(完整word版)滾動軸承故障診斷分析

1、滾動軸承故障診斷分析學(xué)院名稱：機(jī)械與汽車工程學(xué)院專業(yè)班級：_ 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名:摘要 滾動軸承故障診斷本文對滾動軸承的故障形式、 故障原因、 常用診斷方法等診斷基礎(chǔ)和 滾動軸承故障的振動機(jī)理作了研究，并建立了相應(yīng)的滾動軸承典型故 障（外圈損傷、內(nèi)圈損傷、滾動體損傷）的理論模型，給出了一些滾動 軸承故障診斷常見實(shí)例。 通過對滾動軸承故障振動機(jī)理的研究可以幫 助我們了解滾動軸承故障的本質(zhì)和特征。 本文對特征參數(shù)的提取， 理 論推導(dǎo)，和過程都進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，關(guān)鍵詞:滾動軸承；故障診斷；特征參數(shù)；特征；ABSTRACT：The Rolling fault diagnosisIn

2、the thesis ,thefaulttypes,diagnosticmethodsand vibration principleofrollingbearingarediscussed.the thesissetsup aseries ofacademicmodels of faulty rollingbearingsand listssomesymptom parameters which often used in fault diagnosis of rolling bearings .the study of vibration prin ciple of rolling bear

3、ings can help us to know theessence and feature of rolling bearings.In this paper, the parameters of the extraction, nalysis, andprocess are described in detail.Keywords: Rolling Bearing; Fault Diagnosis; Symptom P arameter;Distinction Index; Distinction Rate 0引言：隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)正逐步向生產(chǎn)設(shè)備大型化、復(fù)雜化、 高速化和自動化

4、方向發(fā)展，在提高生產(chǎn)率、降低成本、節(jié)約能源、減 少廢品率、保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有很大的優(yōu)勢。但是，由于故障所引起的災(zāi)難性事故及其所造成的對生命與財(cái)產(chǎn) 的損失和對環(huán)境的破壞等也是很嚴(yán)重的， 這就使得人們對諸如航空航 天器、核電站、熱電廠及其他大型化工設(shè)備的可靠性、安全性提出了 越來越高的要求。除了在設(shè)計(jì)與制造階段，通過改進(jìn)可靠性設(shè)計(jì)、研 究和應(yīng)用新材料、 新工藝以及加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)檢控制措施提高系 統(tǒng)的可靠性與安全性外， 提高系統(tǒng)可靠性與安全性的另一個(gè)重要途徑 就是對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與診斷，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的有 效控制， 并對災(zāi)難性故障的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警， 為采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施提 供有效

5、的信息。故障診斷理論就是為了滿足對系統(tǒng)可靠性和安全theoretical性要 求的提高，減少并控制災(zāi)難性事故的發(fā)生而發(fā)展起來的。因此，故障 診斷理論的發(fā)展必將促進(jìn)故障監(jiān)測和監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng) 用，從而可以進(jìn)一步的提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性， 并由此產(chǎn)生 巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。而滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最重要的零部件之一,也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的 易損零件。據(jù)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有30%是由軸承故障引起的,軸承 的故障會導(dǎo)致機(jī)器劇烈振動和產(chǎn)生噪聲,甚至?xí)鹪O(shè)備的損壞。 因 此,對滾動軸承故障的診斷分析,在生產(chǎn)實(shí)際中尤為重要。滾動軸承診斷方法有倒頻譜分析、 特征參數(shù)分析法、 沖擊脈沖法、 包絡(luò)分析法、

6、小波分析等。 振動分析是對滾動軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故 障診斷的常用方法。 一般方式為： 利用數(shù)據(jù)采集器在設(shè)備現(xiàn)場采集滾 動軸承振動信號并儲存， 傳送到計(jì)算機(jī)， 利用振動分析軟件進(jìn)行深入 分析，從而得到滾動軸承各種振動參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值， 進(jìn)而判斷這些滾 動軸承是否存在故障。1滾動軸承的故障形式滾動軸承在正常情況下，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損。 而制造缺陷、對重偏差大、轉(zhuǎn)子不平衡、基礎(chǔ)松動、潤滑油變質(zhì)等因 素會加速軸承的損壞。疲勞剝落滾動軸承的內(nèi)外滾道和滾動體交替進(jìn)入和退出軸承區(qū)域， 這些部 件因長時(shí)間承受交變載荷的作用， 首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng) 力處產(chǎn)生疲勞裂紋， 繼而擴(kuò)展到接觸表面在

7、表面產(chǎn)生點(diǎn)狀剝落， 逐步 發(fā)展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。磨損 長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面不可避免的產(chǎn)生磨 損，持續(xù)的磨損使軸承間隙增大，振動和噪聲增加。潤滑不良和硬質(zhì)顆粒進(jìn)入滾道會加速軸承的磨損。斷裂當(dāng)軸承所受載荷、 震動過大時(shí)， 內(nèi)外圈的缺陷位置在滾動體的反 復(fù)沖擊下，缺陷逐步擴(kuò)展而斷裂。銹蝕水分或酸堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有電流 通過時(shí)，在滾道和滾動體的接觸點(diǎn)處引起電火花而產(chǎn)生電腐蝕， 在表 面上形成搓板狀的凹凸不平。擦傷由于軸承的內(nèi)外滾道和滾動體表面上的微觀凸起或硬質(zhì)顆粒使 接觸面受力不均，在潤滑不良、高速重載工況下，因局部摩擦產(chǎn)生的 熱量造成接觸面局部變

8、形和摩擦焊合，嚴(yán)重時(shí)表面金屬可能局部融 化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕裂。2滾動軸承的失效形式軸承失效通常劃分為四個(gè)階段：第一階段 ：在軸承失效的初始階段，故障頻率出現(xiàn)在超聲頻段。有多種信號處理手段能夠檢測到這些頻率，如峰值能量gSE應(yīng)力波PeakVue包絡(luò)譜ESP沖擊脈沖SPM等。此時(shí)，軸承故障頻率在加 速度譜和速度頻譜圖上均無顯示。第二階段 ：輕微的軸承故障開始激起軸承元件的固有頻段， 一般 在5002KHz范圍內(nèi)。同時(shí)該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻 率。起初只能觀察到這個(gè)頻率本身， 后期表現(xiàn)為在固有頻率附近出現(xiàn) 邊頻。此時(shí)，軸承仍可安全運(yùn)轉(zhuǎn)。第三階段 ：軸承故障頻率的

9、諧波開始出現(xiàn)， 邊頻帶數(shù)目逐漸增多。 諧波有時(shí)會比基頻更早被發(fā)現(xiàn)。峰值能量gSE、應(yīng)力波PeakVue包絡(luò)譜ESP沖擊脈沖SPM所測故障頻率幅值顯著升高。加速度頻譜圖 上也可能觀察到軸承故障的高次諧波。此時(shí)需要停機(jī)檢修。第四階段 ：在加速度和速度頻譜圖上均能看到軸承故障頻率的基 頻和高次諧波， 并伴隨有轉(zhuǎn)速頻率的邊頻帶， 各種手段所測頻譜圖的 基底噪音水平升高， 繼而軸承故障頻率開始消失被隨機(jī)振動或噪音代 替。能明顯聽到故障軸承產(chǎn)生的噪聲。此時(shí)軸承已處于危險(xiǎn)狀態(tài)。3故障分析方法3.1倒頻譜分析法倒頻譜分析也稱為二次頻譜分析，是對信號x（t）作進(jìn)一步的譜 分析而得到的，通過對滾動軸承典型故障的振

10、動信號功率譜和倒頻譜 的比較分析,可知倒頻譜能將主要的信息從復(fù)雜的頻率成分和噪聲中 識別出來,能較好地辨別出故障特征頻率和其它特征頻率。在相關(guān)文 獻(xiàn)中采用倒頻譜分析技術(shù)準(zhǔn)確，快速地判定故障發(fā)生在軸承滾動體 上。3.2特征參數(shù)分析法3.2.1時(shí)域特征參數(shù)分析時(shí)域的特征參數(shù)分析包括有效值 峰值 峰值因子 峭度指標(biāo)等 方法。有效值是指振動振幅的均方根值， 表現(xiàn)滾動軸承振動的瞬時(shí)值 隨著時(shí)間在不斷地進(jìn)行變化， 可用于檢測表面皺裂無規(guī)則振動波形的 異常，但對表面剝落或傷痕等具有瞬變沖擊振動的異常是不適用的； 峰值是在某個(gè)時(shí)間內(nèi)振幅的最大值， 對瞬時(shí)現(xiàn)象也可得出正確的指示 值，對滾動體對保持架的沖擊及突發(fā)

11、性外界干擾或灰塵等原因引起的 瞬時(shí)振動比較敏感； 峰值因子是峰值與有效值的比， 該值適用于點(diǎn)蝕 類故障的診斷。通過對峰值因子值隨時(shí)間變化趨勢的監(jiān)測,可以有效 地對滾動軸承進(jìn)行早期預(yù)報(bào),并能反映故障的發(fā)展趨勢；峭度指標(biāo)Kv定義為歸一化的4階矩，對于其振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度指標(biāo)值約為3，隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度指標(biāo)值具有 與峰值因子類似的變化趨勢；3.2.2頻域特征參數(shù)分析當(dāng)軸承無故障運(yùn)行時(shí),能量基本上集中在低頻段;有故障時(shí),故障 引起的沖擊力或摩擦力激發(fā)起軸承的高頻振動,能量向中頻段及高頻 段轉(zhuǎn)移。信號的功率譜反映了信號的能量隨頻率的分布情況,即反映 了信號中的頻率成分以及各

12、頻率成分的能量大小情況。 由此可以看出,通過描述功率譜中主頻帶位置的變化及譜能量分布的分散程度,可以 較好地描述信號頻域特征的變化。 頻域參數(shù)主要有重心頻率、 均方頻 率、均方根頻率、頻率方差、頻率標(biāo)準(zhǔn)差等。3.3沖擊脈沖法（SPM法） 滾動軸承存在缺陷時(shí)，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異 物時(shí)，會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障的 程度，它還和軸承的線速度有關(guān)。目前，基于該原理的故障診斷設(shè)備 還廣泛應(yīng)用于工廠之中。在有關(guān)文獻(xiàn)中，作者對傳統(tǒng)SP啲檢測方法 進(jìn)行改進(jìn)，成功地建立聚丙烯造粒機(jī)滾動軸承的在線監(jiān)測儀器系統(tǒng)， 并在現(xiàn)場運(yùn)行中成功檢測出軸承的運(yùn)行故障，避免重大事故的發(fā)

13、生。3.4包絡(luò)分析法包絡(luò)分析是目前診斷軸承和齒輪故障的最有效方法。 包絡(luò)分析是 一種基于濾波檢波的振動信號處理方法。 包絡(luò)分析在進(jìn)行頻譜分析之 前，首先對振動信號進(jìn)行高通或帶通濾波，濾掉低頻成分，然后對信 號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)， 提取附載在高頻載波信號上的低頻調(diào)制信號。 最后 經(jīng)過低頻濾波，濾掉高頻載波，剩下包絡(luò)之后的低頻振動信號。目前，常用的包絡(luò)解調(diào)分析方法有:寬帶解調(diào)技術(shù)、共振解調(diào)技 術(shù)、選頻解調(diào)技術(shù)、Hilbert解調(diào)技術(shù)等。3.5小波分析小波分析是繼傅里葉分析之后， 在20世紀(jì)80年代開始逐漸發(fā)展成 熟起來的一個(gè)有力的信號分析工具。滾動軸承的故障特征信號比較 弱，被淹沒在高頻振動和噪聲中不容

14、易分辨， 然而經(jīng)典的功率譜方法 又難以檢測出信噪比較低的故障特征信號， 并且對微弱的故障特征信 號不敏感， 影響了診斷的可靠性和精確性。 小波分析具有多尺度性和 “數(shù)學(xué)顯微鏡”特性，這使得小波分析能識別振動信號中的突變信號。并且小波變換的空間局部化性質(zhì)用來來分析信號的奇異性是非常有 效的。小波變換可以對振動信號進(jìn)行不同層度的分解,獲取信號不同 尺度的輪廓信息和細(xì)節(jié)信息,其反映了信號的本質(zhì)信息從而為識別故 障特征信號和其干擾信號提供了可能。四、案例分析4.1電力機(jī)車滾動軸承診斷案例分析當(dāng)一個(gè)發(fā)生局部損傷的軸承運(yùn)行時(shí)，由于滾動體的不斷滾動，在接 觸損傷時(shí)會發(fā)生周期性的沖擊信號， 但在故障的早期階段

15、， 這些特征 往往淹沒于噪聲之中，很難分辨，這為更大的故障發(fā)生留下了隱患。 因此需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除， 保證機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行。 本節(jié)中將 基于改進(jìn)相鄰系數(shù)法的多小波降噪方法應(yīng)用于機(jī)車滾動軸承的早期 故障診斷中，致力于提取強(qiáng)噪聲背景下的微弱故障特 征。 這里所檢測的客運(yùn)型電力機(jī)車走行部的滾動軸承與1節(jié)中為同一軸承， 軸承參數(shù)如表1所示， 損傷如圖1所示。 測試時(shí)，采樣頻率為12800Hz軸承轉(zhuǎn)速為481r/rain?？捎?jì)算外圈的故障特 征頻率f=53Hz，而相應(yīng)的周期即為18.9ms采集到的時(shí)域振動信號如圖1所示?？梢钥吹?，噪聲強(qiáng)度很大， 淹沒了特征信息， 通過時(shí)域信號很難分辨出存在沖擊。圖

16、I外匾輕徹扌員傷的滾動軸童時(shí)咸信號首先采用FFT與譜峭度方法分析信號。其中，譜峭度方法是 近年來發(fā)展起來的一種有效提取故障特征的方法，該方法通過對信 號進(jìn)行分解獲得多個(gè)不同頻率中心與帶寬的頻帶，并在這樣的頻帶中依據(jù)峭度選擇敏感頻帶，并濾波獲得所關(guān)心的信號，從時(shí)域及頻域 分別檢測故障。圖2為信號的頻譜。圖2中顯示頻譜中頻率內(nèi)容非常 豐富，覆蓋了從低頻到高頻的范圍，而這其中沒有太突出的頻率成分，因此很難通過頻域直接獲得故障的特征信息。圖2為采用譜峭度方法濾出的峭度最高的頻段，帶寬為800Hz,中心頻率為6000Hz。從圖2中可以看到，在o.03s,0.08s以及o.16s,0.23s之間存在較 為

17、明顯的沖擊， 而其他位置的沖擊并沒有被準(zhǔn)確地提取。 因而， 在圖2中出現(xiàn)了53Hz中的譜線，但譜峰并不是很突出，而且由于譜峭度 運(yùn)算中的下抽樣運(yùn)算影響了平方包絡(luò)譜的精度，造成頻率分辨率下 降，因此，通過該結(jié)果來判斷故障存在并不嚴(yán)密。-2000OOS0.10.15020 250.300000“I .25其次，采用Db8單小波分別結(jié)合硬閾值、軟閾值及傳統(tǒng)相鄰系數(shù)法來對該信 號進(jìn)行降噪。圖3為采用Db8單小波硬閾值的降噪 結(jié)果。盡管圖3中沖擊特征較為突出，但在o.11s,0.15s之間的特征卻在閾值處理時(shí)被誤認(rèn)為是噪聲而置零了。而且，在t=0.21s附近出現(xiàn)了一條干擾線，這是對噪聲不能合理抑制造成的

18、。圖3為Db8單小波軟閾值降噪的結(jié)果。在圖3中0.05s,0.15s-內(nèi)的沖 擊均不能分辨出來，結(jié)果比較模糊。圖3中采用Db8單小波傳統(tǒng)相鄰 系數(shù)法降噪的結(jié)果要好于上面兩種方法， 沒有出現(xiàn)無關(guān)的干擾沖擊，但o.1ls,0.17s區(qū)間內(nèi)的沖擊仍然比較微弱，難以識別。0 05002i* 15芒區(qū)昌Q030120 301503035(b)甲if網(wǎng)匱加1慮出的倍號接下來GHh多小波用于對該軸承信號分解并降噪閾值降噪的結(jié)果。圖4中沖擊較為明顯，但無關(guān)的沖擊也較 多，這些無關(guān)信息干擾了對故障的判斷。其中，采用GHh多小波軟閾 值的結(jié)果與圖4中類似，由于軟閾值對系數(shù)的收縮作用，特征不夠突 出。而圖4中相鄰系

19、數(shù)法有效地抑制了無關(guān)沖擊， 但對于幾個(gè)微弱沖 擊的提取仍然不夠好。最后， 采用基于改進(jìn)相鄰系數(shù)法的多小波降噪方法 對該信號進(jìn)行分析，如 圖4所示?？梢钥吹?，該方法不僅準(zhǔn)確地提 取出所有的沖擊特征，而且對于無關(guān)的干擾信息的抑制也很成功， 清 晰地體現(xiàn)出外圈故障造成的周期性沖擊特征， 周期18. 9ms也驗(yàn)證了 該方法的有效性。4.2軸承振動分析實(shí)例在長期生產(chǎn)過程的狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，滾動軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)在其使用過程中有一定的規(guī)律性，并且重復(fù)性非常好。正常優(yōu)質(zhì)軸承在開 始使用005D1fi 15mi箱閾儉袖20020討間RS h)ttMBT憶*祐哦郴靜靠It痣麼3 Obfi羊爐漩痔發(fā)締甲時(shí)，振動幅值和

20、噪聲均比較小，但頻譜有些散亂（圖1）這可 能是由于制造過程中的一些缺陷，如表面毛刺等所致。運(yùn)行一段時(shí)間后，振動幅值和噪聲維持一定水平，頻譜非常單僅出現(xiàn)一、二倍頻。極少出現(xiàn)三倍工頻以上頻譜（圖2），軸承狀態(tài)非常穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定工作期繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，軸承幅值和噪聲開始增大（圖3），有時(shí)出現(xiàn)異響，但振動增大的變化較緩慢，此時(shí)，軸承峭度值由2.303突然達(dá)到33.47，可認(rèn)為軸承出現(xiàn)初期故障。這時(shí)，就要對該軸承進(jìn) 行嚴(yán)密監(jiān)測，密切注意其變化。3J!-151_ _ _mj4.3滾動軸承實(shí)際診斷要點(diǎn)在實(shí)際狀態(tài)監(jiān)測中，往往只需判斷滾動軸承好壞，能用多長時(shí)間 我們在現(xiàn)場診斷中，采用有量綱參數(shù)與無量綱參數(shù)相結(jié)

21、合，可快速判 斷出軸承故障，即采用振動速度結(jié)合軸承峭度值進(jìn)行綜合診斷。 當(dāng)兩 個(gè)條件均超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們判斷軸承存在故障。 。另外，當(dāng)監(jiān)測到滾動軸承低頻振動非常大時(shí)，排除機(jī)組不對中、不平衡、結(jié)構(gòu)松動 、基礎(chǔ)共振等結(jié)構(gòu)性因素后，即使無滾動軸承特 征頻率，也應(yīng)對滾O.iKMS50動軸承進(jìn)行檢修。4.4軸承滾動體故障診斷案例圖11為含有一個(gè)滾動體損傷時(shí)采集的振動數(shù)據(jù)波 形，此時(shí)滾動體的損傷程度是直徑0.18mm深0.28mm此時(shí)，軸承的回轉(zhuǎn)速度為1798r/min，則軸承回轉(zhuǎn)頻率f=29.97Hz,根據(jù) 式（3417）計(jì)算得到的滾動體損傷特征頻率f=11949Hz。圖1 2為振動信號分解到尺度3的8個(gè)

22、第二代小波包的能量分 布。圖12中序號為8的小波包能量最大，它所對應(yīng)的頻帶為52506000Hz圖13為該小波包的包絡(luò)譜，最大譜峰對應(yīng)的頻率正是滾動 體損傷特征頻率廠f。當(dāng)滾動體表面出現(xiàn)損傷時(shí)，如點(diǎn)蝕，損傷部分 通過軸承內(nèi)圈和外圈滾道時(shí),會產(chǎn)生沖擊振動,由圏r會有滾就萍撮傷的繚動軸鬲抒動弓號圖12輸承滾動體揺住前尺窒3小鍛包能皇分希于滾動軸承通常具有徑向間隙，根據(jù)損傷部分與內(nèi)圈或外圈tH間外JO小渡倒序號發(fā)生的位置不同，會發(fā)生振幅調(diào)制0.060.04 A015030045060073CEl 13團(tuán)秫能基昴大小波包的包絡(luò)譜4.5軸承滾動體故障定量診斷案例一滾動軸承在軸承試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試，滾動軸承

23、型號為552732QT振動加速度傳感器安裝于軸承外圈的垂直朝上位置，軸的轉(zhuǎn)速為503r/min,采樣頻率為12.8kHz。用3.4.1節(jié)的第二代小波包解調(diào)方法進(jìn)行三層分解分析測得的振動信號。圖14為振動信號 八個(gè)分解頻帶的時(shí)域重構(gòu)信號，d31、d32、d38分別表示第三層 的第一個(gè)頻帶、第二個(gè)頻帶、第八個(gè)頻帶的重構(gòu)信號。圏15算一小波包緡芋謂諸弁閃隹1L丨1s ta 14認(rèn)二忙小叢邑匣坯佶號圖15為振動信號由小到大依次為軸承保持架、輪對踏面、承滾動體、軸承外圈和軸承內(nèi)圈故障特征頻率處對應(yīng)的解調(diào)譜分貝 值。由圖15可以看出，在第六頻帶fd36的解調(diào)譜中軸承滾動體故障 特征頻率對應(yīng)分貝值為23.8854dB超出了預(yù)警值，表明滾動軸承 的滾