滾動軸承的振動測量與簡易診斷

滾動軸承的振動測量與簡易診斷由于滾動軸承的故障信號具有沖擊振動的特點，頻率極高，衰減較快，因此利用振動信號對其進行監(jiān)測診斷時，除了參考前面差不多介紹的旋轉(zhuǎn)機械、往復(fù)機械的振動測試方法以外，還應(yīng)依照其振動特點，有針對性地采取一些措施和方法。一、測點的選擇滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點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架。由于沖擊振動所含的頻率專門高，每通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量缺失約80％。因此，測量點應(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)，探測點離軸承外圈的距離越近越直截了當越好。圖1表示了傳感器位置對故障檢測靈敏度的阻礙。在圖1(a)中，假如傳感器放在承載方向時為100%，則在承載方向士45。方向上降為95%(-5dB)，在軸向則降為22%-25%(-12?13dB)。在圖1(b)中，當止推軸承發(fā)生故障產(chǎn)生沖擊并向外散發(fā)球面波時，假如在軸承蓋正對故障處的讀數(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誤位置，較粗的弧線表示振動較強烈的部位，較細的弧線表示因振動波通過界面衰減導(dǎo)致振動減弱的情形。圖1傳感器位置對故障檢測靈敏度的阻礙由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此應(yīng)盡量考慮在水平(x)、垂直(y)和軸向(z)三個方向上進行振動檢測，但由于設(shè)備構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于經(jīng)濟方面的考慮，不可能在每個方向上都進行檢測，這時可選擇其中的兩個方向進行檢測。二、傳感器的選擇與固定方式依照滾動軸承的結(jié)構(gòu)特點，使用條件不同，它所引起的振動可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動(通過振動)，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（固有振動），通常情形下是同時包含了上述兩種振動成分。因此，檢測滾動軸承振動速度和加速度信號時應(yīng)同時覆蓋或分別覆蓋上述兩個頻帶，必要時能夠采納濾波器取出需要的頻率成分?？紤]到滾動軸承多用于中小型機械，其結(jié)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，以免對被測對象造成阻礙，改變其振動頻率和振幅大小。滾動軸承的振動屬于高頻振動，關(guān)于高頻振動的測量，傳感器的固定采納手持式方法明顯不合適，一樣也不舉薦磁性座固定，建議采納鋼制螺栓固定，如此不僅諧振頻率高，能夠滿足要求，而且定點性也好，關(guān)于衰減較大的高頻振動，能夠幸免每次測量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。三、分析譜帶的選擇滾動軸承的故障特點在不同頻帶上都有反映，因此，能夠利用不同的頻帶，采納不同的方法對軸承的故障做出診斷。1．低頻段在滾動軸承的故障診斷中，低頻率段指1kHz以下的頻率范疇。一樣能夠采納低通濾波器（例如截止頻率fb<lkHz）濾去高頻成分后再作頻譜分析。由于軸承的故障特點頻率（通過頻率）通常都在1kHz以下，此法可直截了當觀看頻譜圖上相應(yīng)的特點譜線，做出判定。由于在那個頻率范疇容易受到機械及電源干擾，同時在故障初期反映故障的頻率成分在低頻段的能量專門小，因此，信噪比低，故障檢測靈敏度差目前已較少采納。2．中頻段在滾動軸承的故障診斷中，中頻段指1?20kHz頻率范疇。同樣，利用該頻率時也能夠使用濾波器。（1） 高通濾波器使用截止頻率為1kHz的高通濾波器濾去1kHz以下的低頻成分，以排除機械干擾；然后用信號的峰值、RMS值或峭度系數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)。許多簡易的軸承監(jiān)測儀器外表都采納這種方式。（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)的信號總功率作為監(jiān)測參數(shù)，濾波器的通帶截止頻率依照軸承類型及尺寸選擇，例如對309球軸承，通帶中心頻率為2.2kHz左右，帶寬可選為1?2kHz。3．高頻段在滾動軸承的故障診斷中，高頻率段指20?80kHz頻率范疇。由于軸承故障引起的沖擊有專門大部分沖擊能量分布在高頻段，假如采納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所得到衰減振動信號，對故障診斷專門有效。瑞典的沖擊脈沖計(SPM)和美國首創(chuàng)的IFD法確實是利用那個頻段。滾動軸承的振動測量與簡易診斷(2)四、滾動軸承的簡易診斷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周密診斷法兩種。簡易診斷的目的是為了初步判定被列為診斷對象的滾動軸承是否顯現(xiàn)了故障；周密診斷的目的是要判定在簡易診斷中被認為顯現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及緣故。滾動軸承故障的簡易標準在利用振動對滾動軸承進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準進行比較，依照實測的振值是否超出了標準給出的界限來判定軸承是否顯現(xiàn)了故障，以決定是否需要進一步進行周密診斷。因此，判定標準就顯得十分重要。用于滾動軸承簡易診斷的判定標準大致可分為以下三種。絕對判定標準絕對判定標準是指用于判定實測振值是否超限的絕對量值。相對判定標準相對判定標準是指對軸承的同一部位定期進行振動檢測，并按時刻先后進行比較，以軸承無故障情形下的振值為基準，依照實測振值與該基準振值之比來進行判定的標準。類比判定標準類比判定標準是指對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進行振動檢測，并，將振值相互比較進行判定的標準。需要注意的是，絕對判定標準是在標準和規(guī)范規(guī)定的檢測方法的基礎(chǔ)上制定的標準，因此必須注意其適用頻率范疇，同時必須按規(guī)定的方法進行振動檢測。適用于所有軸承的絕對判定標準是不存在的，因此一樣差不多上兼用絕對判定標準、相對判定標準和類比判定標準，如此才能獲得準確、可靠的診斷結(jié)果。振動信號簡易診斷法振幅值診斷法那個地點所說的振幅值指峰值XP、均值X（關(guān)于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，關(guān)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害之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，關(guān)于轉(zhuǎn)速較低的情形（如300r/min以下），也常采納峰值進行診斷。均值用于診斷的成效與峰值差不多一樣，其優(yōu)點是檢測值較峰值穩(wěn)固，但一樣用于轉(zhuǎn)速較高的情形（如300r/min以上）。均方根值是對時刻平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時刻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)測儀確實是這類儀器。能夠測量振動信號的峰值或峰值系數(shù)，有的還能夠測量RMS值或絕對平均值。測量參數(shù)除加速度外，有的還包括振動速度和位移。（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）。該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效指標之一。如圖2所示，當XP/X值過大時，說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2滾動軸承沖擊振動的波形因數(shù)滾動軸承的振動測量與簡易診斷(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/X )。該值用于滾動軸承簡易診斷的優(yōu)點Prms在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的阻礙，也不受傳感器、放大器等一、二次外表靈敏度變化的阻礙。該值適用于點蝕類故障的診斷。通過對XP/X 值隨時刻變化趨勢的監(jiān)測，能Prms夠有效地對滾動軸承故障進行早期預(yù)報，并能反映故障的進展變化趨勢。當滾動軸承無故障時，XP/Xrms，為一較小的穩(wěn)固值；一旦軸承顯現(xiàn)了損害，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動峰值Prms明顯增大，但現(xiàn)在均方根值尚無明顯的增大，故XP/X 增大；當故障不斷擴展，峰值逐步Prms達到極限值后，均方根值則開始增大，XP/X 逐步減小，直至復(fù)原到無故障時的大小。Prm概率密度診斷法無故障滾動軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦顯現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能顯現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖3所示。峭度系數(shù)診斷法峭度(Kurtosis)B定義為歸一化的4階中心矩，即式中：X—瞬時振幅；X—振幅均值；p(X)一概率密度；O—標準差。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。隨著故障的顯現(xiàn)和進展，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(guān)要緊適用于點蝕類故障的診斷。圖3滾動軸承的損害英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動軸承故障的監(jiān)測診斷方面取得了專門好的成效。利用快裝接頭，儀器的加速度傳感器探頭直截了當接觸軸承外圈，能夠測量峭度系數(shù)、加速度峰值和RMS值。圖4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)］,而現(xiàn)在峰值［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(800?2700r/min)和不同載荷(0?11kN)下進行試驗時上述各值的變動范疇。專門明顯，峭度系數(shù)的變化范疇最小，約為士8%。軸承的工作條件對它的阻礙最小，即可靠性及一致性較高。有統(tǒng)計資料說明，使用峭度系數(shù)和RMS值共同來監(jiān)測，滾動軸承振動情形，故障診斷成功率可達到96％以上。圖4軸承疲勞試驗過程滾動軸承的振動測量與簡易診斷（4）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(guān)。SPM沖擊脈沖法（ShockPulseMethod）確實是基于這一原理。依照統(tǒng)計規(guī)律得出的脈沖值與軸承壽命的關(guān)系如圖5所示。iT1111伽iT1111伽詫Hl斗協(xié)圖5沖擊脈沖值與軸承壽命的關(guān)系在無損害或極微小的損害期，脈沖值(dB值)大體在水平線上下波動。隨著故障的進展，脈沖值逐步增大。當沖擊能量達到初始值的1000倍(60dB)時，就認為該軸承的壽命差不多終止?？偟臎_擊能量dB與初始沖擊能量dB.之差稱為標準沖擊能量dBN。sv i NdB=dB-dBNSV i能夠依照dBN的值判定軸承的狀態(tài)：0<dBNS20dB 正常狀態(tài)，軸承工作狀態(tài)良好；20dB<dBN<35dB 注意狀態(tài)，軸承有初期損害；35dB<dBN<60dB 警告狀態(tài)，軸承已有明顯損害。初始沖擊能量也稱背景分貝，可依照軸承內(nèi)徑及轉(zhuǎn)速加以確定。沖擊脈沖法對使用者的要求較高，初學(xué)者在現(xiàn)場使用中往往由于體會不足、對設(shè)備工況條件考慮不周造成診斷失誤，因此采納此方法進行診斷時應(yīng)注意以下幾方面問題。傳感器的安裝關(guān)于固定安裝的SPM傳感器，經(jīng)常由于機器本身的結(jié)構(gòu)限制，無法完全達到SPM傳感器的安裝標準，造成信號衰減。設(shè)備安裝條件對滾動軸承狀態(tài)有明顯阻礙的設(shè)備安裝因素要緊有不對中和軸彎曲。這兩種安裝狀態(tài)都會使軸承產(chǎn)生不平均載荷，對軸承油膜的形成造成專門大阻礙。這一方面會加劇軸承狀態(tài)的惡化；另一方面，在軸承狀態(tài)惡化往常也會造成沖擊值增大，導(dǎo)致誤報警。因此，關(guān)于此類軸承，在加強監(jiān)護的同時，對其報警限要適當放寬。對輔助傳動軸承的考慮關(guān)于輔助傳動軸承，由于經(jīng)常處于從動輕載荷狀況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的標準值要小專門多。但同時由于載荷小而容易受其他軸承或齒輪沖擊值的阻礙，使沖擊值快速增高。因此對此類軸承應(yīng)放寬其下限，但上限應(yīng)差不多不變。4．滾動軸承共振解調(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。但該方法還利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取出來，通過對解調(diào)后的信號進行頻譜分析，能夠診斷出故障的部位，指出故障發(fā)生在軸承外圈、內(nèi)圈滾道或滾動體上。這是美國波音公司提出的一項技術(shù)，稱為早期故障探測法(IncipientFailureDetection )。利用解調(diào)技術(shù)對信號進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a(t)，再經(jīng)包絡(luò)檢波得到的波形al(t)，相當于將故障引起的脈沖加以放大和拓寬，同時摒除了其余的機械干擾，最后作頻譜分析能夠得到與故障沖擊周期T相對應(yīng)的