滾動軸承的故障診斷

1、揚州工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)論文目錄摘要abstract第1章 緒論 3一、滾動軸承的失效形式 3二、設備故障診斷技術的發(fā)展概況 6第2章 設備故障診斷的技術基礎和振動診斷方法 8一、設備故障診斷的概述 8二、設備故障診斷技術的分類 9三、振動診斷方法概述11四、振動診斷的頻域分析方法12第3章 滾動軸承的主要診斷方法 14一、振動信號簡易診斷法14二、振動信號精密診斷法19三、滾動軸承故障實例分析 19第4章 滾動軸承故障的其它診斷方法 22一、油液分析診斷22二、溫度監(jiān)測診斷24三、間隙（游隙）監(jiān)測診斷法25四、光纖維監(jiān)測診斷法25參考文獻 26致謝 27滾動軸承的故障診斷班級：0801機電維

2、修摘要：滾動軸承是機械設備中最常見的零部件，其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯(lián)的轉(zhuǎn)軸以及安裝在轉(zhuǎn)軸上的齒輪乃至整個機器設備的性能。據(jù)統(tǒng)計，在使用軸承的旋轉(zhuǎn)機械中，大約有30的故障都是由于軸承引起的。因此，研究滾動軸承的失效機理，提出相應的預防和維護措施，對于降低設備的維修費用，延長設備維修周期，提高經(jīng)濟效益，保證設備的長期安全穩(wěn)定運行，均有現(xiàn)實的意義。滾動軸承的振動診斷方法有：振動信號簡易診斷法,美國恩泰克公司開發(fā)的g/se診斷法等。還有其他診斷方法，如：光纖維監(jiān)測技術、油污染分析法（光譜測定法、磁性磁屑探測法和鐵譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等，重點研究傅里葉變換。關鍵詞：滾動軸承；故障；

3、振動；診斷fault-diagnosis of bearingname：wang chaoclass and grade：0801 electromechanicalabstract：rolling bearing is the mechanical equipment is the most common parts, its performance and modes of the direct influence on the shaft and the associated with the gear axis installed in the whole machine equipm

4、ent performance. according to statistics, in the use of rotating machine, bearing about 30% of the fault is due to bearing cause. therefore, the study of rolling bearings failure mechanism and corresponding preventive and maintenance measures, for reducing the equipment of the cost of maintenance of

5、 the equipment, prolong maintenance cycle, to improve the economic benefit and guarantee the safe and stable operation of the equipment's long-term, all have realistic significance. vibration of rolling bearings diagnosis methods are: vibration signal simple diagnostics, american grace tektronix

6、 company developed the g/se diagnostics, etc. there are other diagnostic methods, such as optical fiber monitoring technology, oil pollution process (spectrometric method, magnetic crumbs detection method and iron spectral analysis, etc.), acoustic emission method, resistance method, key research fo

7、urier transformation.key words：bearing；vibration；fault；diagnosis第1章 緒論滾動軸承是機械設備中最常見的零部件，其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯(lián)的轉(zhuǎn)軸以及安裝在轉(zhuǎn)軸上的齒輪乃至整個機器設備的性能。據(jù)統(tǒng)計，在使用軸承的旋轉(zhuǎn)機械中，大約有30的故障都是由于軸承引起的。一、滾動軸承的失效形式1滾動軸承的疲勞失效滾動軸承在商接觸應力的作用下，通過多次應力循環(huán)后，在套圈或滾動體工作表面的局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑，從而引起振動，噪聲增大，磨損加劇，導致不能正常工作的現(xiàn)象稱為接觸疲勞失效，是滾動軸承失效的主要形式。由于

8、材質(zhì)、工作條件、潤滑環(huán)境等不同，接觸疲勞失效分為麻點剝落、淺層剝落、硬化層剝落。滾動軸承的疲勞失效損傷結(jié)果是：使?jié)L動體或滾幼表面產(chǎn)生剝落坑，并向大片剝落發(fā)展導致軸承失效，如圖1-1所示。圖1-1 滾動軸承疲勞失效2滾動軸承的膠合失效高速重載、潤滑嚴重不足、滾子與套圈滾道或擋邊產(chǎn)生嚴重滑動、軸承游隙過小摩擦力增大、滾子與保持架兜孔間隙過小或卡緊等現(xiàn)象都會造成金屬間的直接接觸產(chǎn)生固相焊合。當漢和強度大于接觸零件任一基本強度，使剪切力高于焊合強度，在接觸一方或二方的金屬深處產(chǎn)生的局部破壞稱為膠合。滾動軸承的膠合失效損傷結(jié)果是：導致表面燒傷，并使金屬從一個表面從一個表面粘附到另一個表面，如圖1-2所示

9、。圖1-2 滾動軸承膠合失效3滾動軸承的磨損失效軸承在工作過程中由于滾動體與內(nèi)外滾道間的滾動和滑動運動，保持架與引導面間的滑動運動，引起軸承工作表面金屬不斷損失的現(xiàn)象叫做軸承的磨損。由于軸承工作表面不斷磨損使軸承零件產(chǎn)生尺寸和形狀的變化導致軸承配合間隙增大，工作表面形貌變壞而喪失旋轉(zhuǎn)精度，由此引起工作溫度升高、振動、噪聲、摩擦力矩增大等，致使軸承不能正常工作的現(xiàn)象稱為磨損失效。磨損失效與材料性質(zhì)、粗糙度、潤滑狀態(tài)、接觸應力、相對滑動率、表面摩擦系數(shù)、速度、溫度及環(huán)境介質(zhì)等有著密切聯(lián)系。滾動軸承的磨攢失效損傷結(jié)果是：損傷軸承，降低軸承運轉(zhuǎn)周期，如圖1-3所示。圖1-3 滾動軸承磨損失效4滾動軸承

10、的燒傷失效滾動軸承的燒傷失效損傷結(jié)果：表面局部軟化，降低使用壽命，如圖1-4所示。滾動軸承的燒傷失效損傷特征：滾道面、滾動體面、擋邊面變色、軟化、熔體。滾動軸承的燒傷失效損傷原因：裝配不當，潤滑不良。圖1-4 滾動軸承燒傷失效5滾動軸承的腐蝕失效銹蝕是滾動軸承最嚴重的問題之一，高精度軸承可能會由于表面銹蝕導致精度喪失而不能繼續(xù)工作。水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵人會引起軸承銹蝕。當軸承停止工作后，軸承溫度下降達到露點，空氣中水分凝結(jié)成水滴附在軸承表面上也會引起銹蝕。此外，當軸承內(nèi)部有電流通過時，電流有可能通過滾道和滾動體上的接觸點處，很薄的油膜引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。滾動

11、軸承的腐蝕失效損傷結(jié)果是：表面由于電流、化學和機械作用產(chǎn)生損傷，喪失精度面不能繼續(xù)工作。圖1-5 滾動軸承腐蝕失效6滾動軸承的破損失效過高的載荷會可能引起軸承零件產(chǎn)生裂紋或斷裂。磨削、熱處理和裝配不當都會引起殘余應力，工作時熱應力過大也會引起軸承零件斷裂。另外，裝配方法、裝配工藝不當，也可能造成軸承套圈擋邊和滾子倒角處掉塊。滾動軸承的破損失效結(jié)果是：導致產(chǎn)生裂紋，斷裂，使軸承失效，如圖1-6。1-6 滾動軸承破損失效7滾動軸承的壓痕失效由于滾動軸承承受的靜載荷過大，沖擊載荷過大，異物進入引起軸承的壓痕失效，裝配不當，滾道承受載荷不均勻也是引起滾動軸承壓痕失效的主要原因。滾動軸承的壓痕失效損傷結(jié)

12、果是：導致表面凹凸不平，降低使用壽命，如圖1-7所示。圖1-7 滾動軸承壓痕失效二、設備故障診斷技術的發(fā)展概況對設備的故障診斷，實際上自有工業(yè)生產(chǎn)以來就己存在。早期人們依據(jù)對設備的觸摸，對聲音、振動等狀態(tài)特征的感受，憑借工匠的經(jīng)驗，可以判斷某些故障的存在，并提出修復的措施。例如有經(jīng)驗的工人常利用聽棒來判斷旋轉(zhuǎn)機械軸承及轉(zhuǎn)子的狀態(tài)。但是故障診斷技術作為一門學科，則是本世紀60年代以后才發(fā)展起來的。 對設備故障診斷技術的發(fā)展情況，己有不少文獻進行了回顧和綜述。最早開展故障診斷技術研究的是美國。美國1961年開始執(zhí)行阿波羅計劃后出現(xiàn)了一系列設備故障，促使1967年在美國宇航局（nasa）倡導下，由美

13、國海軍研究室(onr）主持美國機械故障預防小組（hfpg)，積極從事故障診斷技術的研究和開發(fā)1971年mfpg劃歸美國國家標準局（nsb）領導，成為一個宮方領導的組織，下設故障機理研究、檢測、診斷和預測技術、可靠性設計和材料耐久性評估四個小組，乎均每年召開兩次會議，至今己召開40次會議美國扒械工程師學會（asme）領導下的鍋爐壓力容器監(jiān)測中心（nbbi）對鍋爐壓力容器和管道等設備的診斷技術作了大量研究，制訂了一系列有關靜態(tài)設備設計、制造、試驗和故障診斷及預防的標準規(guī)程，目前正在研究推行設備的聲發(fā)射（acoustic e-mission )診斷技術。其他如johns mitcl公司的超低溫水泵和

14、空壓機監(jiān)測技術，spire公司的用于軍用機械的軸與軸承診斷技術，tedego公司的潤滑油分析診斷技術等都在國際上具有特色在航空運輸方面，美國在可靠性維修管理的基礎上，大規(guī)模地對飛機進行狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)展了應用計算機的飛行器數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)（aids)，利用大量飛行中的信息來分析飛機各部位的故障原因并能發(fā)出消除故障的命令。這些技術已普遍用于波音747和dc9這一類巨型客機，大大提高了飛機的安全性。據(jù)統(tǒng)計，世界班機的每億旅客公里的死亡率從60年代的0.6降到70年代的0.2左右。 英國在60年代末70年代初，以k.a.collacorr為首的英國機械保健中心(u.k.mechanical health m

15、onitoring center）開始診斷技術的開發(fā)研究。1982年曼徹斯特大學成立了沃福森工業(yè)維修公司（wiwu)，還有m比翻neale and associte公司等幾家公司，擔任政府的顧問、協(xié)調(diào)和教育工作，開展了咨詢、制定規(guī)劃、合向研究、業(yè)務診斷、研制診斷儀器、研制監(jiān)測裝置、開發(fā)信號處理技禾、教育培訓、故障分析、應力分析等業(yè)務活動。在核發(fā)電方面，英國原子能機構(gòu)(ukaea）下設一個系統(tǒng)可靠性服務站（(srs)從事診斷技術的研究，包括利用噪聲分析對爐體進行監(jiān)測，以及對鍋爐、莊力容器、管道的無損檢測等，起到了英國故障數(shù)據(jù)中心的作用在鋼鐵和電力工業(yè)方面英國也有柑應機構(gòu)提供診斷技術服務。設備診斷

16、技術在歐洲其他一些國家也有很大進展，它們在廣度上雖不大，但都在某一方面具有特色或占領先地位。 日本的情況：如果說美國在航空、核工業(yè)以及軍事部門中診斷技術占有領先地位，那么日本在某些民用工業(yè)，如鋼鐵、化工、鐵路等部門發(fā)展得很快，占有某種優(yōu)勢。他們密切注視世界性動向，積極引進消化最新技術，努力發(fā)展自己的診斷技術，研制自己的診斷儀器例如1970年英國提出了設備綜合工程學后，日本設備工程師協(xié)會緊接著在1971年開始發(fā)展自己的，tpm（全員生產(chǎn)維修），并每年向歐美派遣“設備綜合工程學調(diào)查團”，了解診斷技術的開發(fā)研究工作，經(jīng)過，6年努力于1976年基本達到實用階段。國立研究機構(gòu)中，機械技術研究所和船舶技術

17、研究所重點研究機械基礎件的診斷技術。東京大學、東京工業(yè)大學、京都大學、早稻田大學等高等學校著重基礎性理論研究。其他民辦企業(yè)，如三菱重工、川崎重工、日立制作所、東京芝浦電氣等以企業(yè)內(nèi)部工作為中心開展應用水平較高的實用項目。 我國于1983年由原國家經(jīng)委發(fā)布了國營工業(yè)交通設備管理試行條例，1987年國務院正式頒布的全民所有制工業(yè)交通企業(yè)設備管理條例規(guī)定，“企業(yè)應當積極采用先進的設備管理方法和維修技術，采用以設備狀態(tài)監(jiān)測為基礎的設備維修方法”，其后冶金、機械、核工業(yè)等部門還分別提出了具體實施要求，使我國故障診斷技術的研究和應用在全國普遍展開。全國各行業(yè)都很重視在關鍵設備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是智能

18、化的故障診斷專家系統(tǒng)，其中突出的有電力系統(tǒng)，石化系統(tǒng)，冶金系統(tǒng)，以及高科技產(chǎn)業(yè)中的核動力電站，一航空部門和載人航天工程等。工作比較集中的是大型旋轉(zhuǎn)機械故障診斷系統(tǒng)，已經(jīng)開發(fā)了20種以上的機組故障診斷系統(tǒng)和十余種可用來做現(xiàn)場簡易故障診斷的便攜式現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器。一些高等院校己培養(yǎng)了一批以設備故障診斷技術為選題的碩士研究生和博士研究生。我國的故障診斷事業(yè)正在蓬勃發(fā)展，將在我國經(jīng)濟建、設中發(fā)揮越來越大的作用。第2章 設備故障診斷的技術基礎和振動診斷方法一、設備故障診斷的概述隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學技術的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設備日趨大型化、集成化、高速化、自動化和智能化，設備在生產(chǎn)中的地位越來越重要，對設備的管理也

19、提出了更高的要求，能否保證一些關鍵設備的正常運行直接關系到一個行業(yè)發(fā)展的各個層面?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)一旦因故障停機損失將是十分巨大。因此，設備診斷這一技術，日益引起人們的重視，并在理論和實踐應用方面得到了迅猛發(fā)展?；诠收鲜录墓收显\斷階段。當出現(xiàn)故障后才檢查故障原因和發(fā)生部位，故障診斷的手段是通過對設備的解體分析并借助以往的經(jīng)驗以及一些簡單的儀器?；诠收项A防的故障診斷階段。該階段故障診斷的目的在于為合理的維修周期的制定提供依據(jù)，并在定期維修前檢查突發(fā)性故障，保證在故障出現(xiàn)之前就能排除故障。這一階段的診斷手段主要是一些簡單的狀態(tài)檢測儀，多設有一定運行參數(shù)的報警值，能夠?qū)ν话l(fā)故障進行預測?；诠收?/p>

20、預測的故障診斷階段。該階段故障診斷是以信號采集與處理為中心，多層次、多角度地利用各種信息對設備的狀態(tài)進行評估，針對不同的設備采取不同的措施。屬于正常運行狀態(tài)的設備，可依據(jù)原先的檢測計劃進行檢測；屬于故障進行性發(fā)展的設備，重點檢測；而個別故障較嚴重發(fā)展的設備，應及時停機進行故障診斷。二、設備故障診斷技術的分類，有三種分類方法：1按照診斷的目的、要求和條件分類，分為功能診斷和運行診斷、定期診斷和連續(xù)監(jiān)測、直接診斷和間接診斷、在線診斷和離線診斷、常規(guī)診斷和特殊診斷、簡易診斷和精密診斷等等。功能診斷和運行診斷。功能診斷主要是針對新安裝的設備或剛剛維修過的設備，而運行診斷更多是起到狀態(tài)監(jiān)測的功能。定期診

21、斷和連續(xù)監(jiān)測。直接診斷和間接診斷。直接診斷是直接根據(jù)關鍵零部件的狀態(tài)信息來確定其所處的狀態(tài)，例如軸承間隙、齒面磨損.直接診斷迅速可靠，但往往受到機械結(jié)構(gòu)和工作條件的限制而無法實現(xiàn)。間接診斷是通過設備運行中的二次效應參數(shù)來間接判斷關鍵零部件的狀態(tài)變化。由于多數(shù)二次效應參數(shù)屬于綜合信息，因此在間接診斷中出現(xiàn)偽警或漏檢的可能性會增加。 在線診斷和離線診斷。在線是指對現(xiàn)場正在運行設備的自動實時監(jiān)測；而離線監(jiān)測是利用磁帶記錄儀等將現(xiàn)場的狀態(tài)信號記錄后，帶回實驗室后再結(jié)合診斷對象的歷史檔案進行進一步的分析診斷或通過網(wǎng)絡進行的診斷。常規(guī)診斷和特殊診斷。常規(guī)診斷是在設備正常服役條件下進行的診斷，大多數(shù)診斷屬于

22、這一類型診斷。但在個別情況下，需要創(chuàng)造特殊的服役條件來采集信號，例如，動力機組的起動和停機過程要通過轉(zhuǎn)子的扭振和彎曲振動的幾個臨界轉(zhuǎn)速采集起動和停機過程中的振動信號，停車對診斷其故障是必須的，所要求的振動信號在常規(guī)診斷中是采集不到的，因而需要采用特殊診斷。簡易診斷和精密診斷。簡易診斷一般由現(xiàn)場作業(yè)人員進行。憑著聽、摸、看、聞來檢查。也可通過便攜式簡單診斷儀器,如測振儀、聲級計、工業(yè)內(nèi)窺鏡、紅外測溫儀等對設備進行人工監(jiān)測，根據(jù)設定的標準或憑人的經(jīng)驗確定設備是否處于正常狀態(tài)。 精密診斷一般要由專業(yè)人員來實施。采用先進的傳感器采集現(xiàn)場信號，然后采用精密診斷儀器和各種先進分析手段（包括計算機輔助方法、

23、人工智能技術等）進行綜合分析，確定故障類型、程度、部位和產(chǎn)生故障的原因，了解故障的發(fā)展趨勢。 2按診斷的物理參數(shù)分類 表2-1，振動、聲學、溫度、污染、無損診斷、壓力診斷等等，都是按物理參數(shù)分類。表2-1 按診斷的物理參數(shù)分類診斷技術名稱狀態(tài)檢測參數(shù)備注振動診斷技術平衡振動、瞬態(tài)振動、機械導納及模態(tài)參數(shù)聲學診斷技術噪聲、聲阻、超聲以及發(fā)射等溫度診斷技術溫度、溫差、溫度場以及熱象等污染診斷技術氣、液、固體的成分變化，泄漏及殘留物等無損診斷技術裂紋、變形、斑點及色澤等壓力診斷技術壓差、壓力及壓力脈動等強度診斷技術力、扭矩、應力及應變等電參數(shù)診斷技術電信號、功率及磁特性等趨向診斷技術設備的各種技術性

24、能指標綜合診斷技術各種物理參數(shù)的組合與交叉各種不同的對象，診斷方法、診斷的技術、診斷的設備都有很大區(qū)別，按照機械零件、液壓系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機械、往復機械、工程結(jié)構(gòu)等來進行區(qū)分。如表2-2表2-2 按直接診斷對象分類診斷技術名稱直接診斷對象機械零件診斷技術齒輪、軸承、轉(zhuǎn)軸、鋼絲繩、連接件等液壓系統(tǒng)診斷技術泵、閥、液壓元件及液壓系統(tǒng)等旋轉(zhuǎn)機械診斷技術轉(zhuǎn)子、軸承、葉輪、風機、泵、離心機、汽輪發(fā)電機組及水輪發(fā)電機組等往復機械診斷技術內(nèi)燃機、壓氣機、活塞及曲柄連桿機構(gòu)等工程結(jié)構(gòu)診斷技術金屬結(jié)構(gòu)、框架、橋梁、容器、建筑物、靜止電氣設備等工藝流程診斷技術各種生產(chǎn)工藝過程生產(chǎn)系統(tǒng)診斷技術各種生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)線電器設備

25、診斷技術發(fā)電機、電動機、變壓器、開關電器振動診斷方法概述利用振動信號對故障進行診斷，是設備故障診斷方法中最有效、最常用的方法。機械設備和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在運行過程中的振動及其特征信息是反映系統(tǒng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要信號。通過各種動態(tài)測試儀器拾取、記錄和分析動態(tài)信號，是進行系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要途徑。統(tǒng)計資料表明，由于振動而引起的設備故障，在各類故障中占60%以上。據(jù)國內(nèi)外報道，用振動的方法可以發(fā)現(xiàn)使用中的航空發(fā)動機故障的34%，可節(jié)約維修費用70%。利用振動檢測和分析技術進行故障診斷的信息類型多，量值變化范圍大，而且是多維的，便于進行識別和決策。例如頻率范圍可以從0.01赫到幾萬赫，加速度可以從

26、0.01g到成百上千個g，這就為診斷不同類型的故障提供了基礎。隨著近代傳感技術、電子技術、微處理技術和測試分析技術的發(fā)展，國內(nèi)外已制造了各種專門的振動診斷儀器系列，在設備狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮了主要作用。振動檢測方法便于自動化、集成化和遙控化，便于在線診斷、工況監(jiān)測、故障預報和控制，是一種無損檢驗方法，因而在工程實際中得到廣泛應用。振動診斷的頻域分析方法頻域分析的主要內(nèi)容通過振動信號的頻譜分析揭示振動過程的頻率結(jié)構(gòu)是進行故障診斷的重要途徑，特別是隨著快速傅里葉變換（fft）算法的出現(xiàn)和近代譜分析儀的推出，頻域分析現(xiàn)已被廣泛采用。振動頻譜中包含機器零部件的機械狀態(tài)信息，振動診斷的任務從某種意義上講，就是

27、讀譜圖，把頻譜上的每個頻譜分量與監(jiān)測的機器的零部件對照聯(lián)系，給每條頻譜以物理解釋。這主要包括：振動頻譜中存在哪些頻譜分量？每條頻譜分量的幅值多大？這些頻譜分量彼此之間存在什么關系？如果存在明顯的高幅值頻譜分量，它的精確的來源？它與機器的零部件對應關系如何？頻率項一臺機器設備在其運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生各種頻率項，單位可使用赫茲（hz），即次/每秒。由一臺運轉(zhuǎn)的機器本身產(chǎn)生的頻率項有旋轉(zhuǎn)頻率項、齒輪頻率項、軸承頻率項和諧頻頻率項，以下我們分別討論之。旋轉(zhuǎn)頻率項（簡稱工頻或基頻）旋轉(zhuǎn)頻率（fz）=轉(zhuǎn)速（rpm）/60 （2-1）滾動軸承頻率項圖2-3是滾動軸承的示意圖。滾動軸承在發(fā)生表面剝落、裂紋、壓痕等

28、滾動面局部損傷時，會產(chǎn)生沖擊振動。這種振動從性質(zhì)上可分成兩類：第一類是由于軸承元件的缺陷，滾動體依次滾過工作面缺陷受到反復沖擊而產(chǎn)生的低頻脈動，稱為軸承的“通過振動”，其發(fā)生周期可從轉(zhuǎn)速和零件的尺寸求得。例如，在軸承零件的圓周上發(fā)生了一處剝落時，由于沖擊振動所產(chǎn)生的相應頻率稱為“通過頻率”，我們通常也叫“故障頻率”，因剝落的位置不同而不同，表2-3給出了求取這種通過頻率的相應公式。其中fz為軸轉(zhuǎn)動頻率，d為軸承節(jié)圓直徑，d為滾動體直徑，為接觸角，z為滾動體數(shù)目。第 29 頁dd圖2-3 滾動軸承示意圖表2-3 滾動軸承通過頻率計算公式損傷的位置沖擊振動發(fā)生的間隔頻率內(nèi)環(huán)外環(huán)滾動體 滾動軸承外環(huán)

29、故障頻率與滾動軸承內(nèi)環(huán)故障頻率之和等于轉(zhuǎn)速與滾動體數(shù)目之乘積；滾動軸承外環(huán)故障頻率除以滾動體數(shù)目得的商等于滾動軸承保持架故障頻率。通過頻率一般在1khz以下，是滾動軸承重要信息特征之一。目前很多公司開發(fā)的設備故障診斷系統(tǒng)軟件均內(nèi)置了軸承頻率項數(shù)據(jù)庫，只需輸入軸旋轉(zhuǎn)頻率及選擇軸承生產(chǎn)商、軸承型號即可自動計算出通過頻率，如美國entek公司開發(fā)的emonitor odyssey軟件就有這一功能，非常快捷方便。另外，也可到各大軸承制造商如日本nsk公司網(wǎng)站下載軸承頻率項數(shù)據(jù)庫。第二類是固有振動。根據(jù)頻帶不同，在軸承故障診斷中可利用的固有振動有三種：第一種是軸承外環(huán)一階徑向固有振動，其頻帶在（18）k

30、hz范圍內(nèi)。在諸如離心泵、風機、軸承壽命試驗機這類簡單機械的滾動軸承故障診斷中，這是一種方便的診斷信息。第二種是軸承其它元件的固有振動。其頻帶在（2060）khz范圍內(nèi)，能避開流體動力噪聲，信噪比高。第三種是加速度傳感器的一階固有頻率。合理利用加速度傳感器系統(tǒng)的一階諧振頻率作為監(jiān)測頻帶，常在軸承故障信號提取中收到良好效果，其頻率范圍通常選擇在10khz左右。由于各種固有頻率只取決于元件的材料、形狀和質(zhì)量，與軸轉(zhuǎn)速無關，一旦軸承元件出現(xiàn)疲勞剝落就會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，從而激發(fā)起各種固有振動。所以，利用這些固有振動當中的某一種是否出現(xiàn)，即可診斷有否疲勞剝落。其缺點是進行數(shù)采時頻程（即預備采集的頻率范圍）

31、需設置較高甚至很高，如果同時需要分析低頻信號時就不方便了。諧頻頻率項 指某個基準頻率（例如fz、fc）的各次倍頻。準確地說，每種頻率項均存在諧頻頻率項。第3章 滾動軸承的主要診斷方法利用滾動軸承的振動信號分析故障診斷的方法可分為簡易診斷法和精密診斷法兩種。簡易診斷的目的是為了初步判斷被列為診斷對象的滾動軸承是否出現(xiàn)了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認為出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。一、振動信號簡易診斷法振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值xp、均值x（對于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動為經(jīng)絕對值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）xrms。這是一種最簡單、最常用的

32、診斷法，它是通過將實測的振幅值與判定標準中給定的值進行比較來診斷的。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進行診斷。均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r/min以上）。均方根值是對時間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。日本nsk公司生產(chǎn)nb系列軸承監(jiān)測儀和新日鐵研制的mcv-21a型機械監(jiān)測儀就是這類儀器?？梢詼y量振動信號的峰值或峰值系數(shù)，有的還可以測量rms值或絕對平均值。測量參數(shù)除加速度外

33、，有的還包括振動速度和位移。波形因數(shù)診斷法波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（xp/x ）。該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效指標之一。如圖3-1所示，當xp/x 值過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；而xp/x 小時，則有可能發(fā)生了磨損。圖3-1 滾動軸承沖擊振動的波形因數(shù)波峰因數(shù)診斷法 波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（xp/xrms）。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點蝕類故障的診斷。通過對xp/xrms值隨時間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動軸承故障進行早期預報，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢

34、。當滾動軸承無故障時，xp/xrms，為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故xp/xrms增大；當故障不斷擴展，峰值逐步達到極限值后，均方根值則開始增大，xp/xrms逐步減小，直至恢復到無故障時的大小。概率密度診斷法軸承由于磨損、疲勞、腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等因素會使軸承振幅增大，振動諧波增多，高密度區(qū)增高，而兩旁的低密度區(qū)向外擴張。此時利用峭度作為診斷特征量將很有效。峭度系數(shù)診斷法峭度（kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即式中x瞬時振幅；x振幅均值；p（x）概率密度；標準差。振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭

35、度值約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度值具有與波峰因數(shù)類似的變化趨勢。此方法的優(yōu)點在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關，主要適用于點蝕類故障的診斷。圖3-2   滾動軸承的損傷英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動軸承故障的監(jiān)測診斷方面取得了很好的效果。利用快裝接頭，儀器的加速度傳感器探頭直接接觸軸承外圈，可以測量峭度系數(shù)、加速度峰值和rms值。圖3-3為使用該儀器監(jiān)測同一軸承疲勞試驗的結(jié)果。試驗中第74h軸承發(fā)生了疲勞破壞，峭度系數(shù)由3上升到6圖(a)，而此時峰值圖(b)和rms值尚無明顯增大。故障進一步明顯惡化后，峰值、rms值才有所反映。圖中虛線表示在不同轉(zhuǎn)速（8002700r/

36、min ）和不同載荷（011kn）下進行試驗時上述各值的變動范圍。很明顯，峭度系數(shù)的變化范圍最小，約為士8%。軸承的工作條件對它的影響最小，即可靠性及一致性較高。 有統(tǒng)計資料表明，使用峭度系數(shù)和rms值共同來監(jiān)測，滾動軸承振動情況，故障診斷成功率可達到96以上。圖3-3  軸承疲勞試驗過程滾動軸承的沖擊脈沖診斷法（spm法）滾動軸承存在缺陷時，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進入異物時，會發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動。由于阻尼的作用，這種振動是一種衰減振動。沖擊脈沖的強弱反映了故障的程度，它還和軸承的線速度有關。spm沖擊脈沖法（shock pulse method）就是基于這一原理。根據(jù)

37、統(tǒng)計規(guī)律得出的脈沖值與軸承壽命的關系如圖3-4所示。圖3-4 沖擊脈沖值與軸承壽命的關系在無損傷或極微小的損傷期，脈沖值（db值）大體在水平線上下波動。隨著故障的發(fā)展，脈沖值逐漸增大。當沖擊能量達到初始值的1000倍（60db）時，就認為該軸承的壽命已經(jīng)結(jié)束?？偟臎_擊能量dbsv與初始沖擊能量dbi之差稱為標準沖擊能量dbn。dbn=dbsv-dbi可以根據(jù)dbn的值判斷軸承的狀態(tài)：0dbn20db 正常狀態(tài)，軸承工作狀態(tài)良好；20dbdbn35db 注意狀態(tài)，軸承有初期損傷；35dbdbn60db 警告狀態(tài)，軸承已有明顯損傷。 二、 振動信號精密診斷法g/se診斷法美國entek公司開發(fā)的g

38、/se技術提供了滾動軸承故障診斷的一個便捷平臺，首先簡單介紹一下其基本原理：由于軸承元件的缺陷，滾動體依次滾過工作面缺陷受到反復沖擊而產(chǎn)生的低頻脈動，稱為軸承的“通過振動”，滾動軸承異常而在運行中產(chǎn)生脈動時，不但引起高頻沖擊振動，而且此高頻振動的幅值還受到脈動激發(fā)力的調(diào)制；g/se實際是一種濾波器，它運用包絡法將上述經(jīng)調(diào)制的高頻分量拾取，經(jīng)放大，濾波后送入解調(diào)器，即可得到原來的低頻脈動信號，再經(jīng)快速傅立葉變換（fft）即可獲得g/se譜；包絡法把與滾動軸承故障有關的信號從高頻調(diào)制信號中解調(diào)出來，從而避免與其它如不平衡、不對中等低頻干擾的混淆，故有很高的診斷可靠性和靈敏度，可根據(jù)包絡信號的頻率成

39、份識別出產(chǎn)生故障的元件（如內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體）來。 因此，當測試滾動軸承時，我們使用g/se濾波器測量g/se總值和頻譜，可以發(fā)現(xiàn)滾動軸承的早期故障并跟蹤其發(fā)展趨勢。三、滾動軸承故障實例分析振動測量有一條基本的原則，即測點越靠近振源，振動反映故障越敏感，得到的信息越可靠，判斷越準確。因此以下實例中均將測點選擇在軸承座處。內(nèi)、外圈和滾子同時存在故障觀察skf23184軸承g/se故障頻譜（圖3-5），可以看到清晰地內(nèi)圈故障頻率17.98hz及其倍頻（34.34,52.24,87.06hz）成分，外圈故障頻率13.47hz及其倍頻（40.72,80.68hz）成分，滾子故障頻率5.46hz成分，說

40、明skf23184軸承存在嚴重故障。圖3-5 skf23184軸承g/se故障頻率skf23184軸承實際損壞情況見圖3-6及3-7，其內(nèi)圈已產(chǎn)生已貫穿裂紋；外滾道沿圓方向約120°范圍存在大量疲勞剝落；滾子也存在磨損痕跡。 圖3-6 skf23184軸承內(nèi)圈貫穿裂紋 圖3-7 skf23184軸承外滾道疲勞剝落圖3-8則是更換新軸承后g/se頻譜，可見故障以排除。圖3-8 更換skf23184軸承后g/se頻譜外圈故障經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，skf23184軸承的g/se頻譜（圖3-9）中外圈故障頻率68.51hz成分的g/se的峰值較大，說明其外圈存在故障隱患。圖3-9 skf23184

41、軸承g/se故障頻譜這一故障隱患自發(fā)生以來，分別于2008年3月5日給軸承加注潤滑脂；3月19日對該處聯(lián)軸節(jié)進行找正，每次處理后振動幅值均有明顯下降，但很快便即復升，觀察圖3-10中的狀態(tài)趨勢線已可以得出這樣的結(jié)論：其趨勢峭度越來越大，最后，軸承故障診斷已發(fā)展至后期。3月24日，對該軸承成功進行了更換，更換后恢復正常。軸承損傷情況主要表現(xiàn)為外溝道，內(nèi)溝道表面產(chǎn)生一圈凹痕，其中外溝道損傷情況尤為嚴重，凹痕最深處約0.3mm左右，見圖3-10圖3-10 skf6326軸承振動狀態(tài)趨勢圖圖3-11 skf6326軸承外圈凹痕軸承滾動體故障圖5-12顯示，2#軸承存在滾動體故障頻率57.86hz成份，

42、判斷可能是滾動體產(chǎn)生磨損。圖5-13表明，潤滑劑失效是引起滾動體磨損的主要原因。圖5-12 3#軸承g/se故障譜圖圖5-13 3#軸承潤滑脂發(fā)黑第4章 滾動軸承故障的其它診斷方法一、油液分析診斷滾動軸承失效的主要方式是磨損、斷裂和腐蝕等，其原因主要是潤滑不當，因此對運行時使用的潤滑油進行系統(tǒng)分析，即可了解軸承的潤滑與磨損狀態(tài)，并對各種故障隱患進行早期預報，查明產(chǎn)生故障的原因和部位，及時采取措施防止惡性事故的發(fā)生。油液分析應采用系統(tǒng)的方法，只采用單一手段往往會因其局限性而導致不全面的診斷結(jié)論，容易產(chǎn)生漏報或誤報。實踐證明，由以下五個方面，即理化分析、污染度測試、發(fā)射光譜分析、紅外光譜分析、鐵譜

43、分析構(gòu)成的油液分析系統(tǒng)在設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作中可以發(fā)揮重要作用，其診斷結(jié)果與現(xiàn)場實際基本吻合，具有顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。潤滑油理化指標的檢測良好的潤滑條件可大大減緩設備的磨損，是延長設備使用壽命的可靠保證。設備首先應做到正確選油，其次是連續(xù)跟蹤監(jiān)測其質(zhì)量指標的變化，三是當潤滑油劣變失效時應及時予以更換，為此必須定期對設備用油進行理化指標檢測。潤滑油常規(guī)的質(zhì)量指標有黏度、閃點、氧化穩(wěn)定性、總酸值或總堿值、水分、腐蝕等，此外不同品種的油液有時還應根據(jù)其具體用途增測其他項目，如泡沫穩(wěn)定性、抗乳化性、殘?zhí)俊⒒曳?、密度等。污染度測試油液經(jīng)過使用后不可避免地會受到不同程度的污染。通常污染來自內(nèi)部

44、和外部兩個方面，內(nèi)部有在摩擦熱作用下油液本身氧化產(chǎn)生的樹脂類不溶物、膠質(zhì)、高聚物、積炭等污染雜質(zhì)，外部污染有運行摩擦副產(chǎn)生的固體金屬顆?；蛴捎谠O備的磨損產(chǎn)生的直接危害和外來灰塵等異物進入。因此經(jīng)常監(jiān)測油液的污染程度，判斷污染產(chǎn)生的原因并加以解決，確保油液清潔是至關重要的。檢測油液污染程度的方法有定性、半定量和定量三種。具體選用何種方法主要由油液品種、工況條件、對清潔度要求的寬嚴程度而定，如對柴油機通常用斑點試驗法即可滿足要求，而對液壓油和汽輪機油多數(shù)情況下選用顆粒計數(shù)儀或污染測試儀進行更精確的測試。發(fā)射光譜分析油液中金屬元素含量潤滑油中經(jīng)常會有一些金屬元素，這些元素的來源有三種途徑：一是來自潤

45、滑油中的添加劑，如鈣、鋇、鋅、磷等；二是外界污染混入的雜質(zhì)帶進來的，如硅、鋇、鈉等；三是磨損顆粒中的金屬成分，如銅、鉻、鉛、鐵等。設備在投入使用之前應檢測新油中金屬元素的種類及含量，并做好記錄檔案。新油中的金屬元素主要來自于添加劑，含量是一定的；隨著設備運行時間的增長，油中金屬元素的種類和數(shù)量都會發(fā)生相應改變，根據(jù)變化趨勢可以判斷設備產(chǎn)生磨損的部位和狀態(tài)。由此可見，定期測試潤滑油中金屬元素的含量，掌握其變化趨勢是設備狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容之一。正因為如此，利用發(fā)射光譜進行工況監(jiān)測是國內(nèi)外應用最早和最廣泛的手段之一，已取得非常明顯的效果。紅外光譜分析紅外光譜的出現(xiàn)使狀態(tài)監(jiān)測又增添了一個新的重要手段。

46、眾所周知，潤滑油性能的好壞主要取決于基礎油和各種添加劑的性質(zhì)。潤滑油的劣化和失效主要是由于添加劑在摩擦熱的作用下發(fā)生了氧化、酸化、降解而相應生成了氧化物、酸化物、硝化物、樹脂、積炭等有害物質(zhì)，導致基礎油和添加劑的化學成分及分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這些變化均屬化學變化，一般的理化分析是無法檢驗的，而利用紅外光譜檢驗是最直接、最有效也是最快捷的方法。紅外光譜的主要原理是不同的化合物的分子結(jié)構(gòu)不同，在紅外光譜上都會出現(xiàn)特定位置的吸收峰，通過典型峰位和峰面積的積分計算即可對油品的某些特性進行定量的或半定量的分析。近年來由于計算機技術的迅速發(fā)展及在紅外光譜技術中的普遍應用，大大減少了測試誤差。上述紅外光譜的

47、突出優(yōu)勢，使其在狀態(tài)監(jiān)測中的應用更加日益廣泛。鐵譜分析鐵譜是近幾十年才產(chǎn)生和應用于狀態(tài)監(jiān)測中的一種油液分析方法。由于它可以直接觀察油液中顆粒的尺寸、幾何形態(tài)、顏色、數(shù)量及分布狀態(tài)等，所以它一問世就受到了廣泛的關注。如果將鐵譜和發(fā)射光譜兩種手段結(jié)合起來應用，則對油液中金屬元素既可進行定性分析又可進行定量分析，既可分析小尺寸顆粒又可分析大尺寸顆粒，既可監(jiān)測設備正常磨損的變化趨勢，又可監(jiān)測異常磨損的狀態(tài)，使狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷更趨完整和準確。鐵譜分析在我國是應用最多、最普遍的油液分析設備診斷方法之一，目前大多采用的是直讀式鐵譜儀和分析式鐵譜儀，近年來旋轉(zhuǎn)鐵譜儀和在線式鐵譜儀也受到越來越多的注意。二、溫度監(jiān)測診斷法滾動軸承如果產(chǎn)生了某種損傷，其溫度就會發(fā)生變化，因此可通過