滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷

第４章滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷

４.１軸承主要故障形式４.２滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法機(jī)械故障診斷學(xué)AnhuiUniversityofTechnology2021/3/29星期一1AnhuiUniversityofTechnology４.１軸承主要故障形式一、概述滾動(dòng)軸承是機(jī)器中最易損壞的零件之一，約占旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的30%產(chǎn)生各種各樣軸承缺陷原因：由于設(shè)計(jì)、加工、安裝不好，或軸承服役條件不佳，突出載荷的襲擊等，運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)檢測(cè)這些缺陷的方法很多，如：振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、聲發(fā)射、鐵譜等技術(shù)或直接測(cè)定溫度振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)最為可靠容易實(shí)現(xiàn)因?yàn)榇蟛糠挚蓺w納為表面劣化而使振動(dòng)加劇，所以與表面狀態(tài)有關(guān)的振動(dòng)信號(hào)成了檢測(cè)軸承狀態(tài)的重要資料專(zhuān)用儀器，如：測(cè)定波峰因素的BK-2511振動(dòng)儀、日本NB-3軸承監(jiān)視器、瑞典MEPA-43沖擊脈沖儀、SPM及美國(guó)IRD820振動(dòng)脈沖能量和峰值分析儀（用于在線）2021/3/29星期一2研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.１軸承主要故障形式二、軸承主要故障形式磨損：磨料磨損（雜質(zhì)）和摩擦磨損（潤(rùn)滑惡化）疲勞剝落：交變應(yīng)力作用、微小裂紋的發(fā)展、生繡等原因引起裂紋：由材料缺陷或交變載荷、應(yīng)力集中、潤(rùn)滑不良等引起腐蝕：濕氣或水侵入潤(rùn)滑油、較大電流引起電腐蝕壓痕：過(guò)載、撞擊或異物進(jìn)入滾道膠合和點(diǎn)蝕：因?yàn)楦鞣N原因，當(dāng)軸承在高溫、高速、重載、瞬間載荷等使用條件下，滾道或滾動(dòng)體表面產(chǎn)生微小燒損點(diǎn)，滾道和滾動(dòng)體表面溫度過(guò)高而使局部熔合在一起即膠合。其他故障形式：破損、燒損、電蝕等

2021/3/29星期一3研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征滾動(dòng)軸承元件出現(xiàn)缺陷時(shí)，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，缺陷每接觸一次就會(huì)產(chǎn)生一次沖擊振動(dòng)，具有一定的周期性，其振動(dòng)頻率在0～20kHz。一、滾動(dòng)軸承的低頻振動(dòng)（接觸頻率---缺陷特征頻率）假設(shè)：（1）滾動(dòng)環(huán)和滾動(dòng)體之間無(wú)滑動(dòng)；（2）徑向、軸向受載荷時(shí)個(gè)部分無(wú)變形

滾珠軸承對(duì)應(yīng)于元件缺陷的頻率為（不是滾柱軸承）：滾珠通過(guò)內(nèi)圈滾道

滾珠通過(guò)外圈滾道

滾動(dòng)體缺陷

保持架不平衡

式中：z滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；d滾動(dòng)體直徑；D滾道節(jié)徑；f0軸承回轉(zhuǎn)頻率，為每秒轉(zhuǎn)數(shù)n/60。

接觸角：滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角。

2021/3/29星期一4研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology與軸承結(jié)構(gòu)有關(guān)(由于外力的激勵(lì)就會(huì)引起振動(dòng)，不管軸承有無(wú)故障均存在，但不能表征軸承的異常，所以要加以區(qū)分類(lèi)型

)４.２滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征二、滾動(dòng)軸承的固有頻率（共振頻率）

鋼球的固有頻率為

軸承圈在圈平面內(nèi)的固有頻率（內(nèi)外圈彎曲方向的）為

式中：E彈性模量；I軸承圈橫截面的慣性矩；γ材料密度；A軸承圈橫截面積；n振動(dòng)階數(shù)。G重力加速度；R鋼球半徑；D軸承圈橫截面中性軸直徑。此為圓環(huán)彎曲方向的振動(dòng)頻率，還有內(nèi)外徑半徑方向、扭力方向的振動(dòng)，式中計(jì)算為單體共振頻率，具結(jié)構(gòu)其計(jì)算有變化。一般固有頻率在數(shù)千HZ到數(shù)十千HZ，人耳聽(tīng)不見(jiàn)

2021/3/29星期一5研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征三、滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征（特征頻率成分）其中，n為正整數(shù)；Z為鋼球數(shù)目；fc為保持架頻率；f0為軸承回轉(zhuǎn)頻率。2021/3/29星期一6研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特征其中，fbi為鋼球在內(nèi)圓滾道上的通過(guò)頻率；f0振動(dòng)頻率；fc為保持架轉(zhuǎn)速；fb滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的頻率。2021/3/29星期一7研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法一、簡(jiǎn)易診斷法（僅判斷有無(wú)異常）1、測(cè)定部位的選擇注意：（1）測(cè)定部位不要改變，以保證前提一致，最好是軸承座；（2）測(cè)頭接觸表面光滑牢固；（3）一般在垂直、軸向兩方向上測(cè)量。速度需三個(gè)方向，加速度一個(gè)方向即可。軸承座露在外面，測(cè)定部位：軸承座；軸承座在內(nèi)部，測(cè)定部位：軸承座剛性高的部位或基礎(chǔ)。

2、測(cè)定參數(shù)軸承振動(dòng)頻率范圍在幾HZ到數(shù)千HZ。一般小于10HZ，測(cè)位移；

10HZ至1KHZ（中頻），測(cè)速度；大于1KHZ（高頻），測(cè)加速度（常用于大于10KHZ）。常用速度和加速度，為去除其它振動(dòng)信號(hào)，用濾波器取所需帶寬。3、測(cè)定周期測(cè)定時(shí)間間隔取決于經(jīng)濟(jì)性，且不漏異常情況，越短越好。2021/3/29星期一8研究目標(biāo)4、判別標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)值判別標(biāo)準(zhǔn)和相對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)，兼用。適用于所有軸承的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，同一種軸承用于不同的場(chǎng)合其判別標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。所以一定要注意使用場(chǎng)合選擇合適的判別標(biāo)準(zhǔn)。低頻部分的絕對(duì)值判別標(biāo)準(zhǔn)難以確定，用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)或相對(duì)判定法，故對(duì)于同時(shí)存在高、低頻的軸承振動(dòng)要用兩個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別。5、簡(jiǎn)易診斷首先檢查潤(rùn)滑狀態(tài)，加油后數(shù)小時(shí)數(shù)天后測(cè)量，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)明顯增大，則要判別是否異常；根據(jù)各自情況制定出專(zhuān)門(mén)的絕對(duì)值標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定同條件下的振動(dòng)初始值，即相對(duì)值判別標(biāo)準(zhǔn)；確定判定方案，包括：位置、方向、參數(shù)、周期等。測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，作出比較判斷或進(jìn)一步作譜分析。AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法2021/3/29星期一9研究目標(biāo)二、低頻信號(hào)診斷法AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－低頻信號(hào)診斷法通過(guò)直接測(cè)量滾動(dòng)軸承損壞出現(xiàn)的振動(dòng)，從振動(dòng)譜圖上觀察突出的譜線頻率來(lái)診斷軸承故障。2021/3/29星期一10研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology頻率成分激發(fā)頻率故障說(shuō)明理論值Hz實(shí)驗(yàn)值Hz保持架回轉(zhuǎn)頻率fc18.8036.102倍保持回轉(zhuǎn)頻率，滾動(dòng)元件或保持架不規(guī)則轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率f050.0050.65轉(zhuǎn)子不平衡內(nèi)圈軌道頻率FBi206.25200.95內(nèi)圈不規(guī)則滾動(dòng)體回轉(zhuǎn)頻率fb187.50380.002倍關(guān)系，滾動(dòng)體缺陷４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－低頻信號(hào)診斷法2021/3/29星期一11研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－包絡(luò)法三、包絡(luò)法（共振解調(diào)法）

軸承發(fā)生故障時(shí)，將引起一系列沖擊脈沖，在頻域中含有基頻及其一系列高階諧波，經(jīng)過(guò)傳感器拾取及電路諧振，----高頻自由衰減振動(dòng)，即傳感器振動(dòng)被故障脈沖響應(yīng)調(diào)制，此高頻振動(dòng)的幅值受到軸承缺陷引起的脈動(dòng)激發(fā)力的調(diào)制．包絡(luò)法中，信號(hào)先被濾去其他低頻分量（燥聲）而只取經(jīng)調(diào)制的高頻分量（高頻自由衰減振動(dòng)），再經(jīng)放大、濾波后送入峰值跟蹤器解調(diào)（或低通濾波器），即可得到原來(lái)的低頻脈動(dòng)信號(hào)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軸承缺陷的頻譜分析。所得解調(diào)波與故障脈沖有唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，解調(diào)波的幅度反映故障嚴(yán)重程度，而解調(diào)波的基頻為軸承故障頻率（特征頻率）包絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)是它有效地消除了各種低頻成分的干擾，更為突出地顯示故障的頻譜特征，提取有用信息使診斷結(jié)果更準(zhǔn)確。2021/3/29星期一12研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－包絡(luò)法低頻信號(hào)接收法和包絡(luò)法拾取信號(hào)過(guò)程2021/3/29星期一13研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－包絡(luò)法低頻信號(hào)接收法和包絡(luò)法得到的譜圖圖中a、c無(wú)故障，b、d有故障，a、b低頻信號(hào)接收法，c、d包絡(luò)法

2021/3/29星期一14研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－聲發(fā)射診斷法四、聲發(fā)射診斷法

原理：疲勞斷裂——交變載荷作用，金屬產(chǎn)生錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，首先產(chǎn)生疲勞裂紋，再沿著最大切向應(yīng)力方向擴(kuò)展（一般是外圈），直至斷裂。疲勞磨損——循環(huán)接觸壓應(yīng)力周期地作用在摩擦表面上，金屬晶格的彈性應(yīng)力達(dá)到臨界值就會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展出現(xiàn)麻點(diǎn)、微粒脫落。這些軸承故障的發(fā)生與發(fā)展都伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)出。金屬材料聲發(fā)射頻率為幾十到幾百兆赫，信號(hào)強(qiáng)度為幾微伏到幾百伏。故障的聲發(fā)射明顯強(qiáng)于燥聲的聲發(fā)射。所以以聲發(fā)射信號(hào)作為分析源，來(lái)研究其頻譜。（特別用于初期診斷效果好）聲發(fā)射：當(dāng)固體受力的作用時(shí)，由于內(nèi)部缺陷的存在，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使塑性變形加大或形成裂紋及擴(kuò)展，這時(shí)均要釋放彈性波（應(yīng)變能）。當(dāng)零件多時(shí)或系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，振動(dòng)信號(hào)分析法信號(hào)復(fù)雜而受到限制。2021/3/29星期一15研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動(dòng)軸承故障診斷法－－聲發(fā)射診斷法聲發(fā)射法特（優(yōu)）點(diǎn)１、特征頻率明顯用振動(dòng)加速度計(jì)和聲發(fā)射傳感器在同一部位測(cè)得信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，比較如圖：

a)軸承聲發(fā)射頻譜圖b)軸承振動(dòng)信號(hào)頻譜圖2021/3/29星期一16研究目標(biāo)AnhuiUniversityofTech