滾動軸承的振動診斷

第４章滾動軸承的振動診斷

４.１軸承主要故障形式４.２滾動軸承振動信號特征４.３滾動軸承故障診斷法機械故障診斷學(xué)AnhuiUniversityofTechnology2021/3/29星期一1AnhuiUniversityofTechnology４.１軸承主要故障形式一、概述滾動軸承是機器中最易損壞的零件之一，約占旋轉(zhuǎn)機械故障的30%產(chǎn)生各種各樣軸承缺陷原因：由于設(shè)計、加工、安裝不好，或軸承服役條件不佳，突出載荷的襲擊等，運行一段時間后出現(xiàn)檢測這些缺陷的方法很多，如：振動信號檢測、聲發(fā)射、鐵譜等技術(shù)或直接測定溫度振動監(jiān)測技術(shù)最為可靠容易實現(xiàn)因為大部分可歸納為表面劣化而使振動加劇，所以與表面狀態(tài)有關(guān)的振動信號成了檢測軸承狀態(tài)的重要資料專用儀器，如：測定波峰因素的BK-2511振動儀、日本NB-3軸承監(jiān)視器、瑞典MEPA-43沖擊脈沖儀、SPM及美國IRD820振動脈沖能量和峰值分析儀（用于在線）2021/3/29星期一2研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.１軸承主要故障形式二、軸承主要故障形式磨損：磨料磨損（雜質(zhì)）和摩擦磨損（潤滑惡化）疲勞剝落：交變應(yīng)力作用、微小裂紋的發(fā)展、生繡等原因引起裂紋：由材料缺陷或交變載荷、應(yīng)力集中、潤滑不良等引起腐蝕：濕氣或水侵入潤滑油、較大電流引起電腐蝕壓痕：過載、撞擊或異物進入滾道膠合和點蝕：因為各種原因，當(dāng)軸承在高溫、高速、重載、瞬間載荷等使用條件下，滾道或滾動體表面產(chǎn)生微小燒損點，滾道和滾動體表面溫度過高而使局部熔合在一起即膠合。其他故障形式：破損、燒損、電蝕等

2021/3/29星期一3研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動軸承振動信號特征滾動軸承元件出現(xiàn)缺陷時，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，缺陷每接觸一次就會產(chǎn)生一次沖擊振動，具有一定的周期性，其振動頻率在0～20kHz。一、滾動軸承的低頻振動（接觸頻率---缺陷特征頻率）假設(shè)：（1）滾動環(huán)和滾動體之間無滑動；（2）徑向、軸向受載荷時個部分無變形

滾珠軸承對應(yīng)于元件缺陷的頻率為（不是滾柱軸承）：滾珠通過內(nèi)圈滾道

滾珠通過外圈滾道

滾動體缺陷

保持架不平衡

式中：z滾動體個數(shù)；d滾動體直徑；D滾道節(jié)徑；f0軸承回轉(zhuǎn)頻率，為每秒轉(zhuǎn)數(shù)n/60。

接觸角：滾動體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角。

2021/3/29星期一4研究目標AnhuiUniversityofTechnology與軸承結(jié)構(gòu)有關(guān)(由于外力的激勵就會引起振動，不管軸承有無故障均存在，但不能表征軸承的異常，所以要加以區(qū)分類型

)４.２滾動軸承振動信號特征二、滾動軸承的固有頻率（共振頻率）

鋼球的固有頻率為

軸承圈在圈平面內(nèi)的固有頻率（內(nèi)外圈彎曲方向的）為

式中：E彈性模量；I軸承圈橫截面的慣性矩；γ材料密度；A軸承圈橫截面積；n振動階數(shù)。G重力加速度；R鋼球半徑；D軸承圈橫截面中性軸直徑。此為圓環(huán)彎曲方向的振動頻率，還有內(nèi)外徑半徑方向、扭力方向的振動，式中計算為單體共振頻率，具結(jié)構(gòu)其計算有變化。一般固有頻率在數(shù)千HZ到數(shù)十千HZ，人耳聽不見

2021/3/29星期一5研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動軸承振動信號特征三、滾動軸承振動信號特征（特征頻率成分）其中，n為正整數(shù)；Z為鋼球數(shù)目；fc為保持架頻率；f0為軸承回轉(zhuǎn)頻率。2021/3/29星期一6研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.２滾動軸承振動信號特征其中，fbi為鋼球在內(nèi)圓滾道上的通過頻率；f0振動頻率；fc為保持架轉(zhuǎn)速；fb滾動體相對于保持架的頻率。2021/3/29星期一7研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法一、簡易診斷法（僅判斷有無異常）1、測定部位的選擇注意：（1）測定部位不要改變，以保證前提一致，最好是軸承座；（2）測頭接觸表面光滑牢固；（3）一般在垂直、軸向兩方向上測量。速度需三個方向，加速度一個方向即可。軸承座露在外面，測定部位：軸承座；軸承座在內(nèi)部，測定部位：軸承座剛性高的部位或基礎(chǔ)。

2、測定參數(shù)軸承振動頻率范圍在幾HZ到數(shù)千HZ。一般小于10HZ，測位移；

10HZ至1KHZ（中頻），測速度；大于1KHZ（高頻），測加速度（常用于大于10KHZ）。常用速度和加速度，為去除其它振動信號，用濾波器取所需帶寬。3、測定周期測定時間間隔取決于經(jīng)濟性，且不漏異常情況，越短越好。2021/3/29星期一8研究目標4、判別標準絕對值判別標準和相對判別標準，兼用。適用于所有軸承的絕對標準是不存在的，同一種軸承用于不同的場合其判別標準也是不同的。所以一定要注意使用場合選擇合適的判別標準。低頻部分的絕對值判別標準難以確定，用相對標準或相對判定法，故對于同時存在高、低頻的軸承振動要用兩個判別標準來判別。5、簡易診斷首先檢查潤滑狀態(tài)，加油后數(shù)小時數(shù)天后測量，發(fā)現(xiàn)振動明顯增大，則要判別是否異常；根據(jù)各自情況制定出專門的絕對值標準，測定同條件下的振動初始值，即相對值判別標準；確定判定方案，包括：位置、方向、參數(shù)、周期等。測量振動信號，作出比較判斷或進一步作譜分析。AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法2021/3/29星期一9研究目標二、低頻信號診斷法AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－低頻信號診斷法通過直接測量滾動軸承損壞出現(xiàn)的振動，從振動譜圖上觀察突出的譜線頻率來診斷軸承故障。2021/3/29星期一10研究目標AnhuiUniversityofTechnology頻率成分激發(fā)頻率故障說明理論值Hz實驗值Hz保持架回轉(zhuǎn)頻率fc18.8036.102倍保持回轉(zhuǎn)頻率，滾動元件或保持架不規(guī)則轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率f050.0050.65轉(zhuǎn)子不平衡內(nèi)圈軌道頻率FBi206.25200.95內(nèi)圈不規(guī)則滾動體回轉(zhuǎn)頻率fb187.50380.002倍關(guān)系，滾動體缺陷４.３滾動軸承故障診斷法－－低頻信號診斷法2021/3/29星期一11研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－包絡(luò)法三、包絡(luò)法（共振解調(diào)法）

軸承發(fā)生故障時，將引起一系列沖擊脈沖，在頻域中含有基頻及其一系列高階諧波，經(jīng)過傳感器拾取及電路諧振，----高頻自由衰減振動，即傳感器振動被故障脈沖響應(yīng)調(diào)制，此高頻振動的幅值受到軸承缺陷引起的脈動激發(fā)力的調(diào)制．包絡(luò)法中，信號先被濾去其他低頻分量（燥聲）而只取經(jīng)調(diào)制的高頻分量（高頻自由衰減振動），再經(jīng)放大、濾波后送入峰值跟蹤器解調(diào)（或低通濾波器），即可得到原來的低頻脈動信號，在此基礎(chǔ)上進行軸承缺陷的頻譜分析。所得解調(diào)波與故障脈沖有唯一對應(yīng)關(guān)系，解調(diào)波的幅度反映故障嚴重程度，而解調(diào)波的基頻為軸承故障頻率（特征頻率）包絡(luò)法的優(yōu)點是它有效地消除了各種低頻成分的干擾，更為突出地顯示故障的頻譜特征，提取有用信息使診斷結(jié)果更準確。2021/3/29星期一12研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－包絡(luò)法低頻信號接收法和包絡(luò)法拾取信號過程2021/3/29星期一13研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－包絡(luò)法低頻信號接收法和包絡(luò)法得到的譜圖圖中a、c無故障，b、d有故障，a、b低頻信號接收法，c、d包絡(luò)法

2021/3/29星期一14研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－聲發(fā)射診斷法四、聲發(fā)射診斷法

原理：疲勞斷裂——交變載荷作用，金屬產(chǎn)生錯位運動，首先產(chǎn)生疲勞裂紋，再沿著最大切向應(yīng)力方向擴展（一般是外圈），直至斷裂。疲勞磨損——循環(huán)接觸壓應(yīng)力周期地作用在摩擦表面上，金屬晶格的彈性應(yīng)力達到臨界值就會產(chǎn)生微觀裂紋，進而擴展出現(xiàn)麻點、微粒脫落。這些軸承故障的發(fā)生與發(fā)展都伴隨著聲發(fā)射信號的發(fā)出。金屬材料聲發(fā)射頻率為幾十到幾百兆赫，信號強度為幾微伏到幾百伏。故障的聲發(fā)射明顯強于燥聲的聲發(fā)射。所以以聲發(fā)射信號作為分析源，來研究其頻譜。（特別用于初期診斷效果好）聲發(fā)射：當(dāng)固體受力的作用時，由于內(nèi)部缺陷的存在，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使塑性變形加大或形成裂紋及擴展，這時均要釋放彈性波（應(yīng)變能）。當(dāng)零件多時或系統(tǒng)復(fù)雜時，振動信號分析法信號復(fù)雜而受到限制。2021/3/29星期一15研究目標AnhuiUniversityofTechnology４.３滾動軸承故障診斷法－－聲發(fā)射診斷法聲發(fā)射法特（優(yōu)）點１、特征頻率明顯用振動加速度計和聲發(fā)射傳感器在同一部位測得信號進行頻譜分析，比較如圖：

a)軸承聲發(fā)射頻譜圖b)軸承振動信號頻譜圖2021/3/29星期一16研究目標AnhuiUniversityofTech