滾動軸承故障診斷頻譜分析

1、Synchronous f;滾動軸承故障診斷1 （之國外專家版）滾動軸承故障?現(xiàn)代工業(yè)通用機械都配備了相當數(shù)量的滾動軸承。一般說來，滾動軸承都是機器中最精密的部 件。通常情況下，它們的公差都保持在機器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的實踐經驗 表明，只有10%以下的軸承能夠運行到設計壽命年限。而大約 40%的軸承失效是由于潤滑引起的 故障，30%失效是由于不對中或 卡住”等裝配失誤，還有20%的失效是由過載使用或制造上缺陷 等其它原因所致。?如果機器都進行了精確對中和精確平衡，不在共振頻率附近運轉，并且軸承潤滑良好，那么機 器運行就會非?？?。機器的實際壽命也會接近其設計壽命。然而遺憾的

2、是，大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場都沒 有做到這些。因此有很多軸承都因為磨損而永久失效。你的工作是要檢測岀早期癥狀并估計故障的嚴重程度。振動分析和磨損顆粒分析都是很好的診斷方法。1、頻譜特征?故障軸承會產生與1X基頻倍數(shù)不完全相同的振動分量一一換言之，它們不是同步的分量。對 振動分析人員而言，如果在振動頻譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量那么極有可能是軸承岀現(xiàn)故障的警告信號。振動分析人員應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。016-1014 0120 1008-Sub-Synchronous如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關。如果同時還有諧波和邊頻帶岀現(xiàn)，那么軸承磨損的可能性就非常大一一這時候你甚

3、至不需要再去了解軸承準確的擾動頻率。2、擾動頻率計算有四個與軸承相關的擾動頻率：球過內圈頻率（ BPI）、球過外圈頻率（BPO）、保持架頻率（FT） 和球的自旋頻率（BS）。軸承的四個物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑和接觸角。其中，BPI和BPO的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果 BPO等于3.2 X，BPI等于4.8 X,那么滾珠/滾柱 的數(shù)量必定是8。軸承擾動頻率的計算公式如下:Defect on inner race(BPI)Defect on outer roe (BPO)Defect on cage (FT)Defect on ball (BS)1 p2d Q卡菁cos 0門Q亠

4、£ 8污 (1 一蒼 CO6 01 (心Where:Ct 二Ball diameter Pitch diameter IXIumber of balls Contact angle注意：BS的值可能會加倍，因為所給的公式針對的是球撞擊內圈或外圈的情況。如果有庇點的滾球/滾柱同時撞擊內圈和外圈，那么其頻率值應該加倍。需要說明的是由于受到各種實際情況如滑動、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，我們所計算岀來的頻率值可能會與真實值有小范圍的差異。在檢查過程中你可能會經常涉及到滾珠的數(shù)目，對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

5、（或其它地方）確定其中一個的擾動頻率，我們就可以根據(jù)它計算岀其它的頻率。對于四個擾動頻率計算還有一個近似的經驗公式可供參考。對于812個滾珠/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0.4 X。Defect on inner race(BPI) = 0,6 門 |jDefect on outer race (BPO) = 0»4 n NDefect on cage (FT) = 0.4 NWhere:N = Speed <CPM)n = Mumber of balls3、軸承失效的九個階段有人把軸承失效劃分為四個階段，在此我們?yōu)榱嗣?/p>

6、述得更加詳細將它細分為九個階段。第一階段：在軸承失效的最初階段， 其頻率范圍大約在 20 KHz60 KHz之間一一或更高。有多種電子設備可 以用來檢測這些頻率，包括峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測量裝置。在這個階段，普通的頻譜上不會岀現(xiàn)任何顯示。Natural frequences第二階段：由于軸承上的庇點增大，使它在共振（固有）頻率處發(fā)岀鈴叫聲。同時該頻率還作為載波頻率調制 軸承的故障頻率。第三階段：岀現(xiàn)軸承故障頻率。開始的時候我們只能觀察到這個頻率本身。 圖中所示為軸承內圈故障時的頻譜 顯示。當軸承磨損進一步加劇后，在故障頻率（例子中的BPI）處的波峰值將會升高。大多數(shù)情況下

7、波峰值將隨著時間線性增加。第四階段:隨著故障的發(fā)展，故障頻率將產生諧波。這表明發(fā)生了一定程度的沖擊。故障頻率的諧波有時可能 會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。對應 的時域波形中同時也會岀現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。Bearings: Stage Four3X500Hz120<Hz.IXBPI12X2XBPIL1 11 11 1 ' 1 1LrDefect frequenciesUltrasonicNatural frequencies很容易故障頻率及其諧波的幅值在開始階段都比較低。如果你僅僅通過線性坐標圖表來查看數(shù)據(jù)，錯過這些重要的故障信號。

8、因此，建議結合對數(shù)坐標來進行分析，從而及時發(fā)現(xiàn)軸承故障的早期顯 示。1,*芝一如果你想要進行軸承的早期故障預報，那么就應該使用加速度為單位來采集高頻時域波形（使用加速度傳感器）一一也就是說，不要進行積分。加速度能突岀信號中的高頻成分，這對于我們的應用 來說是很理想的方法。第五階段：隨著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴重，振動級將繼續(xù)升高，同時岀現(xiàn)更多的諧波。由于故障 自身的性質，這時還會岀現(xiàn)邊頻帶。時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過測量 尖峰間的時間間隔來計算故障頻率。高頻率的軸承檢測，如峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢都在持續(xù)上升Defect frequenciesUltras

9、onicNatural frequencres此時引起調制的原因有二個：第一種情形是當內圈岀現(xiàn)故障時，如果它位于加載區(qū)域時，產生的沖 擊會更加劇烈，從而產生更高的振幅。當內圈故障位置移岀加載區(qū)后，其振幅又會降低，并在軸承 頂部達到最小值。在這種情況下內圈的故障頻率將被（內圈的）旋轉頻率所調制，于是我們可以在 頻譜中看到1 X邊頻帶出現(xiàn)。如果滾珠岀現(xiàn)問題，也會因相同的原因，產生調制。當滾珠運轉在載荷區(qū)會產生比運轉在非載荷區(qū)更強烈的沖擊。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。該頻率低于1X典型的FT大約等于0.4 X。!Weakest impacts - lowest ampli

10、tudeLoad zone - greatest impacts當我們能夠從頻譜中觀察到諧波，特另U是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經能夠用肉眼觀察到了。這時候，你就可以建議更換軸承了。此貼子已經被 admin于2006-11-2114:27:42 編輯過=2006-08-2912:52滾動軸承故障診斷2第六階段：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果。第七階段：現(xiàn)在我們看見故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經常被叫作"干草堆”。這是由于寬帶噪聲所致。在*近機器的地方，你還能聽到軸承發(fā)岀的噪聲。在這個階段，高頻率的軸承測量量可能會逐漸減少。如果你用測量工具測到的

11、振幅有下降趨勢，不要以為是情況岀現(xiàn)好轉，而應該盡快去定購用來更換的軸承了！第八階段：頻譜中的 干草堆”將繼續(xù)擴大，諧波隨著松動的增加而增大，高頻率的軸承測量顯示岀的趨勢可能會繼續(xù) 降低，但重要的是整個噪聲水平都在上升。你能清晰的聽到軸承發(fā)岀的聲音，這預示著軸承即將報廢。第九階段:到了這個階段以后，頻譜會變得平直，因為機器已經不能運轉了!4、解調頻譜及在滾動軸承診斷中的應用振動解調可以在滾動軸承故障發(fā)展的初始階段檢測到故障信息，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)。4-1使用和認識解調以上已經論述了如下事實：在軸承故障的早期階段可以觀察到在機器固

12、有頻率處的振動。軸承在固有頻率上產生 鳴叫”軸承的損壞所引起的沖擊導致軸承 鳴叫”因此，我們實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，我們也能觀察到在1X邊頻帶或保持架轉速的邊頻帶調制， 他們 分別代表了軸承內圈和滾珠的故障。 （如在第五階段上的圖示） 4-2解調結合上述兩種情形，我們會想：如果能夠檢測到故障頻率邊頻帶的軸承共振是否就還能給岀非常早的軸承 磨損警告呢？答案是肯定的。但是由于測量的是高頻低幅信號，因此它容易被其他振源信號所掩蓋。一種 解決方法就是對信號進行解調。簡單的說，就是首先使用高通濾波器過濾主要的低頻成份，然后進行檢波,接著為了抗混頻還需

13、要使用低通濾波器去除高頻信號。仔細查看頻譜，你會在原始信號中發(fā)現(xiàn)許多振動源，特別是那些比軸承共振幅值還高的地方。如果我們查看時域波形，會發(fā)現(xiàn)正弦信號與密集的高頻雜波相伴。動態(tài)的高頻雜波來源于軸承的首先是要通過高通濾波器濾掉低頻信號并讓高頻信號通過。濾波器可以設置成讓高于（用于軸承分析）。結果信號仍然包含高頻成份，但較高振幅的信號應已經被過濾掉了 下軸承的沖擊信號，這才是最重要的信息。2000HZ的頻率通過時域波形上也只剩滾動軸承故障診斷（續(xù)上貼）其次，我們將頻率坐標上部的邊頻帶迭放”到基帶”上?？梢杂媒庹{器來實現(xiàn)，實際上它就相當于一個典型的整流器（翻轉所有的負向信號）。整流的過程中會去掉負向信

14、號，剩下的就只是正向信號了。如（ Rectified signal整流信號圖所示）之后，我們?yōu)V掉來自其他調制源的殘余信號。一些解調器產品允許手動控制濾波器，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完成（基于選擇的頻率范圍）。對時域波形而言，所有的高頻信息都被濾掉。有人也把它叫做 包絡檢定器”解調測試最重要的是選擇頻率范圍。一般的原則是：范圍應控制在1520X （也就是運行速度的1520倍）之間。我們的目的是要確保最后只留下需要的調制信號。機器可能多半會有其他的調制信號源，因此最佳 的規(guī)則是：把頻率范圍設定為整個邊頻帶寬度的一半。到最后，留下的信號應該是有一系列很強的諧波一這取決于

15、故障的嚴重程度了。解調頻譜與普通振動頻譜相比有些不同。你不是根據(jù)振幅大小來確定故障的嚴重程度，而是通過測量數(shù)據(jù) 間的對比分析來進行判斷，最重要的是將波峰和噪聲水平進行比較。一般說來當損壞程度較低時波峰將非 常小。隨著故障破壞的進一步發(fā)展，振動波峰將逐漸從噪聲中凸顯出來。當出現(xiàn)嚴重故障時，波峰值將高出噪聲水平約20 dB（ 100 X）當軸承破壞非常嚴重處于前面所述的第七或第八階段時，噪聲水平將上升到接近波峰處。這是一個非常糟 糕的信號一一預示著軸承即將完全失效！?亥過程也可適用于機器的其它故障分析：齒輪嚙合分析、電機電流分析、電動機氣隙偏心分析和其 它調制信號源。（注：在齒輪箱中經常會發(fā)生頻率

16、調制，這可能導致分析振幅解調數(shù)據(jù)時得到錯誤的結果。 這個問題已超岀本討論的范圍，但必須對此有所認識。）軸承的解調測試的一個好處是能夠幫助你查明具體哪個軸承岀現(xiàn)了故障。如果你不知道軸承的詳細參數(shù)， 也不知道故障頻率，或你知道了故障頻率，但機器上有多個同樣的軸承。那么我們可以對所有的軸承進行 檢測，或只取其一個作診斷測試，都能把問題軸承找岀。5、沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等（僅作簡單論述）?不同的監(jiān)測公司往往采用了不同的監(jiān)測技術。其中包括：沖擊脈沖法、峰值能量法、高頻檢測法等 等。簡單的說，這些方法就是利用軸承發(fā)生故障時岀現(xiàn)的癥狀進行診斷，故障軸承開始會岀現(xiàn)瞬態(tài)沖擊， 然后發(fā)生共振或發(fā)岀鳴叫聲。而前面討論的解調技術將產生一種頻譜，沖擊脈沖法（SPM）、峰值能量法和其它一些技術則能夠產生一個（或兩個）能顯示岀趨勢的值。隨著趨勢值的升高，軸承損壞的可能性也跟 著增加。?基本原理：由沖擊產生的振動把能量注入到所有的頻率中。在0-3KHZ正常頻率段內，因為混有其它振動信號源而很難被檢測到。但當達到傳感器的共振頻率時，除了瞬態(tài)沖擊波外沒有其它強的振動信號源（不平衡、不對中等都是在較