西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 - I - 滾動(dòng)軸承和齒輪振動(dòng)信號分析 與故障診斷方法 摘 要 滾動(dòng)軸承和齒輪是機(jī)械設(shè)備中最常見的零部件。它們的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺機(jī)器的功能。本文總結(jié)分析了滾動(dòng)軸承與齒輪典型故障的故障機(jī)理及其振動(dòng)特征，詳細(xì)介紹了滾動(dòng)軸承和齒輪振動(dòng)信號分析與故障診斷的方法，比較了各種方法的特點(diǎn)，并提出了滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷的相關(guān)解調(diào)法。針對滾動(dòng)軸承和齒輪的典型故障特征，采用了時(shí)域分析與頻譜分析相結(jié)合的診斷方法，基于用面向?qū)ο蟮氖褂梅抡嫘盘柡蛯?shí)測信號對系統(tǒng)所采用的方法進(jìn)行了功能驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用時(shí)域振動(dòng)信號分析技術(shù)并輔以傳統(tǒng)的頻譜分析方法，對滾動(dòng)軸承和齒輪進(jìn)行故障診斷，效果良好。 【關(guān)鍵詞】： 滾動(dòng)軸承 齒 輪 故障診斷 絡(luò)分析 相關(guān)解調(diào)法西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 - in of In of of in in of a of at we of a of is be to of to of 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 - 目 錄 第一章 緒 論. 1 述.狀與趨勢.文內(nèi)容簡介.二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析. 6 述.動(dòng)軸承失效的基本形式. 滾動(dòng)軸承的磨損失效. 滾動(dòng)軸承的疲勞失效. 滾動(dòng)軸承的腐蝕失效. 滾動(dòng)軸承的斷裂失效. 滾動(dòng)軸承的壓痕失效. 滾動(dòng)軸承的膠合失效.動(dòng)軸承的振動(dòng)類型及故障特征分析. 滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu). 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)類型.動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率.動(dòng)軸承的缺陷特征頻率.動(dòng)軸承的振動(dòng)及其故障特征.動(dòng)軸承的振動(dòng)監(jiān)測方法. 測量位置和方向的選擇.北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 - 量參數(shù)的選擇. 測量周期的確定. 測量標(biāo)準(zhǔn)的確定.三章 齒輪故障特征分析. 20 述.輪的失效形式. 齒輪的疲勞斷裂失效. 齒輪的磨料磨損失效. 齒輪的粘附磨損或擦傷失效. 齒輪的剝落失效.輪的振動(dòng)類型及故障特征. 齒輪的固有振動(dòng). 齒輪的嚙合振動(dòng). 齒輪磨損引起的振動(dòng). 齒輪偏心引起的振動(dòng). 齒輪不同軸引起的振動(dòng). 齒輪局部異常引起的振動(dòng).輪振動(dòng)信號的特征. 嚙合頻率及其各次諧波. 隱含成分. 調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生邊頻帶.值調(diào)制.頻效應(yīng). 軸速頻率及其低次諧波. 嚙合頻率及其各次諧波的分析. 邊帶分析.北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 - V - 第四章 滾動(dòng)軸承與齒輪的振動(dòng)信號分析及故障診斷方法30 域統(tǒng)計(jì)分析方法. 有效值和峰值判斷法. 峰值指標(biāo). 歪度指標(biāo)和峭度指標(biāo). 其它無量綱示性指標(biāo).關(guān)分析方法. 自相關(guān)函數(shù)的快速傅利葉變換計(jì)算方法. 互相關(guān)函數(shù)的快速傅利葉變換計(jì)算方法.率譜分析方法. 功率譜密度函數(shù)的數(shù)學(xué)分析.過有限范圍快速傅利葉變換計(jì)算功率譜密度函數(shù)的估計(jì)公式.率譜密度函數(shù)泄漏及加零處理.字功率譜估計(jì)的誤差與平滑.分析的基本步驟.功率譜密度函數(shù)分析.絡(luò)分析方法. 包絡(luò)分析法進(jìn)行故障診斷的原理. 希爾伯特變換. 希伯爾變換的解調(diào)原理. 希伯爾變換的計(jì)算方法.關(guān)解調(diào)法. 相關(guān)函數(shù)的降噪特性. 相關(guān)函數(shù)的調(diào)制特性. 相關(guān)解調(diào)法. 兩種解調(diào)方法的實(shí)驗(yàn)比較. 結(jié)論.北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 - 頻譜分析方法. 倒頻譜. 倒頻譜與解卷積.輪振動(dòng)信號的周期分段采樣分析法.輪振動(dòng)信號的時(shí)域平均法.五章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn). 54 統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn). 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有吸收利用新技術(shù)的能力. 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)充分保證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性. 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有完善的為實(shí)現(xiàn)診斷而必須的各種功能. 操作使用盡可能地簡單方便. 系統(tǒng)應(yīng)具有合理的性能價(jià)格比.統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn). 系統(tǒng)概述. 系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì).據(jù)采集.據(jù)預(yù)處理.值域參數(shù)計(jì)算.域分析.域分析.勢分析.件實(shí)現(xiàn).六章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 64 述.號仿真驗(yàn)證.北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 - 驗(yàn)室功能驗(yàn)證. 轉(zhuǎn)子系統(tǒng). 測量系統(tǒng). 功能驗(yàn)證.七章 結(jié)論及建議. 76 論.議.考文獻(xiàn). 謝.北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 - 1 - 第一章 緒 論 述 現(xiàn)代機(jī)械的主流之一是被稱為“傳動(dòng)系統(tǒng)”的動(dòng)力機(jī)械和傳動(dòng)機(jī)械。而傳動(dòng)系統(tǒng)最關(guān)鍵、最重要的部件則是軸承和齒輪。這兩種部件相對于整臺機(jī)械來說是價(jià)格低廉的部件，但卻是故障率最高的部件。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，機(jī)械設(shè)備的故障70%是振動(dòng)故障，而振動(dòng)故障中的70%是由軸承和齒輪引起的故障。這是因?yàn)檩S承和齒輪是機(jī)械設(shè)備中工作條件最為惡劣的部件。它們在機(jī)械設(shè)備中起著承受載荷、傳遞載荷的作用，因而其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺機(jī)器的功能。這兩種部件故障所造成的整臺設(shè)備損壞、引發(fā)災(zāi)難性事故、造成重大經(jīng)濟(jì)損失的事例不勝枚舉1313！ 作為基礎(chǔ)零部件的滾動(dòng)軸承和齒輪廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。滾動(dòng)軸承和齒輪運(yùn)行狀態(tài)的識別與診斷一直是人們關(guān)注的研究課題。研究滾動(dòng)軸承、齒輪的缺陷和故障識別技術(shù)及方法無疑具有重要的意義。 滾動(dòng)軸承和齒輪在運(yùn)行過程中，受到力、熱、以及摩擦磨損等多種作用，其運(yùn)行狀態(tài)不斷發(fā)生變化。一旦發(fā)生故障，往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，必須在事故發(fā)生以前就能診斷出故障并加以消除，即必須在滾動(dòng)軸承和齒輪運(yùn)行過程中對其運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)作出判斷，采取相應(yīng)的對策，杜絕事故的發(fā)生。這樣做，就可大大提高機(jī)器運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步提高機(jī)器的使用率。 因此滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷要識別滾動(dòng)軸承及齒輪運(yùn)行狀態(tài)，研究其運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映。它的內(nèi)容包括對滾動(dòng)軸承和齒輪運(yùn)行狀態(tài)的識別、故障預(yù)測和故障監(jiān)視等，概括為以下5個(gè)方面241415： (1) 信號測?。焊鶕?jù)滾動(dòng)軸承和齒輪的工況，選擇并測取能夠反映滾動(dòng)軸承和齒輪工作情況或狀態(tài)的信號； (2) 特征(征兆)提取：從狀態(tài)信號中提取與滾動(dòng)軸承和齒輪故障對應(yīng)的特征信息(征兆)； (3) 狀態(tài)識別：根據(jù)特征信息，識別滾動(dòng)軸承和齒輪的故障(故障識別)； 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 - 2 - (4) 狀態(tài)分析：根據(jù)滾動(dòng)軸承和齒輪運(yùn)行時(shí)的征兆和故障，進(jìn)一步分析故障的部位、類型、原因和趨勢等； (5) 決策干預(yù)：根據(jù)滾動(dòng)軸承和齒輪的故障及其發(fā)展趨勢，作出評價(jià)和決策，包括控制、自診治、調(diào)整、維修、繼續(xù)監(jiān)測等措施。整個(gè)診斷過程如圖1動(dòng)軸承和齒輪故障診斷的過程 基于振動(dòng)信號分析的機(jī)械監(jiān)測診斷技術(shù)，目前仍然是軸承、齒輪診斷的主要手段之一。振動(dòng)法是通過安裝在軸承座或齒輪箱體適當(dāng)方位的振動(dòng)傳感器監(jiān)測軸承和齒輪的振動(dòng)信號，并對此信號進(jìn)行分析處理來判斷軸承和齒輪的狀況和故障。由于振動(dòng)法具有：適用于各種類型、各種工況的軸承和齒輪；可以有效診斷出早期故障；信號測試與處理簡單直觀；診斷結(jié)果相對可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 與滾動(dòng)軸承和齒輪缺陷、故障有關(guān)的振動(dòng)有以下兩個(gè)主要特征： 1) 周期性重復(fù)沖擊。例如，當(dāng)軸承元件的缺陷或齒輪的個(gè)別齒有損傷時(shí)，在機(jī)器運(yùn)行過程中將對系統(tǒng)產(chǎn)生周期性沖擊，這種沖擊重復(fù)地激發(fā)系統(tǒng)的阻尼固有振動(dòng)。因而振動(dòng)信號中通常存在具有一定周期的重復(fù)沖擊衰減波形。 滾動(dòng)軸承和齒輪 傳感器測取信號 數(shù)據(jù)處理、提取信息(征兆)狀態(tài)識別，故障診斷 故障情況 故障趨勢 評價(jià)、診斷決策 重點(diǎn)監(jiān)視巡回監(jiān)視停機(jī)修理西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 - 3 - 2) 幅值和頻率調(diào)制。由于滾動(dòng)軸承的特有結(jié)構(gòu)，軸承元件缺陷產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)常常受到轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和保持架運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，因而振動(dòng)信號中常包含有幅值調(diào)制特征。對于齒輪振動(dòng)，由齒輪偏心等缺陷引起的振動(dòng)不僅會產(chǎn)生調(diào)幅信號，而且在一定條件下還會出現(xiàn)頻率調(diào)制現(xiàn)象。 所以振動(dòng)信號是軸承和齒輪故障的載體。理論上可通過軸承和齒輪振動(dòng)信號的分析與處理診斷出所有類型的故障。但是實(shí)際上，通過傳感器拾取的振動(dòng)信號除反映有關(guān)軸承和齒輪本身的工作情況和信息外，還包含了大量的機(jī)械中其它運(yùn)行部件和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息，這些信息對于研究軸承和齒輪本身的工況與故障來說，屬于背景噪聲。由于實(shí)際中背景噪聲往往比較大，所以發(fā)生在軸承和齒輪上故障所特有的信息往往被淹沒在背景噪聲中，很難被發(fā)現(xiàn)和提取出來。因此，采用什么樣的振動(dòng)監(jiān)測與信號處理技術(shù)來提高信噪比，突出故障特征信息，抑制背景噪聲，從而有效地診斷出滾動(dòng)軸承與齒輪故障成為軸承和齒輪振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)的關(guān)鍵所在。 對以上兩類振動(dòng)特征的識別將為軸承和齒輪故障診斷提供重要的依據(jù)。周期性重復(fù)沖擊振動(dòng)和調(diào)制信號兩者有一個(gè)共同的特點(diǎn)不僅與頻率有關(guān)，而且與時(shí)間有著密切的關(guān)系。如果單從時(shí)域或頻域分析這兩類信號，由于割裂了時(shí)域與頻域的聯(lián)系，很難獲得有關(guān)信號特征的全貌。而從聯(lián)合的時(shí)頻域來識別這兩類信號，提供時(shí)域和頻域的綜合信息，無疑會提高診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。 狀與趨勢 目前，國內(nèi)對滾動(dòng)軸承和齒輪進(jìn)行監(jiān)測和診斷常用兩種方法：一是采用專用的監(jiān)測分析儀器系統(tǒng)；二是采用微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。專用儀器系統(tǒng)硬件所占比例大，處理速度快，但這類儀器價(jià)格較高，專用性強(qiáng)，處理功能固定，不易作進(jìn)一步的開發(fā)，對分析結(jié)果的判定需要工程技術(shù)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，以微機(jī)為核心的信號分析與故障診斷系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。微機(jī)信號分析與故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、易于維護(hù)和升級的特點(diǎn)，而且易于推廣應(yīng)用，是高質(zhì)量、高效率、低成本地發(fā)展機(jī)械設(shè)備故障診斷的新途徑。 由于滾動(dòng)軸承和齒輪所組成的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)元件多。尤其是各西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 - 4 - 傳動(dòng)元件間故障聯(lián)合作用時(shí)，其振動(dòng)信號的頻率成分多而復(fù)雜，所以要充分提取故障信息，準(zhǔn)確判斷滾動(dòng)軸承和齒輪的故障性質(zhì)和故障源，依賴于某一種信號處理方法很難奏效。 傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷方法有頻域分析方法和時(shí)域分析方法，它們對滾動(dòng)軸承和齒輪的分布式故障有很好的效果。但是對于局部缺陷，這些診斷方法的應(yīng)用效果不太理想，尤其是在故障的初期。近年來，新的診斷方法不斷涌現(xiàn)，其中包括時(shí)頻分析方法69。時(shí)頻分析方法可以有效地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于快速傅利葉變換的頻譜分析只適用于平穩(wěn)信號分析的缺陷。常用的時(shí)頻分析方法有短時(shí)傅利葉變換、波分析是近幾年才開始應(yīng)用于振動(dòng)信號處理的時(shí)頻分析方法，它能同時(shí)提供振動(dòng)信號的時(shí)域和頻域的局部化信息。小波分析還具有多尺度性和“數(shù)學(xué)顯微”特性，這些特性使得小波分析能夠識別振動(dòng)信號中的突變信號。另外，由于當(dāng)齒輪或軸承存在缺陷時(shí)，振動(dòng)信號中將包含有與故障相關(guān)的幅度調(diào)制信號，故在滾動(dòng)軸承和齒輪的故障診斷中振動(dòng)信號解調(diào)分析是一種很有效的方法。 許多機(jī)械設(shè)備在帶故障運(yùn)行時(shí)，都要伴隨振動(dòng)和沖擊的發(fā)生。振動(dòng)和沖擊的發(fā)生也常常反映了機(jī)械的故障。因此目前的故障診斷方法大都以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)。共振解調(diào)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的對滾動(dòng)軸承的點(diǎn)蝕、剝落、擦傷和裂紋等所謂元件工作表面損傷類故障行之有效的方法。齒輪的故障與滾動(dòng)軸承的故障很相似，因此從理論上來說完全可以將共振解調(diào)技術(shù)推廣應(yīng)用到齒輪的故障診斷中。有關(guān)研究也表明該方法在齒輪故障診斷中是完全可行和有效的。 最近兩年，有關(guān)專家在總結(jié)齒輪故障診斷成果的基礎(chǔ)上，提出了一種用于齒輪故障診斷的綜合方法“三譜二域法”。“三譜”是指原始譜、解調(diào)頻譜、細(xì)化頻譜；“二時(shí)域”是指原始時(shí)域和包絡(luò)時(shí)域2334。齒輪的各類故障在時(shí)域波形中都有典型的特點(diǎn)，由時(shí)域波形的分析，可以大致得到三方面的故障信息：即時(shí)域函數(shù)的類型(確定性的還是隨機(jī)的)，波形中頻率成分是否復(fù)雜；振動(dòng)幅值是否變化，變化規(guī)律如何；波形中有無明顯的沖擊和調(diào)制成分。而時(shí)域特征值分析則為故障診斷提供了定量參考。所以，借助于時(shí)域分析可對有無故障進(jìn)行直觀的初步判斷。但要準(zhǔn)確地判斷齒輪故障的性質(zhì)、程度、部位和原因，還需借助頻譜分析、解調(diào)分析、細(xì)化譜分析等方法。 綜上所述，滾動(dòng)軸承和齒輪的振動(dòng)信號處理及故障診斷的發(fā)展趨勢是采用西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 - 5 - 時(shí)頻域分析的方法。當(dāng)前許多專家學(xué)者正在對小波分析和共振解調(diào)分析技術(shù)的理論進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，并逐步應(yīng)用到工程實(shí)踐中。 文內(nèi)容簡介 本文從分析研究了滾動(dòng)軸承和齒輪的常見失效故障模式及其特征，針對其故障模式，分析總結(jié)了滾動(dòng)軸承和齒輪振動(dòng)信號分析處理及故障診斷的方法，采用較為先進(jìn)、成熟的故障診斷方法，面向滾動(dòng)軸承和齒輪的故障特征，基于中文用面向?qū)ο蟮耐ㄟ^了實(shí)驗(yàn)室的考核驗(yàn)證。 本文的主要內(nèi)容如下： 第一章是緒論，簡要介紹了研究滾動(dòng)軸承和齒輪振動(dòng)信號分析處理及故障診斷方法的意義、必要性、研究的內(nèi)容及方法、研究的現(xiàn)狀和趨勢以及主要的工作內(nèi)容。 第二章和第三章分別進(jìn)行了滾動(dòng)軸承、齒輪的故障特征分析，詳細(xì)介紹了滾動(dòng)軸承和齒輪的失效模式及特征。 第四章著重介紹了滾動(dòng)軸承和齒輪振動(dòng)信號分析處理方法，并對各種時(shí)域、頻域診斷方法的特點(diǎn)作了比較，同時(shí)提出了一種新的滾動(dòng)軸承和齒輪故障診斷方法相關(guān)解調(diào)法。 第五章為軟件設(shè)計(jì)，闡述了軟件設(shè)計(jì)的思想、程序的結(jié)構(gòu)及框圖。 第六章實(shí)驗(yàn)考核驗(yàn)證。用仿真信號和實(shí)測信號對軟件進(jìn)行了考核，驗(yàn)證結(jié)果表明，軟件系統(tǒng)真實(shí)反映了滾動(dòng)軸承的故障。 第七章小結(jié)了論文的工作，并給出了一些結(jié)論及建議。西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 6 - 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 述 滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要基礎(chǔ)部件之一。它具有效率高、摩擦阻力小、裝配較為方便、潤滑易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在中、小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械上應(yīng)用較為普遍。 滾動(dòng)軸承在正常工作條件下，由于受到載荷、安裝、潤滑狀態(tài)等因素的影響，運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后將會產(chǎn)生各種類型的失效。因此滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中較為薄弱的環(huán)節(jié)。滾動(dòng)軸承產(chǎn)生失效的初始階段，由于失效程度較為輕微，往往不易被人們發(fā)現(xiàn)。只有當(dāng)失效發(fā)展到明顯過熱、強(qiáng)烈振動(dòng)或滾動(dòng)噪聲足夠大時(shí)才會被人們發(fā)現(xiàn)。由于發(fā)現(xiàn)不及時(shí)往往引起設(shè)備停機(jī)或設(shè)備損壞，造成生產(chǎn)上不應(yīng)有的損失。 軸承故障的監(jiān)測與診斷一直是機(jī)械故障診斷技術(shù)中的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約30的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障是由于滾動(dòng)軸承的損壞引起的。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，或零件的加工和安裝工藝不好，或軸承工作條件欠佳，或載荷的沖擊，使軸承在承載運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在繼續(xù)運(yùn)行中其缺陷還會進(jìn)一步擴(kuò)展，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)逐漸惡化以至完全失效。滾動(dòng)軸承失效形式較多，可能的故障種類有磨損、剝落、壓痕、膠合和裂紋等，其中典型故障是由于疲勞剝落引起的損傷。從實(shí)踐中可知，滾動(dòng)軸承的故障大部分可歸結(jié)為表面的劣化，進(jìn)而使振動(dòng)加劇。這些故障引起的振動(dòng)特征表現(xiàn)在振動(dòng)信號中存在著沖擊脈沖。在時(shí)域中，沖擊使信號的均值、方差和高階矩等發(fā)生變化；在頻域中，信號高頻成分明顯增多，信號的能量分布發(fā)生變化。 動(dòng)軸承失效的基本形式 動(dòng)軸承的磨損失效 磨損是滾動(dòng)軸承最常見的一種失效形式，是軸承滾道、滾動(dòng)體、保持架、座西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 7 - 孔或安裝軸承的軸頸，由于機(jī)械原因或潤滑雜質(zhì)引起的表面磨損。在工作環(huán)境惡劣的情況下，許多雜質(zhì)會混雜在潤滑油中，進(jìn)入軸承，從而就會在滾動(dòng)體和滾道上產(chǎn)生磨料磨損，在滾動(dòng)體和滾道上出現(xiàn)不均勻的劃痕。磨料的存在，是軸承磨損的基本原因。 動(dòng)軸承的疲勞失效 疲勞是滾動(dòng)軸承的另一種失效形式，常表現(xiàn)為滾動(dòng)體或滾道表面剝落或脫皮。初期是在表面上形成不規(guī)則的凹坑，以后逐漸延伸成片。滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，由于滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈接觸面積很小，因此接觸應(yīng)力很大。在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于巨大交變接觸應(yīng)力多次反復(fù)作用，軸承元件金屬表面就會發(fā)生疲勞，產(chǎn)生剝落，形成小凹坑。造成剝落的主要原因是載荷引起的交變應(yīng)力，有時(shí)是因?yàn)闈櫥涣蓟驈?qiáng)迫安裝。 動(dòng)軸承的腐蝕失效 由于濕氣或水分浸入軸承或由于使用了品質(zhì)不好的潤滑油，就會在軸承表面形成腐蝕。軸承零件表面的腐蝕是由下面三種原因造成的：第一種是潤滑油水分或濕氣的腐蝕；第二種是電腐蝕；第三種是微振腐蝕。 動(dòng)軸承的斷裂失效 軸承零件的破斷與裂紋主要是由于磨削或熱處理引起的，也有的是由于運(yùn)行時(shí)載荷過大、轉(zhuǎn)速過高、潤滑不良或裝配不善，使軸承某個(gè)部位發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致軸承元件斷裂。 動(dòng)軸承的壓痕失效 壓痕是由于軸承過載、撞擊或異物進(jìn)入滾道內(nèi)使得滾動(dòng)體或滾道表面上產(chǎn)生局部變形而出現(xiàn)的凹坑。其原因主要是由于裝配不當(dāng)，有時(shí)也可能是過載或撞擊造成。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 8 - 動(dòng)軸承的膠合失效 膠合發(fā)生在滾動(dòng)接觸的兩個(gè)表面間，為一個(gè)表面上的金屬粘附到另一個(gè)表面的現(xiàn)象。當(dāng)滾子在保持架內(nèi)卡住，由于潤滑不良、速度過高和慣性力的影響，保持架的材料粘附到滾子端面上形成螺旋型污斑狀的膠合。 滾動(dòng)軸承失效類型和原因分析 持續(xù)重載 對中不良 轉(zhuǎn)動(dòng)速度過高 制造和材料缺陷 設(shè)計(jì)不當(dāng) 滾動(dòng)體與滾道剝落 接觸應(yīng)力增大造成疲勞 增加疲勞損傷的可能性增加應(yīng)力周期，加速表面疲勞 金相組織不良、表面疲勞 承載力不足引起疲勞 持續(xù)重載 對中不良 滾動(dòng)體與滾道接觸邊緣剝落 軸向力使?jié)L動(dòng)體側(cè)移 邊緣受到重載大大增加接觸應(yīng)力 持續(xù)重載 對中不良 潤滑不足或潤滑劑不良制造和材料缺陷 環(huán)境溫度過高 受力表面較大面積壓光和微觀剝落 引起薄的油膜破裂 滾子使?jié)L道邊緣部分油膜破裂 油膜強(qiáng)度喪失引起金屬與金屬接觸表面粗糙度大造成表面油膜破壞 喪失油膜強(qiáng)度 對中不良 載荷過輕 潤滑不足或潤滑劑不良轉(zhuǎn)動(dòng)速度過高 設(shè)計(jì)不當(dāng) 滾動(dòng)體和滾道嚴(yán)重污痕和變色 引起滾子滑動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng) 牽引不足，導(dǎo)致滾動(dòng)體打滑 滾動(dòng)體不能在油膜上滾動(dòng) 輕載時(shí)增加打滑趨勢 內(nèi)部游隙過大導(dǎo)致打滑持續(xù)重載 沖擊載荷 設(shè)計(jì)不當(dāng) 滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生橢圓形凹痕斑和摩擦腐蝕 負(fù)載超過靜承載能力 能引起永久性凹痕 抗腐蝕能力差 振動(dòng) 滾道上出現(xiàn)長劃痕和摩擦腐蝕 軸承失效，內(nèi)部有間隙而油膜阻尼小時(shí)可能出現(xiàn) 對中不良 潤滑不足或潤滑劑不良 轉(zhuǎn)動(dòng)溫度過高 保持架嚴(yán)重磨損與斷裂 使保持架受到破壞性載荷 保持架引導(dǎo)面無油膜分離 保持架引導(dǎo)面受離心力 油封不良 內(nèi)部油隙增加、表面變粗、微觀凹痕損痕沾染金屬引起接觸表面摩擦損傷 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 9 - 潤滑不足或潤滑劑不良 油封不良 有電流通過 滾動(dòng)體和滾道點(diǎn)蝕和銹斑腐蝕 油中的腐蝕物或氧化物侵襲表面引起損傷 腐蝕劑如水等損壞表面 表面大面積點(diǎn)蝕 潤滑不足或潤滑劑不良 轉(zhuǎn)動(dòng)速度過高 環(huán)境溫度過高 溫升、軸承變色、咬合燒傷 散熱能力不足 增加所產(chǎn)生的熱量 使軸承散熱不良 裝配不當(dāng) 配合面上有銹蝕帶變色，發(fā)光，微振磨損配合過松導(dǎo)致徐動(dòng)和微振腐蝕 沖擊載荷 制造和材料缺陷 裝配不當(dāng) 滾動(dòng)體與軸承圈裂紋 淬透鋼脆裂 熱處理不當(dāng)導(dǎo)致滾動(dòng)體與軸承圈產(chǎn)生裂紋 配合過緊使軸承圈產(chǎn)生裂紋 操作不當(dāng) 軸承上有刻痕、凹痕和劃痕 粗糙和錯(cuò)誤的操作可能引起損傷，縮短壽命潤滑不足或潤滑劑不良 設(shè)計(jì)不當(dāng) 裝配不當(dāng) 圓錐滾子軸承擋邊磨損過大 引起金屬滑動(dòng)接觸 控制端部游隙配合制定不正確或預(yù)加載荷不當(dāng) 配合不正確使?jié)L子端部受載增加 動(dòng)軸承的振動(dòng)類型及故障特征分析 動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 滾動(dòng)軸承是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等元件組成。內(nèi)圈、外圈分別與軸頸及軸承座孔裝配在一起。在大多數(shù)情況下外圈不動(dòng)，而內(nèi)圈隨軸回轉(zhuǎn)。滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承的核心元件，它使相對運(yùn)動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。滾動(dòng)體的形式有球形、圓形、錐柱形和鼓形等等。滾動(dòng)體可在內(nèi)、外圈滾道上進(jìn)行滾動(dòng)。軸承、滾子軸承）的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖，圖中所用符號的意義如下： D軸承的節(jié)徑； d滾動(dòng)體直徑； 內(nèi)環(huán)滾道的半徑； 外環(huán)滾道的半徑； 接觸角。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 10 - 動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖 動(dòng)軸承的振動(dòng)類型 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)復(fù)雜多樣，它所造成的振動(dòng)大致分為以下三類： (1) 與軸承變形的有關(guān)振動(dòng)。軸承是一彈性變形體，軸承承受載荷時(shí)，由于承載滾動(dòng)體的不斷變換使得軸承在運(yùn)行時(shí)發(fā)生彈性振動(dòng)。它與軸承的異常狀態(tài)無關(guān)。 (2) 與軸承加工有關(guān)的振動(dòng)。軸承各元件在加工中不可避免地出現(xiàn)加工誤差。如表面波紋、輕微的擦痕、裝配誤差等均會引起軸承振動(dòng)。 (3) 軸承在運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障而引起的振動(dòng)。軸承在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于發(fā)生破碎、斷裂、剝落等故障而產(chǎn)生振動(dòng)反應(yīng)了軸承的損傷情況，所以是我們所感興趣的，這類振動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號是我們監(jiān)測分析的對象。 滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體便在內(nèi)、外圈之間滾動(dòng)。當(dāng)滾動(dòng)表面發(fā)生損傷時(shí)，滾動(dòng)體在這些表面上轉(zhuǎn)動(dòng)就會產(chǎn)生一種交變的激振力。由于滾動(dòng)表面的損傷形狀是無規(guī)則的，所以激振力產(chǎn)生的振動(dòng)，將是由多種頻率成分組成的隨機(jī)振動(dòng)。從軸承滾動(dòng)表面狀況產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)理可以看出：軸承滾動(dòng)表面損傷的形態(tài)和軸的旋轉(zhuǎn)速度決定了激振力的頻譜；軸承和外殼決定了振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性。最終的頻譜，由上述二者共同決定。即軸承異常所引起的振動(dòng)頻率，是由軸的旋轉(zhuǎn)速度、損傷部位的形態(tài)及軸承與外殼振動(dòng)的傳遞特性所決定的。 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 11 - 動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率 滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即使是新軸承也會產(chǎn)生振動(dòng)，它主要是由下列兩種振動(dòng)組合而成的。第一種是由于軸承滾動(dòng)元件的不圓度、凹凸不平的粗糙度和波紋度引起的振動(dòng)，這種粗糙不平的起伏是隨機(jī)的，因而所引起的振動(dòng)也是隨機(jī)的，但振級較??；第二種是由于外力的激勵(lì)而引起的軸承某個(gè)元件在其固有頻率上的振動(dòng)。各軸承元件的固有頻率與軸承的外形、材料和質(zhì)量有關(guān)，而與軸的轉(zhuǎn)速無關(guān)。對各種軸承元件，其固有頻率有一確定的范圍，可按下式計(jì)算求得： 滾動(dòng)體剛球的固有頻率為： (2式中，m）；為材料密度(kg/)。 軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率為： ( )=(2式中，m)；kg/m)，為材料彈性模量(N/ 當(dāng)滾動(dòng)軸承為鋼材時(shí)，其內(nèi)、外圈的固有頻率可用下式計(jì)算： ( )=式中，軸承元件的固有頻率的可能范圍大致在2060們往往利用此段頻率作為診斷頻帶，因?yàn)檩S承元件的缺陷或其不規(guī)則表面在運(yùn)轉(zhuǎn)中引起的脈沖沖擊能激發(fā)軸承某個(gè)元件以其固有頻率振動(dòng)，從而使故障信號在此頻帶中得到放大，提高了故障信號的信噪比。 動(dòng)軸承的缺陷特征頻率 當(dāng)內(nèi)圈、外圈、滾子出現(xiàn)點(diǎn)蝕等故障時(shí)，會產(chǎn)生一定（特征）頻率的沖擊，引起軸承振動(dòng)，機(jī)器運(yùn)行會出現(xiàn)周期性脈沖。這種周期性脈沖作用時(shí)間短，形狀陡峭。根據(jù)軸承產(chǎn)生缺陷零件的不同，滾動(dòng)軸承的缺陷特征頻率為： 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 - 12 - 外環(huán)缺陷： =內(nèi)環(huán)缺陷： +=滾子缺陷： =222保持架不平衡： =式中，為軸承節(jié)徑，為接觸角，為工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障后，在其振動(dòng)頻譜中會出現(xiàn)其特征頻率的譜峰。但在實(shí)際中，譜峰的頻率并不總是精確地等于理論計(jì)算值。這主要是因?yàn)闈L動(dòng)體并非純滾動(dòng)等因素（如實(shí)際軸承的幾何尺寸的誤差、軸承安裝后變形）造成的。所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí)，需在