滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測量和簡易診斷

1、滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測量與簡易診斷（1）由于滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)具有沖擊振動(dòng)的特點(diǎn)，頻率極高，衰減較快，因此利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測診斷時(shí)，除了參考前面已經(jīng)介紹的旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)測試方法以外，還應(yīng)根據(jù)其振動(dòng)特點(diǎn)，有針對(duì)性地采取一些措施和方法。一、測點(diǎn)的選擇滾動(dòng)軸承因故障引起的沖擊振動(dòng)由沖擊點(diǎn)以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件、軸承座傳到箱體或機(jī)架。由于沖擊振動(dòng)所含的頻率很高，每通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80%。因此，測量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被測軸承的承載區(qū)，應(yīng)盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測點(diǎn)離軸承外圈的距離越近越直接越好。圖1表示了傳感器位置對(duì)故障檢測靈敏度的影響。在圖1 （a）中，假如傳感器

2、放在承載方向時(shí)為100%則在承載方向士 45°方向上降為 95%（- 5dB ），在軸向則降為 22%-25%（-1213dB）。在圖1 （b）中， 當(dāng)止推軸承發(fā)生故障產(chǎn)生沖擊并向外散發(fā)球面波時(shí)，假如在軸承蓋正對(duì)故障處的讀數(shù)為100%則在軸承座軸向的讀數(shù)降為5%（-19dB）。在圖1 （c）和（d）中給出了傳感器安裝的正確位置和錯(cuò)誤位置，較粗的弧線表示振動(dòng)較強(qiáng)烈的部位，較細(xì)的弧線表示因振動(dòng)波通過界面衰減導(dǎo)致振動(dòng)減弱的情形。 imj小 T-KiTB(5%)rE 水 I Fite 網(wǎng)/Jj M 鮒構(gòu)乂 .<1鋸(c圖1傳感器位置對(duì)故障檢測靈敏度的影響由于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)在不同方向上反

3、映出不同的特性，因此應(yīng)盡量考慮在水平（X）、垂直（y）和軸向（z）三個(gè)方向上進(jìn)行振動(dòng)檢測，但由于設(shè)備構(gòu)造、安裝條件的限制，或?qū)缬诮?jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能在每個(gè)方向上都進(jìn)行檢測，這時(shí)可選擇其中的兩個(gè)方向進(jìn)行檢測。、傳感器的選擇與固定方式根據(jù)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用條件不同，它所引起的振動(dòng)可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動(dòng)（通過振動(dòng)），也可能是頻率在 1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動(dòng)（固有振動(dòng)），通常情況下是同時(shí) 包含了上述兩種振動(dòng)成分。因此，檢測滾動(dòng)軸承振動(dòng)速度和加速度信號(hào)時(shí)應(yīng)同時(shí)覆蓋或分別覆蓋上述兩個(gè) 頻帶，必要時(shí)可以采用濾波器取岀需要的頻率成分?？紤]到滾動(dòng)軸承多用于中小型機(jī)械，其結(jié)

4、構(gòu)通常比較 輕薄，因此，傳感器的尺寸和重量都應(yīng)盡可能地小，以免對(duì)被測對(duì)象造成影響，改變其振動(dòng)頻率和振幅大 小。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，對(duì)于高頻振動(dòng)的測量，傳感器的固定采用手持式方法顯然不合適， 一般也不推薦磁性座固定，建議采用鋼制螺栓固定，這樣不僅諧振頻率高，可以滿足要求，而且定點(diǎn)性也 好，對(duì)于衰減較大的高頻振動(dòng)，可以避免每次測量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。三、分析譜帶的選擇滾動(dòng)軸承的故障特征在不同頻帶上都有反映，因此，可以利用不同的頻帶，采用不同的方法對(duì)軸承 的故障做出診斷。1 低頻段在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，低頻率段指 1kHz 以下的頻率范圍。一般可以采用低通濾波器(例如截止頻率fb &

5、lt; 1kHz)濾去高頻成分后再作頻譜分析。由于軸承的故障特征頻率(通過頻率)通常都在1kHz以下，此法可直接觀察頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線，做出判斷。由于在這個(gè)頻率范圍容易受到機(jī)械及電源干擾，并且在故障初期反映故障的頻率成分在低頻段的能量很小，因 此，信噪比低，故障檢測靈敏度差，目前已較少采用。2 中頻段在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，中頻段指120kHz頻率范圍。同樣，利用該頻率時(shí)也可以使用濾波器。(1) 咼通濾波器 D+d使用截止頻率為1kHz的高通濾波器濾去1kHz以下的低頻成分，以消除機(jī)械干擾；然后用信號(hào)的峰 值、RMS直或峭度系數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)。許多簡易的軸承監(jiān)測儀器儀表都采用這種方式。一一(

6、2) 帶通濾波器使用帶通濾波器提取軸承零件或結(jié)構(gòu)零件的共振頻率成分，用通帶內(nèi)的信號(hào)總功率作為監(jiān)測參數(shù)，濾波器的通帶截止頻率根據(jù)軸承類型及尺寸選擇，例如對(duì)309球軸承，通帶中心頻率為2 .2kHz左右,帶寬可選為12kHz。一.一一3 高頻段在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，高頻率段指2080kHz頻率范圍由于軸承故障引起的沖擊有很大部分沖擊能量分布在高頻段，如果采用合適的加速度傳感器和固定 方式保證傳感器較高的諧振頻率，利用傳感器的諧振或電路的諧振增強(qiáng)所得到衰減振動(dòng)信號(hào)，對(duì)故障診斷 非常有效。瑞典的沖擊脈沖計(jì)（SPM和美國首創(chuàng)的IFD法就是利用這個(gè)頻段。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測量與簡易診斷（ 2）四、滾動(dòng)軸承的

7、簡易診斷利用滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)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(duì)象的滾動(dòng)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(rèn)為出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。1. 滾動(dòng)軸承故障的簡易標(biāo)準(zhǔn)在利用振動(dòng)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行簡易診斷的過程中，通常需要將測得的振值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)測的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。因此，判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分重要。三維網(wǎng)技術(shù)論壇4 H c1 k4 f0 C, h! D用于滾動(dòng)軸承簡易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下三種。

8、（1）絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是指用于判斷實(shí)測振值是否超限的絕對(duì)量值。（2）相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)軸承的同一部位定期進(jìn)行振動(dòng)檢測，并按時(shí)間先后進(jìn)行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。4 j$ Q+ b; n3 C. r（3）類比判定標(biāo)準(zhǔn)5F類比判定標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)若干同一型號(hào)的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動(dòng)檢測，并，將振值相互比較進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的檢測方法的基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須注意 其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進(jìn)行振動(dòng)檢測。適用于所有軸承的絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因 此一般都是兼用

9、絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。；2. 振動(dòng)信號(hào)簡易診斷法（1）振幅值診斷法這里所說的振幅值指峰值 XP、均值X （對(duì)于簡諧振動(dòng)為半個(gè)周期內(nèi)的平均值，對(duì)于軸承沖擊振動(dòng)為經(jīng)絕對(duì)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、最常用的診斷法，它是通過將實(shí)測的振幅值與判定標(biāo)準(zhǔn)中給定的值進(jìn)行比較來診斷的。峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值， 因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障診斷。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的情況（如 300r/min 以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。 三維網(wǎng)技術(shù)論壇9 B# x, 3 W i4 A: N均值用于診斷的效果

10、與峰值基本一樣， 其優(yōu)點(diǎn)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(duì)時(shí)間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時(shí)間緩慢變化的故障診斷。8#V*B6R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(jī)械監(jiān)測儀就是這類儀器?？梢詼y量振動(dòng)信號(hào)的峰值或峰值系數(shù)，有的還可以測量RMS直或絕對(duì)平均值。測量參數(shù)除加速度外，有的還包括振動(dòng)速度和位移。(2) 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(dòng)軸承簡易診斷的有效指標(biāo)之一。如圖2所示，當(dāng)XP/X值過大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕；而 XP/X小時(shí)，則有可能發(fā)生了

11、磨損。(b)k.UUL1L1” 1AuW11滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測量與簡易診斷(3)(3) 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(dòng)軸承簡易診斷的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)蝕類故障的診斷。通過對(duì) XP/Xrms值隨時(shí)間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并 能反映故障的發(fā)展變化趨勢。當(dāng)滾動(dòng)軸承無故障時(shí)，XP/Xrms，為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承岀現(xiàn)了損傷，則會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，振動(dòng)峰值明顯增大，但此時(shí)均方根值尚無明顯的增大，故XP/Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐

12、步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時(shí)的大小。(4) 概率密度診斷法一無故障滾動(dòng)軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦岀現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖3所示(5) 峭度系數(shù)診斷法峭度(Kurtosis ) B定義為歸一化的4階中心矩，即中X瞬時(shí)振幅;X振幅均值;p （X）概率密度;G 標(biāo)準(zhǔn)差。振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度值約為3。隨著故障的岀現(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(diǎn)在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。圖3滾動(dòng)軸承的損傷英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動(dòng)軸

13、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直。圖4為使用該儀器監(jiān)測同一軸承疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)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(shí)峰值圖（b）和RMS直尚無明顯增大。故障進(jìn)一步明顯惡化后，峰值、RMS直才有所反映。圖中虛線表示在不同轉(zhuǎn)速（8002700r/min ）和不同載荷（011kN）下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)上述各值的變動(dòng)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(duì)它的影響最小，即可靠性及一致性較高。-有統(tǒng)計(jì)資料表明，使用峭度系數(shù)和RMS直共同來監(jiān)測，滾動(dòng)軸承振動(dòng)情

14、況，故障診斷成功率可達(dá)到 96 %以上20o o O3 2- I滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測量與簡易診斷（4）3. 滾動(dòng)軸承的沖擊脈沖診斷法（SPMI法）一滾動(dòng)軸承存在缺陷時(shí)，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異物時(shí)，會(huì)發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動(dòng)。由于阻尼的作用，這種振動(dòng)是一種衰減振動(dòng)。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障的程度，它還和軸承的線速度有關(guān)。SPM沖擊脈沖法（Shock Pulse Method）就是基于這一原理。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出的脈沖值與軸承壽 命的關(guān)系如圖5所示。圖5沖擊脈沖值與軸承壽命的關(guān)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(dòng)。隨著故障的發(fā)展，脈沖值逐 漸增大。當(dāng)沖擊能量達(dá)到

15、初始值的1000倍(60dB)時(shí)，就認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)沖擊能量 dBM 一壇.dBN=dBSV-dBi可以根據(jù)dBN的值判斷軸承的狀態(tài)：0<dBNC20dB正常狀態(tài)，軸承工作狀態(tài)良好； 20dB<dBNC35d B注意狀態(tài)，軸承有初期損傷；35dB<dBNC60dB警告狀態(tài)，軸承已有明顯損傷。初始沖擊能量也稱背景分貝，可根據(jù)軸承內(nèi)徑及轉(zhuǎn)速加以確定。.n.沖擊脈沖法對(duì)使用者的要求較高，初學(xué)者在現(xiàn)場使用中往往由于經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)設(shè)備工況條件考慮不周造成診斷失誤，因此采用此方法進(jìn)行診斷時(shí)應(yīng)注意以下幾方面問題。(1)傳感器的安裝

16、對(duì)于固定安裝的SPM專感器，經(jīng)常由于機(jī)器本身的結(jié)構(gòu)限制，無法完全達(dá)到SPM專感器的安裝標(biāo)準(zhǔn)， 成彳 減(2)設(shè)備安裝條件對(duì)滾動(dòng)軸承狀態(tài)有明顯影響的設(shè)備安裝因素主要有不對(duì)中和軸彎曲。這兩種安裝狀態(tài)都會(huì)使軸承產(chǎn)生不均勻載荷，對(duì)軸承油膜的形成造成很大影響。這一方面會(huì)加劇軸承狀態(tài)的惡化；另一方面，在軸承狀 態(tài)惡化以前也會(huì)造成沖擊值增大，導(dǎo)致誤報(bào)警。因此，對(duì)于此類軸承，在加強(qiáng)監(jiān)護(hù)的同時(shí)，對(duì)其報(bào)警限要 適當(dāng)放寬。(3) 對(duì)輔助傳動(dòng)軸承的考慮對(duì)于輔助傳動(dòng)軸承，由于經(jīng)常處于從動(dòng)輕載荷狀況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的標(biāo)準(zhǔn)值要小 很多。但同時(shí)由于載荷小而容易受其他軸承或齒輪沖擊值的影響，使沖擊值快速增高。因此對(duì)此類軸承應(yīng) 放寬其下限，但上限應(yīng)基本不變。 4 滾動(dòng)軸承共振解調(diào)診斷法(IFD法)共振解調(diào)法是利用傳感器及電路的諧振，將故障沖擊引起的衰減振動(dòng)放大，從而大大提高故障探測 的靈敏度，這是與沖擊脈沖法相同之點(diǎn)。但該方法還利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取岀來，通過對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以診斷岀故障的部位，指岀故障發(fā)生在軸承外圈、內(nèi)圈滾道或滾動(dòng)體上。這是美國波音公司提出的一項(xiàng)技術(shù)，稱為早期故障探測法(Incipient Failure Detection)。利用解調(diào)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的過程如圖6所示。軸承故障引起的沖擊脈沖F(t)經(jīng)傳感器拾取及電路諧振，得到放大的高頻衰減振動(dòng)a (t