的的基礎(chǔ)。滾動(dòng)軸承的頻率特征滾動(dòng)軸承的頻率特征 211 1）概率密度方法）概率密度方法方法要點(diǎn)：方法要點(diǎn)：基本無(wú)故障的滾動(dòng)軸承的振幅概率密度基本無(wú)故障的滾動(dòng)軸承的振幅概率密度曲線圖形呈曲線圖形呈高斯分布高斯分布；而正弦信號(hào)則呈鞍形，據(jù)此不難；而正弦信號(hào)則呈鞍形，據(jù)此不難分析出圖中四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。分析出圖中四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。圖圖a a 接近接近高斯分布高斯分布；圖；圖 b b 方差值較大，但無(wú)鞍形，方差值較大，但無(wú)鞍形，可以說無(wú)明顯故障；圖可以說無(wú)明顯故障；圖 c c 特點(diǎn)是數(shù)據(jù)集中成分較特

12、點(diǎn)是數(shù)據(jù)集中成分較大，在均值左右出現(xiàn)較明顯的鞍形，低值分散顯大，大，在均值左右出現(xiàn)較明顯的鞍形，低值分散顯大，存在劃傷現(xiàn)象；圖存在劃傷現(xiàn)象；圖 d d 圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常分散，這是疲勞的明顯特征。分散，這是疲勞的明顯特征。222 2）有效值和峰值判別法）有效值和峰值判別法有效值反映了振動(dòng)能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，有效值反映了振動(dòng)能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振幅必然增大。因而用有效值作為異常軸承的判斷指其振幅必然增大。因而用有效值作為異常軸承的判斷指標(biāo)。但這對(duì)具有瞬變沖擊振動(dòng)的異常是不適用的。因?yàn)闃?biāo)。但這對(duì)具有瞬變沖擊振動(dòng)的異常是不適用的。因?yàn)闆_擊波峰的振幅

13、大，但持續(xù)時(shí)間短，用有效值來表示，沖擊波峰的振幅大，但持續(xù)時(shí)間短，用有效值來表示，其特征不明顯，對(duì)于這種形態(tài)的異常，用峰值比有效值其特征不明顯，對(duì)于這種形態(tài)的異常，用峰值比有效值更適用。更適用。峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于象峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于象表面點(diǎn)蝕之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障診斷。另外，對(duì)于表面點(diǎn)蝕之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障診斷。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的情況（如轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。行診斷。233 3）波形系數(shù)法）波形系數(shù)法所謂波峰系數(shù)所謂波峰系數(shù) Cf ，是指峰值與有效值或均方根值之比（，是指

14、峰值與有效值或均方根值之比（xp/xrms）。）。特點(diǎn)，特點(diǎn)，是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、傳輸通道、及載荷是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、傳輸通道、及載荷的影響，也不受傳感器、放大器一、二次靈敏度變化的影響。的影響，也不受傳感器、放大器一、二次靈敏度變化的影響。對(duì)對(duì) Cf 值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢(shì)。行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢(shì)。滾動(dòng)軸承無(wú)故障時(shí)，滾動(dòng)軸承無(wú)故障時(shí)，Cf 為一較小的穩(wěn)定值，滾動(dòng)軸承的波峰系為一較小的穩(wěn)定值，滾動(dòng)軸承的波峰系數(shù)約為數(shù)約為5；一旦軸承出現(xiàn)了損

15、傷，則會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，振動(dòng)峰值明；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，振動(dòng)峰值明顯增大，但此時(shí)均方根值尚無(wú)明顯增大，顯增大，但此時(shí)均方根值尚無(wú)明顯增大，Cf 值增大，可達(dá)幾十；值增大，可達(dá)幾十；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步達(dá)到極限后，均方根值開始增大，當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步達(dá)到極限后，均方根值開始增大，Cf 逐步減小，直至恢復(fù)到無(wú)故障時(shí)的大小。逐步減小，直至恢復(fù)到無(wú)故障時(shí)的大小。244 4）頻譜分析法）頻譜分析法 基頻識(shí)別 圖a是一個(gè)軸承外環(huán)有劃傷的軸承振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜圖，明顯可看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz，而圖b則是與其相同的完好軸承的頻譜圖。通過比較可以看出，當(dāng)

16、出現(xiàn)故障后的譜圖上有明顯較高的高次諧波成分。在此例中出現(xiàn)了184.2Hz的5倍頻成分。且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。25諧振頻率諧振頻率，根據(jù)諧頻的間距來判別，在分辨率較高的，根據(jù)諧頻的間距來判別，在分辨率較高的功率譜圖時(shí)常見到均勻棒線或尖峰，仔細(xì)測(cè)量其間距大功率譜圖時(shí)常見到均勻棒線或尖峰，仔細(xì)測(cè)量其間距大小可以判斷什么部位發(fā)生故障。小可以判斷什么部位發(fā)生故障。邊頻識(shí)別邊頻識(shí)別，頻率調(diào)制的情況總是存在的，在某故障頻，頻率調(diào)制的情況總是存在的，在某故障頻率附近總是圍繞一族頻率，習(xí)慣稱它為邊頻。率附近總是圍繞一族頻率，習(xí)慣稱它為邊頻。)2(2sin)2(2sin2)(2sin)(2sin

17、2)2sin()2(sin2cos)2sin()(1tfftffmAtfftffmAtfAtftfmAtfAtXscsccscscccccknsccc)2sin()(1 )(tftmSAtXcc0),2cos()(tftSs26倒頻譜法倒頻譜法，圖a是某滾動(dòng)軸承內(nèi)圈軌道上有疲勞損傷和滾動(dòng)體有凹坑缺陷的軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域信號(hào)；圖b則是其功率譜圖，該圖便識(shí)別；而圖c是其倒頻譜，明顯看出有106Hz及26.39Hz成分。經(jīng)理論計(jì)算，軸承的滾動(dòng)體故障特征頻率為106.35Hz及內(nèi)圈故障特征頻率為26.35Hz，由此看出，倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一樣。27包絡(luò)法包絡(luò)法，包絡(luò)法將與故障有

18、關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)包絡(luò)法將與故障有關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中取出從而避免了與其他低頻干擾的混淆，故有較高中取出從而避免了與其他低頻干擾的混淆，故有較高的靈敏度和診斷的可行性。的靈敏度和診斷的可行性。其他方法如其他方法如沖擊脈沖法沖擊脈沖法和和時(shí)序模型參數(shù)分析法時(shí)序模型參數(shù)分析法在軸在軸承診斷中應(yīng)用也比較多。承診斷中應(yīng)用也比較多。28滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷杭州軸承測(cè)試與試驗(yàn)中心（HBRC）的ABLT-1A 軸承試驗(yàn)機(jī)ABLT-1A 軸承試驗(yàn)機(jī)29滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷(a)傳感器安裝示意圖(b)傳感器安裝實(shí)物圖30滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷試件參考特征頻率 (Hz)31滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集示意圖32滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷33滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷050100150200250300350400