滾動(dòng)軸承故障診斷分析-專(zhuān)家版

1、蝕滾動(dòng)軸承故障診斷 1 （之國(guó)外專(zhuān)家版）聿滾動(dòng)軸承故障肆現(xiàn)代工業(yè)通用機(jī)械都配備了相當(dāng)數(shù)量的滾動(dòng)軸承。一般說(shuō)來(lái)，滾動(dòng)軸承都是機(jī)器中最精密的部件。通常情況下，它們的公差都 保持在機(jī)器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，只有 10% 以下的軸承能夠運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命年限。而大約 40% 的軸承失效是由于潤(rùn)滑引起的故障， 30% 失效是由于不對(duì)中或 “卡住 ”等裝配失誤，還有 20% 的失效是由過(guò)載使用或制造上缺 陷等其它原因所致。袁如果機(jī)器都進(jìn)行了精確對(duì)中和精確平衡，不在共振頻率附近運(yùn)轉(zhuǎn)，并且軸承潤(rùn)滑良好，那么機(jī)器運(yùn)行就會(huì)非?？煽?。機(jī)器的實(shí) 際壽命也會(huì)接近其設(shè)計(jì)壽命。然而遺憾的是，大多

2、數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都沒(méi)有做到這些。因此有很多軸承都因?yàn)槟p而永久失效。你的工作 是要檢測(cè)出早期癥狀并估計(jì)故障的嚴(yán)重程度。振動(dòng)分析和磨損顆粒分析都是很好的診斷方法。葿 1 、頻譜特征膈故障軸承會(huì)產(chǎn)生與 1X 基頻倍數(shù)不完全相同的振動(dòng)分量 換言之，它們不是同步的分量。對(duì)振動(dòng)分析人員而言，如果在振動(dòng) 頻譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量那么極有可能是軸承出現(xiàn)故障的警告信號(hào)。 振動(dòng)分析人員應(yīng)該馬上診斷并排除是否是其它故障引起的這些不 同步分量。（非轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)峰值疑似為故障信息）蕆如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關(guān)。如果同時(shí)還有諧波 （基頻的倍頻） 和邊頻帶出現(xiàn)，那么軸承磨損的可能 性就非常大 這時(shí)候你甚至不需要再

3、去了解軸承準(zhǔn)確的擾動(dòng)頻率。薃 2 、擾動(dòng)頻率計(jì)算蒂有四個(gè)與軸承相關(guān)的擾動(dòng)頻率：球過(guò)內(nèi)圈頻率（ BPI）、球過(guò)外圈頻率（BPO）、保持架頻率（FT）和球的自旋頻率（BS）（外圈, 內(nèi)圈，保持架，滾動(dòng)體特征頻率）。軸承的四個(gè)物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑（滾柱圓心對(duì)應(yīng)軸承的半徑D）和接觸角。其中，BPI和BPO的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果 BPO等于3.2X （轉(zhuǎn)頻），BPI等于4.8X，那么滾珠/滾柱的數(shù)量必定是 8。羋軸承擾動(dòng)頻率的計(jì)算公式如下：薄注意：BS的值可能會(huì)加倍，因?yàn)樗o的公式針對(duì)的是球撞擊內(nèi)圈或外圈的情況。如果有庇點(diǎn)的滾球/滾柱同時(shí)撞擊內(nèi)圈和外圈，那么其頻率值應(yīng)該加倍。

4、芅需要說(shuō)明的是由于受到各種實(shí)際情況如滑動(dòng)、打滑、磨損、軸承各參數(shù)的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，我們所 計(jì)算出來(lái)的頻率值可能會(huì)與真實(shí)值有小范圍的差異。芁在檢查過(guò)程中你可能會(huì)經(jīng)常涉及到滾珠的數(shù)目，對(duì)于軸承而言你所能了解到的信息可能只有滾珠（或滾柱）的數(shù)目。如果能夠 根據(jù)頻譜（或其它地方）確定其中一個(gè)的擾動(dòng)頻率，我們就可以根據(jù)它計(jì)算出其它的頻率。莈對(duì)于四個(gè)擾動(dòng)頻率計(jì)算還有一個(gè)近似的經(jīng)驗(yàn)公式可供參考。對(duì)于812個(gè)滾珠/滾柱的軸承：BPO通常等于滾珠數(shù)量的0.4倍,BPI是滾珠數(shù)量的0.6倍，而FT等于0.4X。羅 3、軸承失效的九個(gè)階段螃有人把軸承失效劃分為四個(gè)階段，在此我們?yōu)榱嗣枋龅酶?/p>

5、詳細(xì)將它細(xì)分為九個(gè)階段。羀第一階段：蒈在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20KHZ60KHZ之間一一或更高。有多種電子設(shè)備可以用來(lái)檢測(cè)這些頻率，包括峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測(cè)量裝置。在這個(gè)階段，普通的頻譜上不會(huì)出現(xiàn)任何顯示。莆第二階段：蒅由于軸承上的庇點(diǎn)增大，使它在共振（固有）頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時(shí)該頻率還作為載波頻率調(diào)制軸承的故障頻率。蝿第三階段：薈出現(xiàn)軸承故障頻率。開(kāi)始的時(shí)候我們只能觀察到這個(gè)頻率本身。圖中所示為軸承內(nèi)圈故障時(shí)的頻譜顯示。當(dāng)軸承磨損進(jìn)一步加 劇后，在故障頻率（例子中的 BPI）處的波峰值將會(huì)升高。大多數(shù)情況下波峰值將隨著時(shí)間線性增加。螇第四階段：袂隨著

6、故障的發(fā)展，故障頻率將產(chǎn)生諧波。這表明發(fā)生了一定程度的沖擊。故障頻率的諧波有時(shí)可能會(huì)比基頻波峰更早被發(fā)現(xiàn)。 因此，我們首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形中同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。袂故障頻率及其諧波的幅值在開(kāi)始階段都比較低。如果你僅僅通過(guò)線性坐標(biāo)圖表來(lái)查看數(shù)據(jù)，很容易錯(cuò)過(guò)這些重要的故障信號(hào)。 因此，建議結(jié)合 對(duì)數(shù)坐標(biāo) 來(lái)進(jìn)行分析，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障的早期顯示。薈如果你想要進(jìn)行軸承的 早期故障 預(yù)報(bào)， 那么就應(yīng)該 使用加速度 為單位來(lái)采集高頻時(shí)域波形 （使用加速度傳感器） 也就是說(shuō)， 不要進(jìn)行積分 。加速度能突出信號(hào)中的 高頻成分，這對(duì)于我們的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很理想的方

7、法。袃第五階段：蚄隨著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴(yán)重，振動(dòng)級(jí)將繼續(xù)升高，同時(shí)出現(xiàn)更多的諧波。由于故障自身的性質(zhì)，這時(shí)還會(huì)出現(xiàn) 邊頻帶。時(shí)域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過(guò)測(cè)量尖峰間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算故障頻率。高頻率的軸承檢測(cè)，如 峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢(shì)都在持續(xù)上升。薀此時(shí)引起調(diào)制的原因有二個(gè)：第一種情形是當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)故障時(shí)，如果它位于加載區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生的沖擊會(huì)更加劇烈，從而產(chǎn)生更 高的振幅。當(dāng)內(nèi)圈故障位置移出加載區(qū)后，其振幅又會(huì)降低，并在軸承頂部達(dá)到最小值。在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率將被（內(nèi)圈 的）旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，于是我們可以在頻譜中看到1X邊頻帶出現(xiàn)。蚈如果滾珠出現(xiàn)問(wèn)題，

8、也會(huì)因相同的原因，產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)在載荷區(qū)會(huì)產(chǎn)生比運(yùn)轉(zhuǎn)在非載荷區(qū)更強(qiáng)烈的沖擊。越接近載荷區(qū)，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動(dòng)。該頻率低于1X典型的FT大約等于0.4X。芄當(dāng)我們能夠從頻譜中觀察到諧波，特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經(jīng)能夠用肉眼觀察到了。這時(shí)候，你就可以建議更換軸承了。肂滾動(dòng)軸承故障診斷 2荿第六階段：螈1X處的幅值增大，并出現(xiàn) 1X的諧波，這是由于磨損引起間隙增大的結(jié)果。蚅第七階段：螄現(xiàn)在我們看見(jiàn)故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經(jīng)常被叫作干草堆 。這是由于 寬帶噪聲 所致。在 * 近機(jī)器的地方，你還能聽(tīng)到軸承發(fā)出的噪聲。在這個(gè)階段，高頻率的軸承測(cè)量量可能會(huì)逐漸減少。

9、如果你用測(cè)量工具測(cè)到的振幅有下降趨勢(shì)，不要以為是情 況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，而應(yīng)該盡快去定購(gòu)用來(lái)更換的軸承了！莂第八階段：袇頻譜中的 “干草堆 ”將繼續(xù)擴(kuò)大，諧波隨著松動(dòng)的增加而增大，高頻率的軸承測(cè)量顯示出的趨勢(shì)可能會(huì)繼續(xù)降低，但重要的是整 個(gè)噪聲水平都在上升。你能清晰的聽(tīng)到軸承發(fā)出的聲音，這預(yù)示著軸承即將報(bào)廢。膆第九階段：節(jié)到了這個(gè)階段以后，頻譜會(huì)變得平直，因?yàn)闄C(jī)器已經(jīng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)了！膁 4 、解調(diào)頻譜及在滾動(dòng)軸承診斷中的應(yīng)用羇振動(dòng)解調(diào)可以在滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的初始階段檢測(cè)到故障信息， 并且可以跟蹤軸承的故障發(fā)展， 在軸承故障的不同階段中以不 同的信息反映軸承不同的故障狀態(tài)。薇 4-1 使用和認(rèn)識(shí)解調(diào)羄以上已

10、經(jīng)論述了如下事實(shí)：在軸承故障的早期階段可以觀察到在機(jī)器固有頻率處的振動(dòng)。軸承在固有頻率上產(chǎn)生 “鳴叫 ”。軸承 的損壞所引起的沖擊導(dǎo)致軸承 “鳴叫 ”。因此，我們實(shí)際得到的是故障頻率的邊頻帶。 （如在第二階段上的圖示）在軸承失效的晚期， 我們也能觀察到存在 1X 邊頻帶或保持架轉(zhuǎn)速的邊頻帶 調(diào)制，他們分別代表了軸承內(nèi)圈和滾珠的故障。 （如在第五階段上的圖示）羀 4-2 解調(diào)肇結(jié)合上述兩種情形， 我們會(huì)想： 如果能夠檢測(cè)到故障頻率邊頻帶的軸承共振是否就還能給出非常早的軸承磨損警告呢？答案是 肯定的。但是由于測(cè)量的是高頻低幅信號(hào)，因此它容易被其他振源信號(hào)所掩蓋。一種解決方法就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。簡(jiǎn)單

11、的說(shuō)，就 是首先 使用高通濾波器過(guò)濾主要的低頻成份， 然后進(jìn)行檢波（解調(diào)） ，接著 為了抗混頻還需要使用 低通 濾波器去除高頻信號(hào)。蚄仔細(xì)查看頻譜，你會(huì)在原始信號(hào)中發(fā)現(xiàn)許多振動(dòng)源，特別是那些比軸承共振幅值還高的地方。如果我們查看時(shí)域波形，會(huì)發(fā)現(xiàn) 正弦信號(hào)與密集的高頻雜波相伴。動(dòng)態(tài)的高頻雜波來(lái)源于軸承的 “鳴叫 ”。蒂首先是要通過(guò)高通濾波器濾掉低頻信號(hào)并讓高頻信號(hào)通過(guò)。濾波器可以設(shè)置成讓高于 2000HZ 的頻率通過(guò)（用于軸承分析） 。 結(jié)果信號(hào)仍然包含高頻成份，但較高振幅的信號(hào)應(yīng)已經(jīng)被過(guò)濾掉了。時(shí)域波形上也只剩下軸承的沖擊信號(hào)，這才是最重要的信息。蠆滾動(dòng)軸承故障診斷 3膇其次，我們將頻率坐標(biāo)上

12、部的邊頻帶 “迭放 ”到“基帶 ”上?？梢杂媒庹{(diào)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上它就相當(dāng)于一個(gè)典型的整流器（翻轉(zhuǎn)所 有的負(fù)向信號(hào)） 。整流的過(guò)程中會(huì)去掉負(fù)向信號(hào)，剩下的就只是正向信號(hào)了。如（Rectifiedsignal 整流信號(hào)圖所示）肅之后，我們?yōu)V掉來(lái)自其他調(diào)制源的殘余信號(hào)。一些解調(diào)器產(chǎn)品允許手動(dòng)控制濾波器，然而大多數(shù)情況下該功能都由數(shù)據(jù)采集器 中的抗混頻濾波器來(lái)完成（基于選擇的頻率范圍） 。對(duì)時(shí)域波形而言，所有的高頻信息都被濾掉。有人也把它叫做 “包絡(luò)檢定器 ”。膄解調(diào)測(cè)試最重要的是選擇頻率范圍。一般的原則是：范圍應(yīng)控制在 1520X （也就是運(yùn)行速度的 1520 倍）之間。我們的目的 是要確保最后只留

13、下需要的調(diào)制信號(hào)。機(jī)器可能多半會(huì)有其他的調(diào)制信號(hào)源，因此最佳的規(guī)則是：把頻率范圍設(shè)定為 整個(gè)邊頻帶寬 度的一半 。到最后，留下的信號(hào)應(yīng)該是有一系列很強(qiáng)的諧波 這取決于故障的嚴(yán)重程度了。螂解調(diào)頻譜與普通振動(dòng)頻譜相比有些不同。 你不是根據(jù)振幅大小來(lái)確定故障的嚴(yán)重程度， 而是通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)間的對(duì)比分析來(lái)進(jìn)行 判斷，最重要的是將波峰和噪聲水平進(jìn)行比較。一般說(shuō)來(lái)當(dāng)損壞程度較低時(shí)波峰將非常小。膇隨著故障破壞的進(jìn)一步發(fā)展，振動(dòng)波峰將逐漸從噪聲中凸顯出來(lái)。蒆當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，波峰值將高出噪聲水平約20dB （100X）。（10lg（a/b）-a/b=100 ）薁當(dāng)軸承破壞非常嚴(yán)重處于前面所述的第七或第八階段時(shí)，

14、噪聲水平將上升到接近波峰處。這是一個(gè)非常糟糕的信號(hào)預(yù)示著軸承即將完全失效！蒀?該過(guò)程也可適用于機(jī)器的其它故障分析：齒輪嚙合分析、電機(jī)電流分析、電動(dòng)機(jī)氣隙偏心分析和其它調(diào)制信號(hào)源。（注：在齒輪箱中經(jīng)常會(huì)發(fā)生頻率調(diào)制，這可能導(dǎo)致分析振幅解調(diào)數(shù)據(jù)時(shí)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。這個(gè)問(wèn)題已超出本討論的范圍，但必須對(duì)此有 所認(rèn)識(shí)。）芇軸承的解調(diào)測(cè)試的一個(gè)好處是能夠幫助你查明具體哪個(gè)軸承出現(xiàn)了故障。如果你不知道軸承的詳細(xì)參數(shù)，也不知道故障頻率， 或你知道了故障頻率，但機(jī)器上有多個(gè)同樣的軸承。那么我們可以對(duì)所有的軸承進(jìn)行檢測(cè)，或只取其一個(gè)作診斷測(cè)試，都能把問(wèn)題 軸承找出。袆 5 、沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測(cè)法等（僅

15、作簡(jiǎn)單論述）芃?不同的監(jiān)測(cè)公司往往采用了不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中包括：沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測(cè)法等等。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這些 方法就是利用軸承發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)的癥狀進(jìn)行診斷，故障軸承開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，然后發(fā)生共振或發(fā)出鳴叫聲。而前面討論的解調(diào)技術(shù)將產(chǎn)生一種頻譜，沖擊脈沖法（SPM）、峰值能量法和其它一些技術(shù)則能夠產(chǎn)生一個(gè)（或兩個(gè)）能顯示出趨勢(shì)的值。隨著趨勢(shì)值的升高，軸承損壞的可能性也跟著增加。艿?基本原理： 由沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)把能量注入到所有的頻率中。在0-3KHz 正常頻率段內(nèi)，因?yàn)榛煊衅渌駝?dòng)信號(hào)源而很難被檢測(cè)到。但當(dāng)達(dá)到 傳感器的共振頻率 時(shí)，除了瞬態(tài)沖擊波外沒(méi)有其它強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)源（不平衡、不對(duì)中等都是在較低的頻率段顯 示的故障） 。因此瞬態(tài)沖擊可以單