滾動軸承故障診斷頻譜分析

1、滾動軸承故障診斷1 （之國外專家版）滾動軸承故障現(xiàn)代工業(yè)通用機(jī)械都配備了相當(dāng)數(shù)量的滾動軸承。一般說來，滾動軸承都是機(jī)器中最精密的部 牛。通常情況下，它們的公差都保持在機(jī)器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經(jīng)驗 表明，只有10%以下的軸承能夠運(yùn)行到設(shè)計壽命年限。而大約40%的軸承失效是由于潤滑引起的故障，30%失效是由于不對中或“卡住”等裝配失誤，還有20%的失效是由過載使用或制造上缺陷等其它原因所致。如果機(jī)器都進(jìn)行了精確對中和精確平衡，不在共振頻率附近運(yùn)轉(zhuǎn)，并且軸承潤滑良好，那么機(jī)器運(yùn)行就會非?？?。機(jī)器的實際壽命也會接近其設(shè)計壽命。然而遺憾的是，大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場都沒有做到這些。因此有

2、很多軸承都因為磨損而永久失效。你的工作是要檢測出早期癥狀并估計故障的嚴(yán)重程度。振動分析和磨損顆粒分析都是很好的診斷方法。1、頻譜特征故障軸承會產(chǎn)生與1X基頻倍數(shù)不完全相同的振動分量一一換言之，它們不是同步的分量。對振動分析人員而言，如果在振動頻譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量那么極有可能是軸承出現(xiàn)故障的警告信號。振動分析人員應(yīng)該馬上診斷并排除是否是其它故障引起的這些不同步分量。如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關(guān)。如果同時還有諧波和邊頻帶出現(xiàn)，那么軸承磨損的可能性就非常大一一這時候你甚至不需要再去了解軸承準(zhǔn)確的擾動頻率。2、擾動頻率計算有四個與軸承相關(guān)的擾動頻率：球過內(nèi)圈頻率（ BPI）、球過外圈

3、頻率（BPO）、保持架頻率（FT） 和球的自旋頻率（BS）。軸承的四個物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑和接觸角。其中， BPI 和BPO的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果 BPO等于3.2 X, BPI等于4.8 X,那么滾珠/滾 柱的數(shù)量必定是8。軸承擾動頻率的計算公式如下:注意：BS的值可能會加倍，因為所給的公式針對的是球撞擊內(nèi)圈或外圈的情況。如果有庇點的滾球/滾柱同時撞擊內(nèi)圈和外圈，那么其頻率值應(yīng)該加倍o需要說明的是由于受到各種實際情況如滑動、打滑、磨損、軸承各參數(shù)的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，我們所計算出來的頻率值可能會與真實值有小范圍的差異。在檢查過程中你可能會經(jīng)常涉

4、及到滾珠的數(shù)目，對于軸承而言你所能了解到的信息可能只有滾珠（或滾柱）的數(shù)目。如果能夠根據(jù)頻譜（或其它地方）確定其中一個的擾動頻率，我們就可以根據(jù)它計算出其它的頻率。對于四個擾動頻率計算還有一個近似的經(jīng)驗公式可供參考。對于812個滾珠/滾柱的軸承：BPO通常等于滾珠數(shù)量的 0.4倍，BPI是滾珠數(shù)量的0.6倍，而FT等于0.4 XContact angle (cQWhere:Bull diameter (d)ll Limberof ball& (n)Pitch diameter (D)Defect on inner r5ce(BPl)Defect on outer race (BPO)D

5、efect on cage (FT)Defect on bdH (BS)1 D 2d1 -88號w河Ball diameter Pitch diameter Number of balls Contact angle1+ 9 cos ad =D =n = ct =Defect on inner race (BPI)= 0,6 r NDefect on outer race (BPO) = 0.4 n NDefect on cage (FT) = 0,4 NWhere: | = Speed (CPM)n 二 dumber of balls兇 ITfli UD3、軸承失效的九個階段有人把軸承失效劃

6、分為四個階段，在此我們?yōu)榱嗣枋龅酶釉敿?xì)將它細(xì)分為九個階段。第一階段：在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20 KHz60 KHz之間一一或更高。有多種電子設(shè)備可以用來檢測這些頻率，包括峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測量裝置。在這個階段，普通的頻譜上不會出現(xiàn)任何顯示。第二階段：卜于軸承上的庇點增大，使它在共振（固有）頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。第三階段：出現(xiàn)軸承故障頻率。開始的時候我們只能觀察到這個頻率本身。 圖中所示為軸承內(nèi)圈故障時的頻譜顯示。當(dāng)軸承磨損進(jìn)一步加劇后，在故障頻率（例子中的 BPI）處的波峰值將會升高。大多數(shù)情況下波峰值將隨著時間

7、線性增加。Bearings: Stage ThreeD&fect frequenciesultr*scnicNatural frequencies第四階段：卜著故障的發(fā)展，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可能 卜比基頻波峰更早被發(fā)現(xiàn)。因此，我們首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對應(yīng)的時域波形中同時也會出現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。故障頻率及其諧波的幅值在開始階段都比較低。如果你僅僅通過線性坐標(biāo)圖表來查看數(shù)據(jù)，很容易錯過這些重要的故障信號。因此，建議結(jié)合對數(shù)坐標(biāo)來進(jìn)行分析，從而及時發(fā)現(xiàn)軸承故障的早期顯 示。如果你想要進(jìn)行軸承的早期故障預(yù)報，那么就應(yīng)該

8、使用加速度為單位來采集高頻時域波形（使用加速度傳感器）一一也就是說，不要進(jìn)行積分。加速度能突出信號中的高頻成分，這對于我們的應(yīng)用來說是很理想的方法。第五階段：卜著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴(yán)重，振動級將繼續(xù)升高，同時出現(xiàn)更多的諧波。由于故障 自身的性質(zhì)，這時還會出現(xiàn)邊頻帶。時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過測量尖峰間的時間間隔來計算故障頻率。高頻率的軸承檢測，如峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢都在持續(xù)上升D efe ct freq Lie nci e £UHra sonicIN atural frequencies此時引起調(diào)制的原因有二個：第一種情形是當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)故障

9、時，如果它位于加載區(qū)域時，產(chǎn)生的沖 擊會更加劇烈，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)圈的故障頻率將被（內(nèi)圈的）旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，于是我們可以在 頻譜中看到1 X邊頻帶出現(xiàn)。F口果滾珠出現(xiàn)問題，也會因相同的原因，產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)在載荷區(qū)會產(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。該頻率低于1 X一典型的FT大約等于0.4 X。Weakest impacts - lowest amplitudeLodd znne - greatest impacts,我們能夠從頻譜中觀察到諧波，

10、特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經(jīng)能夠用肉眼觀察到了。這 時候，你就可以建議更換軸承了。此貼子已經(jīng)被 admin 于2006-11-2114:27:42編輯過工 2006-08-2912:52滾動軸承故障診斷2 第六階段: 1X處的幅值增大，并出現(xiàn)1X的諧波，這是由于磨損引起間隙增大的結(jié)果。第七階段：現(xiàn)在我們看見故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經(jīng)常被叫作"干草堆"。這是由于寬帶噪聲所致。在*近機(jī)器的地方，你還能聽到軸承發(fā)出的噪聲。在這個階段，高頻率的軸承測量量可能會逐漸減少。如果你用測量工具測到的振幅有下降趨勢，不要以為是情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，而應(yīng)該盡快去定購用來更換的軸承了！第八階

11、段：頻譜中的“干草堆”將繼續(xù)擴(kuò)大，諧波隨著松動的增加而增大，高頻率的軸承測量顯示出的趨勢可能會繼 續(xù)降低，但重要的是整個噪聲水平都在上升。你能清晰的聽到軸承發(fā)出的聲音，這預(yù)示著軸承即將報廢。第九階段：到了這個階段以后，頻譜會變得平直，因為機(jī)器已經(jīng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)了!4、解調(diào)頻譜及在滾動軸承診斷中的應(yīng)用振動解調(diào)可以在滾動軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息，并且可以跟蹤軸承的故障發(fā)展，在軸承故障的不同階段中以不同的信息反映軸承不同的故障狀態(tài)。4-1使用和認(rèn)識解調(diào)以上已經(jīng)論述了如下事實：在軸承故障的早期階段可以觀察到在機(jī)器固有頻率處的振動。軸承在固有頻率上產(chǎn)生“鳴叫”。軸承的損壞所引起的沖擊導(dǎo)致軸承 “鳴

12、叫”。因此，我們實際得到的是故障頻率的邊頻帶。（如在第二階段上的圖示）在軸承失效的晚期，我們也能觀察到在1X邊頻帶或保持架轉(zhuǎn)速的邊頻帶調(diào)制，他們分別代表了軸承內(nèi)圈和滾珠的故障。（如在第五階段上的圖示）4-2解調(diào)結(jié)合上述兩種情形，我們會想：如果能夠檢測到故障頻率邊頻帶的軸承共振是否就還能給出非常早的軸承磨損警告呢？答案是肯定的。但是由于測量的是高頻低幅信號，因此它容易被其他振源信號所掩蓋。一種解決方法就是對信號進(jìn)行解調(diào)。 簡單的說，就是首先使用高通濾波器過濾主要的低頻成份，然后進(jìn)行檢波,接著為了抗混頻還需要使用低通濾波器去除高頻信號。仔細(xì)查看頻譜，你會在原始信號中發(fā)現(xiàn)許多振動源，特別是那些比軸承

13、共振幅值還高的地方。如果我們查看時域波形，會發(fā)現(xiàn)正弦信號與密集的高頻雜波相伴。動態(tài)的高頻雜波來源于軸承的“鳴叫”。首先是要通過高通濾波器濾掉低頻信號并讓高頻信號通過。濾波器可以設(shè)置成讓高于2000Hz的頻率通過（用于軸承分析）。結(jié)果信號仍然包含高頻成份，但較高振幅的信號應(yīng)已經(jīng)被過濾掉了。時域波形上也只剩下軸承的沖擊信號，這才是最重要的信息。二滾動軸承故障診斷3（續(xù)上貼）其次，我們將頻率坐標(biāo)上部的邊頻帶“迭放”到“基帶”上?？梢杂媒庹{(diào)器來實現(xiàn)，實際上它就相當(dāng)于一個典型的整流器（翻轉(zhuǎn)所有的負(fù)向信號）。整流的過程中會去掉負(fù)向信號，剩下的就只是正向信號了。如（Rectified signal整流信號圖

14、所示）之后，我們?yōu)V掉來自其他調(diào)制源的殘余信號。一些解調(diào)器產(chǎn)品允許手動控制濾波器，然而大多數(shù)情況下該功能都由數(shù)據(jù)采集器中的抗混頻濾波器來完成（基于選擇的頻率范圍）。對時域波形而言，所有的高頻信息都被濾掉。有人也把它叫做“包絡(luò)檢定器”。解調(diào)測試最重要的是選擇頻率范圍。一般的原則是：范圍應(yīng)控制在1520X （也就是運(yùn)行速度的1520倍）之間。我們的目的是要確保最后只留下需要的調(diào)制信號。機(jī)器可能多半會有其他的調(diào)制信號源，因此最佳的規(guī)則是：把頻率范圍設(shè)定為整個邊頻帶寬度的一半。到最后，留下的信號應(yīng)該是有一系列很強(qiáng)的諧波這取決于故障的嚴(yán)重程度了。解調(diào)頻譜與普通振動頻譜相比有些不同。你不是根據(jù)振幅大小來確定

15、故障的嚴(yán)重程度，而是通過測量數(shù)據(jù)間的對比分析來進(jìn)行判斷，最重要的是將波峰和噪聲水平進(jìn)行比較。一般說來當(dāng)損壞程度較低時波峰將非常小。隨著故障破壞的進(jìn)一步發(fā)展，振動波峰將逐漸從噪聲中凸顯出來。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，波峰值將高出噪聲水平約20 dB （ 100 X） 。當(dāng)軸承破壞非常嚴(yán)重處于前面所述的第七或第八階段時，噪聲水平將上升到接近波峰處。這是一個非常糟糕的信號預(yù)示著軸承即將完全失效！該過程也可適用于機(jī)器的其它故障分析：齒輪嚙合分析、電機(jī)電流分析、電動機(jī)氣隙偏心分析和其它調(diào)制信號源。（注：在齒輪箱中經(jīng)常會發(fā)生頻率調(diào)制，這可能導(dǎo)致分析振幅解調(diào)數(shù)據(jù)時得到錯誤的結(jié)果。這個問題已超出本討論的范圍，但必須對

16、此有所認(rèn)識。）軸承的解調(diào)測試的一個好處是能夠幫助你查明具體哪個軸承出現(xiàn)了故障。如果你不知道軸承的詳細(xì)參數(shù)，也不知道故障頻率，或你知道了故障頻率，但機(jī)器上有多個同樣的軸承。那么我們可以對所有的軸承進(jìn)行檢測，或只取其一個作診斷測試，都能把問題軸承找出。5 、沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等（僅作簡單論述）不同的監(jiān)測公司往往采用了不同的監(jiān)測技術(shù)。其中包括：沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等等。簡單的說，這些方法就是利用軸承發(fā)生故障時出現(xiàn)的癥狀進(jìn)行診斷，故障軸承開始會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，然后發(fā)生共振或發(fā)出鳴叫聲。而前面討論的解調(diào)技術(shù)將產(chǎn)生一種頻譜，沖擊脈沖法（SPM ） 、峰值能量法和其它一些技術(shù)則能夠產(chǎn)生一個（或兩個）能顯示出趨勢的值。隨著趨勢值的升高，軸承損壞的可能性也跟著增加?；驹恚河蓻_擊產(chǎn)生的振動把能量注入到所有的頻率中。在0-3KHz 正常頻率段內(nèi)，因為混有其它振動信號源而很難被檢測到。但當(dāng)達(dá)到傳感器的共振頻率時，除了瞬態(tài)沖擊波外沒有其它強(qiáng)的振動信號源（不平衡、不對中等