故障診斷5-滾動(dòng)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷課件

0滾動(dòng)軸承失效的基本形式5.1、滾動(dòng)軸承失效的基本形式認(rèn)識(shí)滾動(dòng)軸承1滾動(dòng)軸承應(yīng)力分析滾動(dòng)軸承失效的基本形式25.1.1滾動(dòng)軸承的磨損失效

滾動(dòng)軸承常見(jiàn)的損壞形式有：磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效和膠合失效。滾動(dòng)軸承失效的基本形式35.1.2滾動(dòng)軸承的疲勞失效

疲勞失效原因是疲勞應(yīng)力造成的，有時(shí)是由于潤(rùn)滑不良或強(qiáng)迫安裝所至。滾動(dòng)軸承失效的基本形式45.1.3滾動(dòng)軸承的腐蝕失效

腐蝕失效分化學(xué)腐蝕，電腐蝕，微振腐蝕三類。滾動(dòng)軸承失效的基本形式55.1.4滾動(dòng)軸承的壓痕失效

壓痕失效主要是由于滾動(dòng)軸承受負(fù)荷后，在滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。過(guò)量時(shí)在滾道表面形成塑性變形凹坑。裝配不當(dāng)，或裝配敲擊也會(huì)造成壓痕失效。滾動(dòng)軸承失效的基本形式82）由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件的缺陷或故障引起的振動(dòng)

軸承滾動(dòng)表面的微觀特征或缺陷導(dǎo)致滾動(dòng)體滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生交變的激振力。這種故障引起的激振力產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的故障特征頻率。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷9內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率保持架旋轉(zhuǎn)頻率D為軸承的節(jié)圓直徑；d為滾珠直徑；β為接觸角。滾珠自轉(zhuǎn)頻率保持架通過(guò)（內(nèi)圈）頻率滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷10滾珠通過(guò)內(nèi)圈頻率滾珠通過(guò)外圈頻率滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷BPFO- BallPassFrequencyOuterRace

fBOBPFI- BallPassFrequencyInnerRacefBiBSF- BallSpinFrequencyfbFTF- CageFrequencyorFundamentalTrainFrequencyfc滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(1)保持架故障頻率：

FTF=(1/2){No［1+（d/D）Cosφ]+Ni［1-（d/D）Cosφ]}滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率：

BSF=(1/2)(D/d)|No-Ni|{[1-(d/D)Cosφ]2}外環(huán)故障頻率：

BPFO=(1/2)n|No-Ni|[1-(d/D)Cosφ]

內(nèi)環(huán)故障頻率：

BPFI=(1/2)n|Ni-No|[1+(d/D)Cosφ］

d=滾動(dòng)體直徑；

D=滾動(dòng)軸承平均直徑(滾動(dòng)體中心處直徑)；

φ=徑向方向接觸角；

n=滾動(dòng)體數(shù)目；No=軸承外環(huán)角速度；Ni=軸承內(nèi)環(huán)角速度(=軸轉(zhuǎn)速).注：1.滾動(dòng)軸承沒(méi)有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒(méi)有變化；3.軸承外環(huán)和軸承內(nèi)環(huán)都旋轉(zhuǎn).滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(2)保持架故障頻率：

FTF=(N/2)［1-（d/D）Cosφ]滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)故障頻率：

BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cosφ］2}外環(huán)故障頻率：

BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ]內(nèi)環(huán)故障頻率：

BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ］

d=滾動(dòng)體直徑；

D=滾動(dòng)軸承平均直徑(滾動(dòng)體中心處直徑)；

φ=徑向方向接觸角；n=滾動(dòng)體數(shù)目；N=軸的轉(zhuǎn)速。注：1.滾動(dòng)軸承沒(méi)有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒(méi)有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).

滾動(dòng)軸承故障頻率計(jì)算(3)外環(huán)故障頻率：BPFOr≌0.4N×n內(nèi)環(huán)故障頻率：BPFIr≌0.6N×n保持架故障頻率：FTFr≌0.4N

n=滾動(dòng)體數(shù)目；N=軸的轉(zhuǎn)速。注：1.滾動(dòng)軸承沒(méi)有滑動(dòng)；2.滾動(dòng)軸承幾何尺寸沒(méi)有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).經(jīng)驗(yàn)公式143）滾動(dòng)軸承元件的固有頻率鋼球的固有頻率r為鋼球的半徑(m)；ρ為材料密度(kg/m3)；E為彈性模量（N/m2)。軸承套圈在圈平面內(nèi)的固有頻率n為固有頻率階數(shù)；a為回轉(zhuǎn)軸線到中心軸的半徑（m）；M為套圈單位長(zhǎng)度內(nèi)的質(zhì)量(kg/m)；I為套圈截面繞中心軸的慣性矩。一般軸承元件的固有頻率在20~60kHz的頻率范圍內(nèi)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷154）與滾動(dòng)軸承安裝有關(guān)的振動(dòng)滾動(dòng)軸承緊固過(guò)緊或過(guò)松，在滾動(dòng)體通過(guò)特定位置時(shí)，即引起振動(dòng)。其頻率與滾動(dòng)體通過(guò)頻率相同：滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷165）滾動(dòng)軸承故障所產(chǎn)生的振動(dòng)滾動(dòng)軸承代表故障有：表面皺裂、表面剝落、軸承燒損等。

燒損滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷175.2.2滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的拾取

測(cè)定部位：基本思路：選擇在離軸承最近、最能反映軸承振動(dòng)的位置上。測(cè)定參數(shù)：如果是在較寬的頻帶上檢測(cè)振動(dòng)級(jí)，則對(duì)于要求低頻振動(dòng)小的軸承檢測(cè)振動(dòng)速度，而對(duì)要求高頻振動(dòng)小的軸承檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)。測(cè)定周期：對(duì)于定期檢測(cè)，為早期發(fā)現(xiàn)軸承故障，以免故障繼續(xù)發(fā)展到嚴(yán)重的程度，檢測(cè)的周期應(yīng)可能短一些。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷測(cè)點(diǎn)位置的選取給測(cè)點(diǎn)位置作記號(hào)設(shè)備表面的處理三個(gè)方向設(shè)點(diǎn)測(cè)盡量靠近軸承195.2.3滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障識(shí)別

滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)及其故障頻率特征

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷20（1）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：（2）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過(guò)內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率：（3）Z個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上一點(diǎn)的頻率BPFI：（4）一個(gè)滾動(dòng)體（或保持架）通過(guò)外圈上的一點(diǎn)的頻率：（5）Z個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)外圈上一點(diǎn)的頻率BPFO：（6）滾動(dòng)體故障特征頻率BSF：（7）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率FTF（即滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率）：以上各特征頻率是利用振動(dòng)診斷滾動(dòng)軸承的的基礎(chǔ)。滾動(dòng)軸承的故障頻率特征

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)診斷特征頻率BPFO- BallPassFrequencyOuterRaceBPFI- BallPassFrequencyInnerRaceBSF- BallSpinFrequencyFTF- CageFrequencyorFundamentalTrainFrequency211）概率密度方法方法要點(diǎn)：基本無(wú)故障的滾動(dòng)軸承的振幅概率密度曲線圖形呈高斯分布；而正弦信號(hào)則呈鞍形，據(jù)此不難分析出圖中四種不同狀態(tài)軸承的工作狀況。圖a接近高斯分布；圖b方差值較大，但無(wú)鞍形，可以說(shuō)無(wú)明顯故障；圖c特點(diǎn)是數(shù)據(jù)集中成分較大，在均值左右出現(xiàn)較明顯的鞍形，低值分散顯大，存在劃傷現(xiàn)象；圖d圖形方差值很大，數(shù)據(jù)非常分散，這是疲勞的明顯特征。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)時(shí)域方法222）有效值和峰值判別法有效值(vrms)反映了振動(dòng)能量的大小，當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后，其振幅必然增大。因而用有效值作為異常軸承的判斷指標(biāo)。但這對(duì)具有瞬變沖擊振動(dòng)的異常是不適用的。因?yàn)闆_擊波峰的振幅大，但持續(xù)時(shí)間短，用有效值來(lái)表示，其特征不明顯，對(duì)于這種形態(tài)的異常，用峰值比有效值更適用。適于中晚期故障，如磨損，而不適合于早期故障檢測(cè)峰值(xp,vp,ap)反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于象表面點(diǎn)蝕之類的具有瞬時(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。適于早期故障如點(diǎn)蝕、裂紋等的檢測(cè)。滾動(dòng)軸承的時(shí)域診斷方法233）波峰系數(shù)法(峰值系數(shù))所謂波峰系數(shù)Cf

＝xp/xrms，是指峰值與有效值或均方根值之比。特點(diǎn)，是由于它的值不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、傳輸通道、及載荷的影響，也不受傳感器、放大器一、二次靈敏度變化的影響。對(duì)Cf

值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，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(shì)。滾動(dòng)軸承的時(shí)域診斷方法第一階段：Cf＜5，軸承正常；第二階段：Cf=5—

10，軸承輕微損傷；第三階段：Cf=10—20，軸承嚴(yán)重?fù)p傷；第四階段：Cf減小，軸承損傷加劇；第五階段：Cf恢復(fù)到初始值時(shí)，必須更換軸承。4）峭度系數(shù)峭度（Kurtosis）是無(wú)量綱參數(shù)，反映了振動(dòng)信號(hào)的分布特性，對(duì)軸承、齒輪局部故障的度量特有效。峭度可用歸一化的四階中心矩表示為無(wú)故障軸承，峭度系數(shù)β≈3；如果出現(xiàn)故障，峭度值的變化規(guī)律同于波峰因數(shù)的變化，可以達(dá)到十幾甚至幾十。注：為了取得較好的效果，常將β與速度有效值（振動(dòng)烈度）Vrms同時(shí)應(yīng)用，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。滾動(dòng)軸承的時(shí)域診斷方法255）頻譜分析法

基頻識(shí)別

圖a是一個(gè)軸承外環(huán)有劃傷的軸承振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜圖，明顯可看出其頻譜中有較大的周期成分，其基頻為184.2Hz，而圖b則是與其相同的完好軸承的頻譜圖。通過(guò)比較可以看出，當(dāng)出現(xiàn)故障后的譜圖上有明顯較高的高次諧波成分。在此例中出現(xiàn)了184.2Hz的5倍頻成分。且在736.9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象。滾動(dòng)軸承的頻域診斷26諧振頻率，根據(jù)諧頻的間距來(lái)判別，在分辨率較高的功率譜圖時(shí)常見(jiàn)到均勻棒線或尖峰，仔細(xì)測(cè)量其間距大小可以判斷什么部位發(fā)生故障。邊頻識(shí)別，頻率調(diào)制的情況總是存在的，在某故障頻率附近總是圍繞一族頻率，習(xí)慣稱它為邊頻。滾動(dòng)軸承的頻域診斷理論依據(jù)：典型的軸承故障發(fā)展過(guò)程軸承故障劣化發(fā)展不是按線性規(guī)律，而是按指數(shù)規(guī)律變化

通常約百分之八十至九十的軸承壽命12341X234階段軸承剩余壽命的10-20%階段軸承剩余壽命的5-10%階段軸承剩余壽命的1-5%階段一小時(shí)至軸承剩余壽命的1%災(zāi)難性破壞累積的損傷時(shí)間軸承故障發(fā)展的四個(gè)階段I.初始階段噪聲正常溫度正常可以用超聲，振動(dòng)尖峰能量，聲發(fā)射測(cè)量出來(lái)，軸承外環(huán)有缺陷振動(dòng)總量比較小，無(wú)離散的軸承故障頻率尖峰剩余壽命大于10％II.第二階段噪聲略增大溫度正常超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量有大的增加，軸承外環(huán)有缺陷，振動(dòng)總量略增大(振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量)對(duì)數(shù)刻度頻譜上可清楚看到軸承故障頻率，線性刻度頻譜上難得看到，噪聲地平明顯提高剩余壽命5％軸承故障發(fā)展的四個(gè)階段III.第三階段可聽(tīng)到噪聲溫度略升高非常高的超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量，軸承外環(huán)有故障振動(dòng)加速度總量和振動(dòng)速度總量有大的增加

在線性刻度的頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波和邊帶振動(dòng)頻譜噪聲地平明顯提高剩余壽命小于1％IV．第四階段噪聲的強(qiáng)度改變溫度明顯升高超聲，聲發(fā)射，振動(dòng)尖峰能量迅速增大，隨后逐漸減小，軸承外環(huán)處在損壞之前故障狀態(tài)振動(dòng)速度總量和振動(dòng)位移總量明顯增大，振動(dòng)加速度總量減小

較低的軸承故障頻率占優(yōu)勢(shì)的振動(dòng)尖峰，頻譜中噪聲地平非常高剩余壽命小于0.2％Stage1Stage2Stage3Stage4noapparentchangeontypicalvelocityspectrumdefect’sharmonicfrequenciesappeardefect’sfundamentalfrequenciesalsoappearandmayexhibitsidebandsdefect’sharmonicfrequenciesdevelopmultiplesidebands(haystack),fundamentalfreqs.growandalsodevelopsidebandsdefect’s“fund.”frequencyrangedefect’s“harmonic”frequencyrange軸承故障四個(gè)階段的頻譜31圖

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻譜傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇軸承故障信號(hào)分布的頻段

傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇，如圖所示，這是一個(gè)航空軸承通過(guò)故障實(shí)驗(yàn)得到的頻譜圖。軸承的故障信號(hào)分布在3個(gè)頻段，即圖中陰影部分。32a).低頻段：在8kHz以下，滾動(dòng)軸承中與結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系的故障信號(hào)在這個(gè)頻率段，少數(shù)高速滾動(dòng)軸承的信號(hào)頻段能延展到B點(diǎn)以外。因?yàn)檩S的故障信號(hào)、齒輪的故障信號(hào)也在這個(gè)頻段，因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的頻段。b).高頻段：位于Ⅱ區(qū)，這個(gè)頻段的信號(hào)是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動(dòng)。c).超高頻段：位于Ⅲ區(qū)，它們是軸承內(nèi)微裂紋擴(kuò)張所產(chǎn)生的聲發(fā)射超聲波信號(hào)。傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇33試驗(yàn)一：滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障診斷單列深溝球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)型號(hào)節(jié)徑D(mm)滾動(dòng)體直徑d(mm)滾動(dòng)體數(shù)目Z(個(gè))接觸角β(角度)630757.513.49480型號(hào)fr(Hz)fb(Hz)fi(Hz)fo(Hz)fc(Hz)63075010224715319理論計(jì)算的故障特征頻率試驗(yàn)載荷(kN)12.744試驗(yàn)轉(zhuǎn)速(rpm)3000采樣頻率(kHz)25.6振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(點(diǎn))20480實(shí)驗(yàn)條件34試驗(yàn)一：滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障診斷內(nèi)環(huán)故障35試驗(yàn)二：滾動(dòng)軸承外圈故障診斷單列深溝球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)理論計(jì)算的故障特征頻率試驗(yàn)載荷(kN)5試驗(yàn)轉(zhuǎn)速(rpm)720采樣頻率(kHz)8192振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(點(diǎn))20480實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)型號(hào)節(jié)徑

(mm)滾動(dòng)體直徑

(mm)滾動(dòng)體數(shù)目

(個(gè))接觸角

(角度)GB620328.56.74780型號(hào)fr(Hz)fb(Hz)fi(Hz)fo(Hz)f