版設(shè)備故障診斷下篇軸承

第六章滾動軸承的缺點(diǎn)機(jī)理及診斷技術(shù)

滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械零件，也是最易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的許多缺點(diǎn)都與滾動軸承有關(guān)，軸承的任務(wù)好壞對機(jī)器的任務(wù)形狀有很大影響，其缺陷會導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動和噪聲，甚至呵斥設(shè)備損壞。

11、滾動軸承的失效與振動測定1.1滾動軸承的失效方式滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于裝配不當(dāng)、光滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都能夠使軸承過早損壞。即使不出現(xiàn)上述情況，經(jīng)過一段時間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常任務(wù)?？傊?，滾動軸承的損傷方式是非常復(fù)雜的。21.2滾動軸承的振動測定

滾動軸承產(chǎn)生的振動信號中，含有豐富的有用信息。利用振動信息對滾動軸承進(jìn)展缺點(diǎn)診斷是非常有效的。

1.2.1測定部位

測定部位選擇的根本思緒是選擇在離軸承最近、最能反映軸承振動的位置上。普通講，假設(shè)軸承座是外露的，測點(diǎn)位置可直接選在軸承座上；假設(shè)軸承座是非外露的，測點(diǎn)應(yīng)選擇在軸承座剛性較好的部分或根底上。同時，應(yīng)在測點(diǎn)處做好標(biāo)志，以保證不會由于測點(diǎn)部位的不同而導(dǎo)致丈量值的差別。3由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此普通情況下都應(yīng)按圖3-l所示那樣在程度〔x〕，垂直〔y〕和軸向〔z〕三個方向上進(jìn)展檢測。假設(shè)由于設(shè)備的構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于平安方面的思索，不能夠在上述的三個方向上都進(jìn)展檢測時，可選擇其中的兩個方向進(jìn)展檢測，如在x、z或y、z向進(jìn)展丈量；假設(shè)僅對高頻振動成分感興趣，那么可以只在最容易檢測的方向上丈量，如y方向上。451.2.2測定參數(shù)根據(jù)滾動軸承的固有特性、制造條件、運(yùn)用情況的不同，它所引起的振動能夠是頻率為1kHz以下的低頻脈動，也能夠是頻率為1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動，更多的情況是同時包含了上述兩種振動成分。因此，通常檢測的振動速度和加速度分別覆蓋了上述的兩個頻帶，必要時可用濾波器取出需求的頻率成分。假設(shè)是在較寬的頻帶上檢測振動級，那么對于要求低頻振動小的軸承檢測振動速度，而對于要求高頻振動小的軸承檢測振動加速度。

61.2.3測定周期滾動軸承的振動檢測可分為定期檢測和延續(xù)在線監(jiān)測兩種。對于定期檢測，為了早期發(fā)現(xiàn)軸承缺點(diǎn)，以免缺點(diǎn)迅速開展到嚴(yán)重的程度，檢測的周期應(yīng)盡能夠短一些。但假設(shè)檢測周期定得過短，那么在經(jīng)濟(jì)上能夠是不合理的。因此，應(yīng)綜合思索技術(shù)上的需求和經(jīng)濟(jì)上的合理性來確定合理的檢測周期。7延續(xù)在線監(jiān)測主要適用于重要場所或由于工況惡劣不易接近滾動軸承的場所，以及滾動軸承加速劣化的階段，相應(yīng)的監(jiān)測儀器較定期檢測的儀器要復(fù)雜，本錢也要高些。2、滾動軸承的振動機(jī)理2.1滾動軸承振動的根本參數(shù)2.1.1.滾動軸承的典型構(gòu)造及其頻率特征8圖4-1為滾動軸承的典型構(gòu)造，它由內(nèi)圈、外圈、滾動體和堅(jiān)持架四部分組成。假設(shè)滾道面與滾動體之間無相對滑動；接受徑向、軸向載荷時各部分無變形；外圈固定，那么滾動軸承任務(wù)時的特征頻率如下：91011以上各特征頻率是利用振動診斷滾動軸承缺點(diǎn)的根底。122.1.2滾動軸承的固有振動頻率滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于滾動體與內(nèi)圈或外圈沖擊而產(chǎn)生振動，這時的振動頻率為軸承各部分的固有頻率。固有振動中，外圈的振動表現(xiàn)最明顯，計算內(nèi)圈及外圈的固有振動頻率時，將它們看作為矩形截面的圓環(huán)，故可用如下近似公式：13滾動軸承的固有振動頻率很高，經(jīng)常有數(shù)千赫至數(shù)萬赫。142.2滾動軸承的振動特征2.2.1滾動軸承的振動方式引起滾動軸承振動的緣由很多，除了其本身的固有振動以外，還包括以下振動：〔1〕軸承構(gòu)造引起的振動圖4-3所示的軸承，隨滾動體位置不同，其承載形狀也不斷變化，這將導(dǎo)致內(nèi)、外圈和滾動體產(chǎn)生彈性變形而引起振動。圖4-4為一個滾動體的直徑比其它滾動體直徑大時的情況。由于滾動體直徑不一致，因剛性不同而引起振動。1516〔2〕滾動體的非線性伴生振動滾動軸承靠滾道與滾動體的彈性接觸來接受載荷，具有一定的彈性，其剛性很高；當(dāng)軸承光滑不良時，就會出現(xiàn)非線性的特性，如圖4-5所示，從而產(chǎn)生非線性振動。〔3〕由于精加工波紋引起的振動假設(shè)加工制造時，在滾道或滾動體上留有如圖4-6所示的加工波紋，那么當(dāng)凸起數(shù)目到達(dá)一定量值時，會產(chǎn)生特有的振動。1718〔4〕因滾動軸承損傷引起的振動當(dāng)軸承損傷時，如圖4-7所示的軸承偏心和內(nèi)圈點(diǎn)蝕，就會引起相應(yīng)的沖擊振動。

2.2.1滾動軸承的振動機(jī)理滾動軸承的振動很復(fù)雜，種類繁多。滾動軸承的任務(wù)形狀往往和回轉(zhuǎn)軸有很大關(guān)系。假設(shè)回轉(zhuǎn)軸既有撓度又有傾角，就構(gòu)成了復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。為闡明問題，現(xiàn)以滾動體直徑不一致為例闡明其振動機(jī)理。1920212223243、滾動軸承的缺點(diǎn)診斷方法

滾動軸承的監(jiān)測診斷技術(shù)有很多種，如振動信號分析診斷、聲發(fā)射診斷、油液分析診斷、光纖監(jiān)測診斷等，它們各具特點(diǎn)，其中振動信號分析診斷技術(shù)運(yùn)用最為廣泛。3.1振動信號分析診斷滾動軸承的振動信號分析缺點(diǎn)診斷方法可分為簡易診斷法和精細(xì)診斷法兩種。簡易診斷的目的是初步判別被列為診斷對象的滾動軸承能否出現(xiàn)了缺點(diǎn)；精細(xì)診斷的目的是要判別在簡易診斷中被以為是出現(xiàn)了缺點(diǎn)的軸承的缺點(diǎn)類別及緣由。253.1.1滾動軸承缺點(diǎn)的簡易診斷法

在利用振動對滾動軸承進(jìn)展簡易診斷的過程中，通常是要將測得的振值〔峰值、有效值等〕與預(yù)先給定的某種斷定規(guī)范進(jìn)展比較，根據(jù)實(shí)測的振值能否超出了規(guī)范給出的界限來判別軸承能否出現(xiàn)了缺點(diǎn)，以決議能否需求進(jìn)一步進(jìn)展精細(xì)診斷。因此，斷定規(guī)范就顯得非常重要。

用于滾動軸承簡易診斷的斷定規(guī)范可大致分為三種：

26〔1〕絕對斷定規(guī)范是用于判別實(shí)測振值能否超限的絕對量值?！?〕相對斷定規(guī)范是對軸承的同一部位定期進(jìn)展振動檢測，并按時間先后進(jìn)展比較，以軸承無缺點(diǎn)情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)展判別的規(guī)范?！?〕類比斷定規(guī)范是對假設(shè)干同一型號的軸承在一樣的條件下在同一部位進(jìn)展振動檢測，并將振值相互比較進(jìn)展判別的規(guī)范。27需求留意的是，絕對斷定規(guī)范是在規(guī)定的檢測方法的根底上制定的規(guī)范，因此必需留意其適用頻率范圍，并且必需按規(guī)定的方法進(jìn)展振動檢測。適用于一切軸承的絕對斷定規(guī)范是不存在的，因此普通都是兼用絕對斷定規(guī)范、相對斷定規(guī)范和類比斷定規(guī)范，這樣才干獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。l〕振動信號簡易診斷法①振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值Xp、均值x〔對于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動為經(jīng)絕對值處置后的平均值〕以及均方根值〔有效值〕Xrms。28這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是經(jīng)過將實(shí)測的振幅值與斷定規(guī)范中給定的值進(jìn)展比較來診斷的。

峰值反映的是某時辰振幅的最大值，因此它適用于象外表點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的缺點(diǎn)診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況〔如300r／min以下〕也常采用峰值進(jìn)展診斷。

均值用于診斷的效果與峰值根本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是檢測值較峰值穩(wěn)定，但普通用于轉(zhuǎn)速較高的情況〔如300r／min以上〕。

29均方很值是對時間平均的，因此它適用于象磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的缺點(diǎn)診斷。②波形因數(shù)診斷法波形因數(shù)定義為峰值與均值之比〔Xp／X〕該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效目的之一。圖4-9所示，當(dāng)〔Xp／X〕值過大時，闡明滾動軸承能夠有點(diǎn)蝕；而〔Xp／X〕值過小時，那么有能夠發(fā)生了磨損。30③波峰因數(shù)診斷法波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比〔Xp／Xrms〕。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點(diǎn)在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點(diǎn)蝕類缺點(diǎn)的診斷。經(jīng)過對Xp／Xrms值隨時間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動軸承缺點(diǎn)進(jìn)展早期預(yù)告，并能反映缺點(diǎn)的開展變化趨勢。當(dāng)滾動軸承無缺點(diǎn)時，Xp／Xrms為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，那么會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故Xp／Xrms增大；當(dāng)缺點(diǎn)不斷擴(kuò)展，峰值逐漸到達(dá)極限值后，均方根值那么開場增大，Xp／Xrms逐漸減小，直至恢復(fù)到無缺點(diǎn)時的大小。3132④概率密度診斷法

無缺點(diǎn)滾動軸承的振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)缺點(diǎn)，那么概率密度曲線能夠出現(xiàn)偏斜或分散的景象，如圖4-l0所示。⑤峭度系數(shù)診斷法峭度〔Kurtosis〕定義為歸一化的4階中心矩，即3334振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無缺點(diǎn)軸承，其峭度值約為3。隨著缺點(diǎn)的出現(xiàn)和開展，峭度值具有與波峰因數(shù)類似的變化趨勢。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類缺點(diǎn)的診斷。352〕沖擊脈沖法〔SPM法〕沖擊脈沖法〔ShockPulseMethod〕的原理是，滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有缺陷〔如疲勞剝落、裂紋、磨損和混入雜物〕時，就會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。由于阻尼的作用，脈沖性振動是一種衰減性振動，因此沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了缺點(diǎn)的程度。

36當(dāng)滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖值〔dB值〕很小；隨著缺點(diǎn)的開展，脈沖值逐漸增大。當(dāng)沖擊能量到達(dá)初始值的1000倍〔60dB〕時，就以為該軸承的壽命曾經(jīng)終了。當(dāng)軸承任務(wù)外表出現(xiàn)損傷時，所產(chǎn)生的實(shí)踐脈沖值用dBsv表示，它與初始脈沖值dB；之差稱為規(guī)范沖擊能量dBN37沖擊脈沖法在現(xiàn)場運(yùn)用之中往往由于閱歷缺乏、對設(shè)備工況條件思索不周呵斥診斷失誤。因此采用此方法進(jìn)展診斷時應(yīng)留意以下幾方面問題：38①傳感器的安裝對于固定式安裝的SPM傳感器，經(jīng)常會由于機(jī)器本身的構(gòu)造限制，無法完全到達(dá)SPM傳感器的安裝規(guī)范，呵斥信號衰減。②設(shè)備安裝條件對滾動軸承形狀有明顯影響的設(shè)備安裝要素主要有：不對中和軸彎曲。這兩種安裝形狀都會使軸承產(chǎn)生不均勻載荷，對軸承油膜的構(gòu)成呵斥很大影響。這一方面會加劇軸承形狀的惡化；另一方面，在軸承形狀惡化以前也會呵斥沖擊值增大，構(gòu)成誤報警。因此，對于此類軸承，在加強(qiáng)監(jiān)護(hù)的同時，對其報警限要適當(dāng)放寬。39③對輔助傳動軸承的思索對于輔助傳動軸承，由于經(jīng)常處于從動輕載荷情況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的規(guī)范值小很多，但同時由于載荷小而容易受其它軸承或齒輪沖擊值的影響，使沖擊值快速增高，因此對此類軸承應(yīng)放寬其下限，但上限應(yīng)根本不變。403〕共振解調(diào)法〔IFD法〕

共振解調(diào)法也稱為早期缺點(diǎn)探測法OncipientFailureDetection人它是利用傳感器及電路的諧振，將軸承缺點(diǎn)沖擊引起的衰減振動放大，從而提高了缺點(diǎn)探測的靈敏度；同時，還利用解調(diào)技術(shù)將軸承缺點(diǎn)信息提取出來，經(jīng)過對解調(diào)后的信號作頻譜分析，用以診斷軸承缺點(diǎn)。

41滾動軸承因缺點(diǎn)引起的沖擊振動由沖擊點(diǎn)〔缺陷處〕以半球面波方式向外傳播，經(jīng)過軸承零件到軸承座〔電動機(jī)端蓋〕。由于沖擊振動所含的頻率很高，經(jīng)過零件的界面?zhèn)魉鸵淮?，其能量損失約80％，使原來就非常微弱的缺點(diǎn)信號更為微弱。然而，由于沖擊脈沖有著非常寬闊的頻譜，由低頻不斷到數(shù)百千赫的頻譜幾乎是等幅度，這一寬帶沖擊力頻譜覆蓋了軸承零件、傳感器、軸承座等的固有頻率，軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起軸承座和軸承各零件以其固有頻率振動，振動能量隨著機(jī)械構(gòu)造的阻尼而衰減。因此，這種由部分缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，其頻率成分有反響軸承缺點(diǎn)特征的間隔頻率，還包含有反映軸承元件、軸承座的自振頻率成分。42假設(shè)把軸承--丈量傳感器系統(tǒng)看作是一個線性系統(tǒng)，那么在軸承座上測得的振動呼應(yīng)應(yīng)為軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊鼓勵下所產(chǎn)生的呼應(yīng)，它包含了軸承彈性系統(tǒng)諧振在內(nèi)的一種寬帶呼應(yīng)，然后經(jīng)過軸承座等構(gòu)造的傳送，把軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時的振動傳送到安裝傳感器的部位。軸承振動信號經(jīng)上述線性系統(tǒng)后，其呼應(yīng)y〔t〕可以寫成輸入信號的傅里葉變換F〔〕和線性系統(tǒng)頻率呼應(yīng)函數(shù)H〔t〕乘積的傅里葉逆變換43對上述線性系統(tǒng)，可以近似看作是一個由幾個中心頻率分別為軸承元件及軸承座固有頻率、帶寬f較窄的帶通濾波器串聯(lián)，因此輸入的缺點(diǎn)軸承信號可以看作是繼續(xù)時間為、幅度為c的延續(xù)脈沖，那么對一個帶通濾波器，此時呼應(yīng)y1〔t〕可以近似地寫成4445由上式可知，帶通濾波器對單個矩形脈沖的呼應(yīng)是一頻率為f、幅值交變的振蕩信號，在t=t0時有最大值。假設(shè)脈沖是延續(xù)的，經(jīng)帶通濾波器后的呼應(yīng)取包絡(luò)后也是一個脈沖周期函數(shù)，而且其周期的大小與軸承缺點(diǎn)引起輸入的鼓勵脈沖周期是相等的，對這個呼應(yīng)信號再進(jìn)展頻譜分析，頻譜圖上只會出現(xiàn)缺點(diǎn)頻率及其諧波的譜線，避開了調(diào)制邊頻和其它與缺點(diǎn)無關(guān)的低頻信號的影響。46利用解調(diào)技術(shù)，對解調(diào)后的信號進(jìn)展頻譜分析的信號變換過程如圖4-11所示。軸承缺點(diǎn)引起的沖擊脈沖F〔t〕經(jīng)傳感器拾取及電路諧振，得到放大的高頻衰減振動a〔t〕再經(jīng)包絡(luò)檢波得到的波形a1〔t〕相當(dāng)于將缺點(diǎn)引起的脈沖加以放大和展寬，并且摒除了其他的機(jī)械干擾，最后作頻譜分析可得到與缺點(diǎn)沖擊周期T相對應(yīng)的頻率成分f及其高次諧波。據(jù)此，用以對滾動軸承缺點(diǎn)及缺點(diǎn)部位進(jìn)展診斷。473.1.2滾動軸