滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障判斷

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要組成部分，同時(shí)也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最容易出現(xiàn)故障的部件之一。它具有造價(jià)較低、潤(rùn)滑冷卻方便、運(yùn)行靈敏、使用效率較高、維修便捷等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障率中有近30%的故障是由于滾動(dòng)軸承發(fā)生故障而引起的，所以，對(duì)滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷進(jìn)行研究勢(shì)在必行。監(jiān)測(cè)與診斷的目的和意義滾動(dòng)軸承正常運(yùn)行與否，對(duì)于整機(jī)的可靠性、精度以及壽命等性能有很大的影響。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障率中有近30%的故障是由于滾動(dòng)軸承發(fā)生故障而引起的，在將故障診斷技術(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)中以后，事故率降低近70%，同時(shí)降低的維修費(fèi)用也有近40%。利用軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以了解軸承的使用性能，并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行早期檢測(cè)，分析和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，進(jìn)一步提高設(shè)備的管理水平和維修效率，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。軸承故障診斷的發(fā)展歷程軸承故障診斷剛開始主要是依靠人工聽覺來診斷，再有就是利用探聽棒，這種方法在許多企業(yè)中目前仍在使用，不過一些工具已經(jīng)被改進(jìn)到電子聽診器等。例如，當(dāng)使用電子聽診器檢測(cè)軸承故障時(shí)，具有經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可以憑經(jīng)驗(yàn)診斷軸承疲勞剝落，有時(shí)還可以診斷出損傷發(fā)生的位置，但由于其它的外部原因，這種方法的可靠性有時(shí)會(huì)無法得到保證。隨著科技的發(fā)展，越來越多的振動(dòng)儀器被運(yùn)用到滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作中。這些儀器利用振動(dòng)位移、速度和加速度的均方根值（RMS）或峰值來判斷軸承是否有故障。這些儀器減少了我們對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，使得監(jiān)測(cè)和診斷的準(zhǔn)確性有了很大的提高，但是在故障發(fā)生的初始階段仍然很難及時(shí)做出準(zhǔn)確的診斷。瑞典公司在多年研究軸承故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，于1966年發(fā)明了脈沖計(jì)檢測(cè)軸承損傷的方法，很大程度上提高了滾動(dòng)軸承故障診斷工作的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。此后，許多公司都安裝了大量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器來監(jiān)測(cè)軸承的長(zhǎng)期運(yùn)行，再有就是航天領(lǐng)域也采用了這樣的監(jiān)測(cè)儀器。1976-1983年，公司研制了NB系列軸承監(jiān)測(cè)儀，利用軸承振動(dòng)信號(hào)的1~15kHz范圍，測(cè)量了軸承故障的均方根和峰值。通過對(duì)低頻的濾波，提高了靈敏度。隨著滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻率分量與軸承幾何尺寸和缺陷類型的關(guān)系有了深刻的認(rèn)識(shí)。滾動(dòng)體共振頻率、滾動(dòng)軸承振動(dòng)與缺陷、非均勻尺寸與磨損的關(guān)系最具代表性。目前，用于滾動(dòng)軸承故障診斷的信號(hào)分析儀種類繁多。根據(jù)滾動(dòng)軸承振動(dòng)波形在時(shí)域上的分析，美國(guó)公司提出了“波尖能量”法，并發(fā)明了與之匹配的檢測(cè)儀器，極大推動(dòng)了軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展。滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷有多種分析和處理技術(shù)，如頻率細(xì)化技術(shù)、倒譜技術(shù)、包絡(luò)分析技術(shù)等。為了提高診斷靈敏度，在信號(hào)預(yù)處理中采用了相干濾波和自適應(yīng)濾波等多種濾波技術(shù)。滾動(dòng)軸承的主要失效形式1疲勞脫落滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道在軸承區(qū)域輪流進(jìn)出。由于長(zhǎng)期載荷變化的影響，疲勞裂紋首先產(chǎn)生于接觸面以下的最大交變剪應(yīng)力的地方，隨后疲勞裂紋會(huì)延伸到接觸表面，在接觸表面會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)狀的剝落，運(yùn)行時(shí)間越來越長(zhǎng)，點(diǎn)狀剝落也會(huì)慢慢的發(fā)展為更大的剝落，此種情況稱為疲勞剝落。疲勞剝落是滾動(dòng)軸承失效的最主要原因，因此，軸承壽命通常是指軸承的疲勞壽命。21磨損磨損的主要原因是滾珠與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及有異物進(jìn)入滾道而引起的表面磨損。另外，潤(rùn)滑狀態(tài)不良也會(huì)使得軸承的磨損更加嚴(yán)重，最終使得軸承游隙超過最大允許的游隙，使得其表面粗糙度增加從而降低了軸承的工作精度，軸承也因此無法正常工作而發(fā)生故障。3膠合在高速、重載的工況下，軸承滾道與滾動(dòng)體接觸表面有輕微的凹凸不平或存在異物顆粒，使得工作表面受到的力變得不均勻，由于摩擦接觸產(chǎn)生的熱變形和摩擦表面可能是部分融化從而導(dǎo)致表面燒傷及膠合。4斷裂當(dāng)軸承承受過大的載荷和振動(dòng)時(shí)，內(nèi)、外圈的缺陷位置將反復(fù)受到振動(dòng)體的沖擊，缺陷將逐漸擴(kuò)展和斷裂。5銹蝕潤(rùn)滑油中含有的水或空氣中的水分凝結(jié)在軸承上，會(huì)使得其表面發(fā)生銹蝕。當(dāng)軸承內(nèi)部有較大的電流通過會(huì)造成電腐蝕，使得表面摩擦不均。6其他另外，裝配和使用方式不正確可能會(huì)使保持架發(fā)生變形，保持架與滾動(dòng)體之間的摩擦?xí)兇?，使它與滾動(dòng)體粘在一起，還有可能會(huì)使保持架與內(nèi)外圈之間的摩擦變大。振動(dòng)和噪音進(jìn)一步變大，最終造成軸承損壞失效。滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括振動(dòng)信號(hào)分析、軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)等。1振動(dòng)信號(hào)分析診斷法在滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)診斷方法中使用最廣泛的一種方法就是振動(dòng)信號(hào)分析診斷法。當(dāng)滾動(dòng)軸承表面部分受損時(shí)，軸承會(huì)產(chǎn)生周期性的寬帶脈沖激勵(lì)信號(hào)。滾動(dòng)軸承振動(dòng)的頻譜結(jié)構(gòu)可分為三類：（1）低頻譜（低于1kHz），包括軸承的故障特征頻率和加工誤差引起的振動(dòng)特征頻率。對(duì)于低頻段的頻段譜線進(jìn)行分析，可以診斷軸承的相應(yīng)故障。（2）中頻譜（1～20kHz），軸承表面損傷而引起的軸承的固有振動(dòng)頻率。一般是采用共振調(diào)節(jié)技術(shù)獲得高信噪比的振動(dòng)信號(hào)，從而進(jìn)行軸承故障分析。（3）高頻譜（超過20kHz），是指軸承損壞造成的影響超過20kHz頻率能量分布，主要包括信號(hào)包含超過20kHz高頻部分。高頻信號(hào)分析通常作為診斷初期軸承故障最常用的一種方法。2軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷法當(dāng)軸承滾動(dòng)表面的潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生變化，如從全液潤(rùn)滑過渡到干摩擦?xí)r，金屬間的直接接觸時(shí)間會(huì)不斷增加，軸承所受的沖量值也會(huì)相應(yīng)增加，油膜阻力隨之不斷減小。因此，油膜電阻診斷法和油膜厚度法是監(jiān)測(cè)工作中常用的兩種方法。3溫度監(jiān)測(cè)診斷法滾動(dòng)軸承作為一種旋轉(zhuǎn)部件，在工作時(shí)就會(huì)有熱量產(chǎn)生。當(dāng)軸承發(fā)生某種損傷時(shí)，軸承溫度會(huì)發(fā)生變化，因此，軸承溫度監(jiān)測(cè)方法可以用于診斷軸承的故障。但是，當(dāng)軸承溫度出現(xiàn)明顯異常時(shí)，所發(fā)生的故障往往已經(jīng)達(dá)到非常嚴(yán)重的程度，所以這種方法主要用于輔助監(jiān)測(cè)和診斷，確保重要設(shè)備不會(huì)發(fā)生報(bào)廢事故。滾動(dòng)軸承的主要失效過程第一階段：軸承失效的起始階段，其頻率范圍約為20~60kHz或更高。此階段可以采用各種電子儀器來采集這些頻率，比如沖擊脈沖、峰值能量和其他超音頻測(cè)量?jī)x器。在此階段，將沒有關(guān)于普通光譜的指示。第二階段：由于軸承上的庇點(diǎn)增大，使它在共振頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時(shí)，該頻率也被用作載波頻率調(diào)制的軸承故障頻率。第三階段：出現(xiàn)軸承故障時(shí)的頻率，在初始階段只能觀察到頻率本身。隨著軸承磨損進(jìn)一步加劇，故障頻率的峰值將會(huì)進(jìn)一步增大。通常波峰都是隨時(shí)間而線性增加的。第四階段：隨著故障的發(fā)展程度逐漸嚴(yán)重，故障頻率會(huì)產(chǎn)生諧波。這表明故障頻率諧波的影響有時(shí)可能比基波峰值頻率更早被檢測(cè)。同時(shí)，脈沖將顯示在相應(yīng)的時(shí)域波形中。第五階段：故障發(fā)生的狀態(tài)進(jìn)一步加劇，軸承的損傷程度也會(huì)逐步加深，振動(dòng)水平將繼續(xù)上升，更多的諧波也會(huì)隨之產(chǎn)生。時(shí)域波形的峰值將更加清晰和明顯，甚至可以通過測(cè)量峰值之間的時(shí)間間隔來計(jì)算故障頻率。高頻軸承檢測(cè)（如峰值能量和沖擊脈沖）的趨勢(shì)都是在不斷上升的。第六階段：由于磨損引起的間隙變大，1倍頻的振幅也會(huì)增加，也會(huì)產(chǎn)生1倍頻的諧波。第七階段：此階段故障頻率和邊帶形成山峰狀，通常被稱為“干草堆”峰，這是由于寬帶噪聲所致。此時(shí)，軸承發(fā)出的噪音會(huì)高于之前，在此階段，高頻軸承測(cè)量值會(huì)慢慢的變少，雖然測(cè)量出振幅會(huì)有下降的變化，但應(yīng)盡快更換新的軸承。第八階段：頻譜中的“干草堆”將繼續(xù)擴(kuò)大，諧波會(huì)隨著松動(dòng)的增加而逐漸變大，高頻軸承測(cè)量值可能會(huì)繼續(xù)下降，但此時(shí)，噪音的分貝值正在上升，在一定距離內(nèi)都可以很清楚地聽到軸承發(fā)出的噪音，此時(shí)軸承已經(jīng)接近完全損壞報(bào)廢。第九階段：經(jīng)過此階段后，譜線變成了一條直線，機(jī)器將無法正常工作。滾動(dòng)軸承的故障頻率計(jì)算滾動(dòng)軸承主要有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架四部分組成。圖示滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有：軸承節(jié)徑D：軸承滾動(dòng)體中心所在的圓的直徑滾動(dòng)體直徑d：滾動(dòng)體的平均直徑內(nèi)圈滾道半徑r1：內(nèi)圈滾道的半徑外圈滾道半徑r2：外圈滾道的半徑滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z：滾珠或滾珠的數(shù)目接觸角α：滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角滾動(dòng)軸承的特征頻率：為更好地分析軸承的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提出以下假設(shè)：(1)滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng)；(2)內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fi；(3)承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無變形；(4)外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為f0。那么故障頻率分別為：

內(nèi)圈：BPFI=(n/2)?[1+(d/D)cosɑ]?f0外圈：BPFO=(n/2)?[1-(d/D)cosɑ]?f0滾動(dòng)體：BSF=(D/2d)?{1-[(d/D)cosɑ]2}?f0保持架：FTF=(1/2)?[1-(d/D)cosɑ]?f0當(dāng)軸承的幾何尺寸不易測(cè)量時(shí)，在知道滾珠數(shù)量的時(shí)候，我們可以運(yùn)用下列公式來估計(jì)軸承的失效頻率：內(nèi)圈：BPFI=[(n/2)+1.2]?f0外圈：BPFO=[(n/2)-1.2]?f0滾動(dòng)體：BSF=(1/2)?[(n/2)-(1.2/n)]?f0保持架：FTF=[(1/2)-(1.2/n)]?f0滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特征分析方法1特征參數(shù)分析法特征參數(shù)分析法在滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性分析中起著重要的作用。特征參數(shù)分析法只需幾個(gè)指標(biāo)就能分析出軸承的運(yùn)行狀態(tài)，因此使用方便，分析結(jié)果簡(jiǎn)單，此外還有對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行分析無需歷史記錄的優(yōu)點(diǎn)。滾動(dòng)軸承特性參數(shù)分析與診斷中常用的參數(shù)包括RMS、峰值等各種時(shí)域特性參數(shù)和重心頻率等頻域參數(shù)。時(shí)域和頻域參數(shù)主要用于一些最基本的診斷，使用其中之一的參數(shù)分析有時(shí)會(huì)得不到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。因此，在實(shí)踐中應(yīng)該進(jìn)行合理的利用，以獲得良好的效果。2頻譜分析法特征參數(shù)可用于軸承故障的初步診斷，但診斷出故障后，應(yīng)通過頻譜分析法對(duì)故障進(jìn)行詳細(xì)的分析。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率由低頻分量和高頻分量組成。每個(gè)故障都有特定的頻率分量與之相對(duì)應(yīng)，需要通過信號(hào)處理方法分離出其頻率，用來判斷存在的與之對(duì)應(yīng)的故障。

軸承信號(hào)的頻譜分析是故障診斷最有效的方法，但是該方法需要了解軸承的幾何結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。此外，利用頻譜分析法提取了中低頻段軸承故障的特征頻率及諧波，然而如果軸承故障特征頻率與其它部件的特征頻率相近就會(huì)難以辨別。3包絡(luò)法包絡(luò)法具有能同時(shí)識(shí)別同一軸承多種故障的特點(diǎn)，極大提高了診斷的準(zhǔn)確性。當(dāng)軸承表面存在局部損傷時(shí)，在運(yùn)行過程中會(huì)撞擊接觸表面并產(chǎn)生沖擊脈沖力。由于沖擊力具有較寬的頻帶，這其中也會(huì)包含其他部件的固有頻率，則會(huì)引起振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的共振。所以，被測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)包括很多載波共振頻率及其上的故障特征頻率和諧波分量。通常我們會(huì)選擇諧振頻率作為中心，此時(shí)細(xì)微的故障信號(hào)就會(huì)借助高幅值的