1、第七章滾動(dòng)軸承故障診斷，7.1滾動(dòng)軸承故障形式7.2滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理和信號(hào)特征7.3滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法7.4滾動(dòng)軸承故障診斷實(shí)例1宣化鋼鐵公司高速線材軋機(jī)26例2宣化鋼鐵公司高速線材軋機(jī)20例3唐山鋼鐵公司高速線材軋機(jī)實(shí)例4安陽(yáng)鋼鐵公司高速線材軋機(jī)，7.1滾動(dòng)軸承故障形式，1 .滾動(dòng)軸承的磨損和磨損故障是滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障形式之一。滾動(dòng)軸承操作過(guò)程中，導(dǎo)致零件接觸面磨損的滾動(dòng)和拉力之間存在滑動(dòng)。尤其是軸承侵入金屬粉末、氧化物和其他硬顆粒時(shí)，會(huì)形成嚴(yán)重的磨料磨損，從而使其更加惡化。此外，由于振動(dòng)和磨料的相互作用，在未旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下滾動(dòng)軸承的環(huán)上形成了球和節(jié)距相同的凹痕，從而產(chǎn)生摩擦腐蝕現(xiàn)象。如

2、果軸承在孔或軸頸中配合得太松，作業(yè)期間發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致軸承孔或軸直徑磨損。磨損量大時(shí)，軸承會(huì)產(chǎn)生間隙噪音，振動(dòng)增加。2 .滾動(dòng)軸承的疲勞斷裂滾動(dòng)軸承中，滾動(dòng)體或拉環(huán)滾動(dòng)表面由于接觸載荷的反復(fù)作用，表面冷硬化，底部材料應(yīng)力和表面缺陷分布導(dǎo)致表面下出現(xiàn)小裂紋，隨后連續(xù)載荷作用，裂紋繼續(xù)作用于表面，材料表面的裂紋相互貫穿，直到金屬表面剝落板或坑。軸承的這種故障形式稱(chēng)為疲勞故障。滾動(dòng)軸承繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，損壞逐漸增加。因?yàn)槊撀涞乃槠瑫?huì)卷在剩下的滾筒上，在那里造成局部過(guò)載，進(jìn)一步損傷流道。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生疲勞剝落，震動(dòng)和噪音急劇惡化。3 .滾動(dòng)軸承的腐蝕失效軸承零件表面的腐蝕分為三種類(lèi)型。a .水、酸等進(jìn)

3、入軸承或使用含酸潤(rùn)滑劑時(shí)發(fā)生的化學(xué)腐蝕。b .軸承表面之間有更大的電流，使表面粘著電腐蝕。c .軸承環(huán)在基孔或軸頸環(huán)的小相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的微振動(dòng)腐蝕。結(jié)果是回路表面出現(xiàn)紅色(Fe2O3)或黑色鐵銹斑點(diǎn)。軸承的腐蝕斑點(diǎn)是以后損壞的起點(diǎn)。4。滾動(dòng)軸承的塑性變形失敗擠壓主要是因?yàn)闈L動(dòng)軸承負(fù)載后，滾動(dòng)實(shí)體和流道的接觸會(huì)發(fā)生塑性變形。負(fù)載過(guò)大時(shí)，會(huì)在料道表面形成塑膠變形英尺。此外，如果裝配不正確，超載或沖擊可能會(huì)導(dǎo)致曲面的一部分下陷?；蛘?，安裝打擊樂(lè)器導(dǎo)致流道上的壓力。5.滾動(dòng)軸承的損壞故障導(dǎo)致軸承零件損壞和裂紋的重要原因是由于運(yùn)行時(shí)載荷過(guò)多、速度過(guò)高、潤(rùn)滑不當(dāng)或裝配不當(dāng)而導(dǎo)致的過(guò)度熱應(yīng)力或不適當(dāng)?shù)哪ハ骰驘崽?/p>

4、理。6。滾動(dòng)軸承的粘合失敗滑動(dòng)接觸的兩個(gè)表面是一個(gè)表面的金屬粘在另一個(gè)表面的現(xiàn)象稱(chēng)為粘合劑。對(duì)于滾動(dòng)軸承，固定架需要滾動(dòng)主體，或者潤(rùn)滑不足，速度太高，固定架的材料可能粘在滾子上。那個(gè)粘合形狀是螺旋斑點(diǎn)。此外，安裝的初始間隙太小，導(dǎo)致熱膨脹，從而擠壓滾動(dòng)實(shí)體和內(nèi)外環(huán)，從而在軸承流道中產(chǎn)生粘合和剝離。7.2滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理和信號(hào)特性導(dǎo)致滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素很多。與組合相關(guān)的振動(dòng)，與制造品質(zhì)相關(guān)的振動(dòng)，以及與軸承裝配和作業(yè)狀態(tài)相關(guān)的振動(dòng)。如圖7-1所示，通過(guò)軸承振動(dòng)分析、勵(lì)磁特性的確定、各種檢測(cè)和分析方法的研究，從用于解決滾動(dòng)軸承問(wèn)題的振動(dòng)信號(hào)中獲得有關(guān)振動(dòng)源的可靠信息。圖7-1滾動(dòng)軸承振動(dòng)的時(shí)域信

5、號(hào)(a)新軸承的振動(dòng)波形(b)表面劣化后的軸承振動(dòng)波形，1。由于軸承剛度變化而引起的振動(dòng)滾動(dòng)軸承在恒定載荷(圖7-2)下工作時(shí)，系統(tǒng)中載荷的分布會(huì)根據(jù)軸承和結(jié)構(gòu)定期變化。滾動(dòng)體和外圓的接觸點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的剛度參數(shù)形成周期性變化，恢復(fù)力可能表現(xiàn)出非線性特征的對(duì)稱(chēng)周期性變化。發(fā)生分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)。此外，如果滾動(dòng)在載荷下處于非對(duì)稱(chēng)位置，則軸的中心不僅在垂直方向上移動(dòng)，而且在水平方向上移動(dòng)。這些參數(shù)的變化和運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起軸承的振動(dòng)。也就是說(shuō)，滾動(dòng)實(shí)體在徑向載荷中隨著軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激振力。這樣，由于滾動(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)剛度參數(shù)形成的周期變化和滾動(dòng)主體產(chǎn)生的激振力和系統(tǒng)的非線性，產(chǎn)生了多個(gè)諧波振動(dòng)，包括子諧波分量

6、，無(wú)論滾動(dòng)軸承是否正常。圖7-2滾動(dòng)軸承剛度的變化，2。滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)軸承時(shí)，滾動(dòng)實(shí)體將在內(nèi)部和外部環(huán)之間滾動(dòng)。軸承的滾動(dòng)表面處理非常平滑，但在細(xì)微的方面仍然凹凸不平。特別是材料表面出現(xiàn)疲勞斑點(diǎn)時(shí)，凹凸的情況更加嚴(yán)重。滾動(dòng)體在這些凹凸面上旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交替激發(fā)力。包含隨機(jī)和滾動(dòng)實(shí)體的傳輸振動(dòng)的結(jié)果振動(dòng)是主頻率零部件滾動(dòng)軸承的固有頻率。滾動(dòng)軸承的特征頻率(接觸產(chǎn)生的基本頻率)可以根據(jù)軸承零部件之間滾動(dòng)接觸的速度關(guān)系建立的表達(dá)式完全獲得。計(jì)算的要素頻率值通常與測(cè)量值非常接近，因此在診斷之前始終將此值作為診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。滾動(dòng)軸承的固有頻率(內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，外部環(huán)固定時(shí))，1)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)頻率1:

7、hz2)固定架旋轉(zhuǎn)頻率2: 3)滾動(dòng)主體旋轉(zhuǎn)頻率3: 4)固定架通過(guò)內(nèi)部環(huán)頻率4: 5)滾動(dòng)主體通過(guò)內(nèi)部環(huán)頻率5: 6) 通過(guò)外環(huán)頻率6)對(duì)表面缺陷的敏感度高，圖7-3方向推力球軸承結(jié)構(gòu)概要(內(nèi)旋轉(zhuǎn)，外圈固定)，圖7-4滾動(dòng)軸承內(nèi)部缺陷引起的振動(dòng)波形，3。 滾動(dòng)軸承早期故障引起的振動(dòng)特性如果滾動(dòng)軸承內(nèi)發(fā)生像剝離這樣的故障，則當(dāng)滾動(dòng)實(shí)體以高速度通過(guò)故障時(shí)，必須發(fā)生兩個(gè)特性的振動(dòng)。如圖7-4所示，第一類(lèi)振動(dòng)是以結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系為特征的振動(dòng)，表示沖擊振動(dòng)的周期性。第二種類(lèi)型的振動(dòng)是根據(jù)軸承零部件的固有頻率進(jìn)行的衰減振動(dòng)，表示為每個(gè)脈沖的衰減振動(dòng)波。軸承元件的自然頻率取決于其材料、結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量，根據(jù)某

8、些資料介紹，軸承元件的自然頻率位于20K至60KHz的頻率區(qū)段中。因此，一些軸承診斷師使用在此波段工作的儀表對(duì)該特性進(jìn)行信號(hào)分析處理。利用低波段信號(hào)診斷軸承故障的點(diǎn)，軸承故障產(chǎn)生的周期性脈沖的頻率與軸承結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相關(guān)，在振動(dòng)信號(hào)的低波段內(nèi)，該波段內(nèi)有軸的振動(dòng)、齒輪的嚙合振動(dòng)等各種部件的振動(dòng)。由于這種振動(dòng)的能量更強(qiáng)，軸承早期故障產(chǎn)生的弱周期脈沖信號(hào)經(jīng)常被這些強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)淹沒(méi)，給在線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)困難。但是滾動(dòng)軸承缺陷在低頻帶仍然可用。滾動(dòng)軸承在機(jī)械設(shè)備中的作用支持驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，因此滾動(dòng)軸承故障引起的振動(dòng)必然影響軸和軸的機(jī)械零件。非轉(zhuǎn)子零件的軸的動(dòng)態(tài)不平衡不隨時(shí)間變化，例如軸的零件是齒輪。滾動(dòng)

9、軸承影響軸的空間位置，軸承故障導(dǎo)致軸的空間位置波動(dòng)，軸的工作狀態(tài)不是過(guò)載時(shí)，軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)寬度增加，在某些情況下，旋轉(zhuǎn)速度為2X，3x.5x頻率的振幅似乎在增加。這種情況通常表示滾動(dòng)軸承的初始故障。如果再次降低軸的變頻振動(dòng)振幅，滾動(dòng)軸承故障將根據(jù)需要進(jìn)行得晚。7.3滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法、軸承故障信號(hào)選擇實(shí)際上是傳感器和安裝部分以及感應(yīng)頻率段的選擇。傳感器安裝部分通常選擇軸承座部分，根據(jù)信號(hào)傳遞方向選擇垂直、水平、軸放置。這里離故障信號(hào)源最近，傳輸損耗最小，軸、齒輪等故障信號(hào)傳輸路徑必須經(jīng)過(guò)的最近位置。因此，幾乎所有在線故障監(jiān)視和診斷系統(tǒng)都選擇軸承座作為傳感器安裝部分。由于軸的空間位置變化，只能影

10、響齒輪等零件的振動(dòng)。滾動(dòng)軸承故障反映在齒輪嚙合頻率的幅度上升中，即使在某些條件下(例如，輕負(fù)載、空載)。因此，其特點(diǎn)是齒輪嚙合頻率的邊緣頻率幾乎看不見(jiàn)。如圖7-5所示，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻譜、傳感器和感應(yīng)頻率段選擇、軸承故障信號(hào)分布的頻帶傳感器和感應(yīng)頻率段選擇(圖7-5所示，通過(guò)故障實(shí)驗(yàn)選擇航空軸承的頻譜)。軸承的故障信號(hào)分布在三個(gè)波段，即圖的陰影部分。a)。低頻帶：在8kHz以下的滾動(dòng)軸承中，連接到結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的錯(cuò)誤信號(hào)位于此頻率部分，幾個(gè)高速滾動(dòng)軸承的信號(hào)帶可以擴(kuò)展到b點(diǎn)以上。軸的故障信號(hào)和齒輪的故障信號(hào)也在這個(gè)波段，因此也是大多數(shù)在線故障監(jiān)視和診斷系統(tǒng)中監(jiān)視的波段。b)。高波段：位于區(qū)，該

11、波段的信號(hào)是軸承故障引起的軸承固有頻率的振動(dòng)。C) UHF段：位于區(qū)，是軸承內(nèi)微裂紋擴(kuò)展引起的聲發(fā)射超聲信號(hào)。信號(hào)選擇方法：根據(jù)信號(hào)所在的頻段，需要不同的信號(hào)選擇方法。a)通常使用加速度傳感器的低頻帶信號(hào)監(jiān)測(cè)還需要選擇其他部件的故障信號(hào)，因此使用通用信號(hào)處理電路(儀器)。b)為了獲得固有軸承故障信號(hào)，使用自振頻率為25 30khz的加速度傳感器放大此波段的軸承故障信號(hào)，然后使用帶通濾波器過(guò)濾其他頻率的信號(hào)(主要是低頻信號(hào))，以獲得獨(dú)特的軸承故障信號(hào)。c)要監(jiān)視UHF段的信號(hào)，請(qǐng)使用超聲波傳感器導(dǎo)出并放大聲發(fā)射信號(hào)。儀表統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的頻率和強(qiáng)度在頻率或強(qiáng)度超過(guò)特定報(bào)警限制時(shí)確定軸承故

12、障。滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析方法，1 .有效值和峰值判別方法有效值：滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值反映了振動(dòng)的能量大小，如果軸承發(fā)生異常，則只能增加振動(dòng)。因此，有效值可以用作軸承異常的判斷指標(biāo)。峰值：有效值指示器不適用于具有瞬時(shí)沖擊振動(dòng)的例外。因?yàn)闆_擊波峰值的振幅大，持續(xù)時(shí)間短。如果用有效值表示失敗特征，則其特性不明顯，對(duì)于這種異常形式的失敗特征，使用峰值值比有效值更合適。2.峰值系數(shù)方法稱(chēng)為峰值系數(shù)，表示峰值與有效值的比率。最高系數(shù)診斷的最大特征是值不受軸承大小、速度和載荷的影響。滾動(dòng)軸承的峰值系數(shù)通常約為5，如果軸承有缺陷，則可能達(dá)到數(shù)十個(gè)。軸承正常，異常判斷容易識(shí)別。另外，峰值系數(shù)不受振動(dòng)信號(hào)絕對(duì)

13、水平的影響。測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度變化對(duì)顯示值沒(méi)有太大影響。3 .峰度指數(shù)法峰度指數(shù)Cq反映振動(dòng)信號(hào)的沖擊特性。峰度指標(biāo)Cq峰度指示器Cq對(duì)信號(hào)的沖擊特性很敏感，正常情況下，該值應(yīng)該為3左右，如果該值接近4或超過(guò)4，則表明機(jī)械運(yùn)動(dòng)條件下存在沖擊性振動(dòng)。*如果軸承有初始錯(cuò)誤，有效值幾乎不變，但峰度指數(shù)值已大幅增加到數(shù)十或數(shù)百。優(yōu)點(diǎn)是可以提供初始錯(cuò)誤預(yù)測(cè)。*軸承故障進(jìn)入后期，樸樸斑點(diǎn)裝滿了整個(gè)流道，峰度指標(biāo)反而下降。不能適應(yīng)后期故障。4。沖擊脈沖法(SPM)沖擊脈沖法是通過(guò)加速度傳感器的共振放大、帶通濾波器和包絡(luò)檢查等信號(hào)處理獲得的信號(hào)振幅與沖擊大小成正比，利用軸承故障產(chǎn)生的軸承元素固有頻率的振動(dòng)信號(hào)。

14、沖擊脈沖技術(shù)測(cè)量的信號(hào)振幅的測(cè)量單位是數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)量的軸承沖擊dBi值從軸承基準(zhǔn)值dB0中減去(dB0是良好軸承的測(cè)量值)。DBN=DBI-db0沖擊脈沖米的刻度用DBN值表示。軸承狀態(tài)分為三個(gè)區(qū)域：(0 2035)dBN表示軸承狀態(tài)良好(20 3560)dBN表示軸承狀態(tài)差，開(kāi)發(fā)期間損壞期間(3560)dBN表示軸承已經(jīng)有明顯的損壞。圖7-6共振解調(diào)法的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程，也稱(chēng)為包絡(luò)檢測(cè)頻譜分析5。共振解調(diào)方法是目前滾動(dòng)軸承故障診斷中最常用的方法之一。共振解調(diào)方法的基本原理可以用圖7-6所示的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程的波形特性來(lái)說(shuō)明。圖(a)是在時(shí)域中脈沖寬度非常小、振幅較小、脈沖的頻率成分豐富的理想誤差微沖擊

15、脈沖信號(hào)F(t)(原始脈沖波)。此脈沖是t周期，但光譜中沒(méi)有直接反映相應(yīng)頻率1/t成分。圖(b)是脈沖信號(hào)被傳感器接收后，通過(guò)電子高頻諧振腔產(chǎn)生的共振響應(yīng)波集。這是振幅放大的高頻自由衰減振動(dòng)波。振動(dòng)頻率是諧振腔的諧振頻率n (n=1/TN)，最大振幅與故障沖擊的強(qiáng)度成正比，每組振動(dòng)波在時(shí)域中擴(kuò)展，振動(dòng)波的重復(fù)頻率等于故障沖擊的重復(fù)頻率。圖(c)在振動(dòng)波經(jīng)過(guò)絕對(duì)值處理后留下了對(duì)應(yīng)的頻率，但還不是完整的周期信號(hào)，在光譜中不能形成簡(jiǎn)單波形等離散線。圖(d)是圖(c)所示的振動(dòng)波再次包絡(luò)處理后的波形，即采取振動(dòng)波形的包絡(luò)。該包絡(luò)波形消除了高頻分量和其他機(jī)械干涉頻率，成為純低頻周期波，波的周期t對(duì)應(yīng)于原

16、始沖擊頻率的圖(e)從圖(d)所示的純低周期包絡(luò)到新的振蕩波進(jìn)行了頻譜分析，得出了明顯的沖擊頻率和諧波分量的頻譜分析。圖7-7比較了兩種信號(hào)處理方法，如共振解調(diào)方法(包絡(luò)檢測(cè)譜分析)包絡(luò)檢測(cè)方法，一般有希爾伯特(Hilbett)轉(zhuǎn)換方法和檢測(cè)濾波方法兩種。圖7-7是在204型軸承上添加30N軸向力的測(cè)試裝置上進(jìn)行測(cè)試分析的結(jié)果。圖7-7 (a)是原始信號(hào)直接通過(guò)低頻信號(hào)接收方法獲得的頻譜，峰值密度高，故障特征頻率很難找到。圖7-7 (b)是包絡(luò)檢測(cè)后的頻譜圖，91.25Hz是軸承外環(huán)的間隔頻率(理論上計(jì)算為92.5Hz)，145Hz、290Hz和436Hz是內(nèi)環(huán)的間隔頻率及其對(duì)應(yīng)的諧波。這個(gè)軸

17、承的實(shí)際故障是內(nèi)部和外部流道表面的一個(gè)疲勞脫落。6。頻譜分析用振動(dòng)信號(hào)測(cè)量低頻帶，在低通抗混疊濾波器后進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，得到光譜圖。每個(gè)固有頻率是根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)關(guān)系計(jì)算的，通過(guò)在光譜內(nèi)查找并觀察相應(yīng)的變化來(lái)確定缺陷的存在和部分。雖然各種特征頻率從理論上導(dǎo)出，但實(shí)際上軸承的幾何尺寸有誤差，軸承安裝后變形、FFT計(jì)算錯(cuò)誤等因素可能導(dǎo)致實(shí)際頻率和計(jì)算的頻率有些差異，因此需要說(shuō)明在光譜圖中查找各特征頻率時(shí)，必須從計(jì)算的頻率值中找到近似值并進(jìn)行診斷。圖7-8故障軸承與正常軸承的頻譜比較a)故障軸承b)正常軸承(例如，圖7-8a是外環(huán)刮傷的軸承頻譜圖，可以清楚地表明頻譜內(nèi)有較大的周期組件，基本頻率為184.2Hz)。圖7-8b是與該軸承相同型號(hào)的未損壞軸承的光譜圖。比較表明，故障后光譜圖中存在高水平諧波。在此示例中，出現(xiàn)了184.2Hz的第五次諧