旋转机械的振动监测与诊断(二)

1、旋转机械的振动监测与诊断旋转机械的振动监测与诊断 滚动轴承的振动诊断方法滚动轴承的振动诊断方法 主要内容：主要内容： 1.旋转机械的振动及故障概论旋转机械的振动及故障概论 2.旋转机械故障的诊断信息的表达和分析旋转机械故障的诊断信息的表达和分析 3.旋转机械故障的简易诊断方法旋转机械故障的简易诊断方法 4.旋转机械故障的精密诊断及典型故障分析旋转机械故障的精密诊断及典型故障分析 5.滚动轴承的振动诊断方法滚动轴承的振动诊断方法 6.齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法齿轮和齿轮箱的监测与诊断方法 7.其他分析方法简介其他分析方法简介 第五节、滚动轴承的振动诊断方法第五节、滚动轴承的振动诊断方法 5.1

2、 滚动轴承的失效与振动测定 5.1.1滚动轴承的失效形式 滚动轴承在运行过程中，由于装配不当、润滑 不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能使轴 承过早损坏。即使不出现上述情况，经过一段时间 运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工 作。总之，滚动轴承的损伤形式是十分复杂的。表 5-1为滚动轴承的主要损伤形式及产生原因。 损伤形式损伤原因损伤特征损伤结果 疲劳 轴向载荷过大 轴向载荷过大，对 中不良，润滑不良 保持架的圆度误差 太大 装配不当，对中不 良，轴弯曲 轴、保持架精度不 高 安装时冲击载荷过 大，圆柱滚子轴承的 装配过盈量太大 向心轴承的滚道仅 一侧表面剥落 双列轴承的表面仅 一

3、侧表面剥落 滚动体及滚道接触 边缘剥落 滚动体的圆周方向 在对称位置上有剥落 滚子轴承的疾驰道 和滚动体靠近端部外 表面产生剥落 受力表面较大面积 压光和微观剥落 使滚动体或滚道表面 产生剥落坑，并向大 片剥落发展，导致轴 承失效 胶合 润滑不良，润滑 脂过硬，启动时加 速度太大 滚道面不平行， 转速过高 润滑不良,装配 不当,轴向载荷过 大 滚道面和滚动体 表面出现胶合 深沟球轴承的滚 道面出现螺旋状胶 合 滚子端面和挡边 外出现胶合 导致表面烧伤，并 使金属从一个表面 粘附到另一表面 表5-1滚动轴承的主要损伤形式及产生原因 磨损 运输中轴承受到振 幅很小的摇摆运动作 用 配合面间有微小间

4、 隙造成的滑动磨损 异物落入，润滑不 良，对中不良，装配 不当 类似静压痕 在配合面上出现红 褐色磨损粉末的局部 磨损 滚道面、滚动体面、 凸缘面、保护架等磨 损 圆锥滚子轴承挡边 磨损过大 损伤轴承，降低轴 承运转精度 腐蚀 轴承内部配合面等 锈蚀 滚动面上出现模板 状凸凹 表面红色或黑色的 锈斑 空气中水分的凝结， 腐蚀性介质侵入 电流通过产生电火 花熔化 微振，装配不当 表面由于电流、化 学和机械作用产生 损伤，丧失精度而 不能继续工作 破损 冲击载荷过大，装 配不当，胶合发展 冲击载荷，热处理 不当，装配不当，胶 合发展 对中不良，装配不 当，润滑不良，异常 载荷，转速过快，异 物进入

5、 外环或内环产生裂 纹 滚动体产生裂纹 保持架断裂 导致产生裂纹，断裂， 使轴承失效 5.1.2滚动轴承的振动测定 1.测定部位 测定部位选择的基本思路是选择在离轴承最近、 最能反映轴承振动的位置上。一般讲，若轴承座是外 露的，测点位置可直接选在轴承座上；若轴承座是非 外露的，测点应选择在轴承座刚性较好的部分或基础 上。同时，应在测点处做好标记，以保证不会由于测 点部位的不同而导致测量值的差异。 由于滚动轴承的振动在不同方向上反映出不同的 特性，因此一般情况下都应按图5-1所示那样在水平 （x）、垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行检测。 2.测定参数 根据滚动轴承的固有特性、制造条件、使用情

6、况 的不同，它所引起的振动可能是频率为1kHz以下的低 频脉动，也可能是频率为1kHz以上，数千赫乃至数十 千赫的高频振动，更多的情况是同时包含了上述两种 振动成分。因此，通常检测的振动速度和加速度分别 覆盖了上述的两个频带，必要时可用滤波器取出需要 的频率成分。如果是在较宽的频带上检测振动级，则 对于要求低频振动小的轴承检测振动速度，而对于要 求高频振动小的轴承检测振动加速度。 3.测定周期 滚动轴承的振动检测可分为： A 定期检测 对于定期检测，为了早期发现轴承故障，以免故 障迅速发展到严重的程度，检测的周期应尽可能短一 些。但如果检测周期定得过短，则在经济上可能是不 合理的。因此，应综合

7、考虑技术上的需要和经济上的 合理性来确定合理的检测周期。 B 连续在线监测 连续在线监测主要适用于重要场合或由于工况 恶劣不易靠近滚动轴承的场合，以及滚动轴承加速 劣化的阶段，相应的监测仪器较定期检测的仪器要 复杂，成本也要高些。 5.2 滚动轴承的振动机理 图图 5 5 - - 2 2 滚滚 动动 轴轴 承承 结结 构构 简简 图图 1 1 外外 圈圈 2 2 滚滚 动动 体体 3 3 内内 圈圈 4 4 保保 持持 架架 1 2 3 4 5.2.1滚动轴承振动的基本 参数 1.滚动轴承的结构 滚动轴承是由内圈、外 圈、滚动体和保持架四部 分组成。图5-2为滚动轴承 的结构简图。 2.滚动轴

8、承的固有振动频率 滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈 冲击而产生振动，这时的振动频率为轴承各部分的固有 频率。 固有振动中，外圈的振动表现最明显，计算内圈及 外圈的固有振动频率时，将它们看作为矩形截面的圆环， 故可用如下近似公式： 2 22 (1) () 2 (/ 2)1 n n nEIg Hz A Dn E材料的弹性模量 I圆环中性轴截面二次矩 材料密度 A圆环的截面积 D圆环中性轴直径 n变形波的节线数 5.2.2 滚动轴承的振动特征 1.滚动轴承的振动形式 引起滚动轴承振动的原因很多， 除了其本身的固有振动以外还包括以下振动： 图图 5 5- -3 3滚滚 动动 轴轴 承承 承

9、承 载载 状状 态态 与与 滚滚 动动 体体 位位 置置 （1）轴承构造引起 的振动 图5-3所示的 轴承，随滚动体位置 不同，其承载状态也 不断变化，这将导致 内、外圈和滚动体产 生弹性变形而引起振 动。 （2）滚动体的非线性伴生振动 滚动轴承靠滚 道与滚动体的弹性 接触来承受载荷， 具有一定的弹性， 其刚性很高；当轴 承润滑不良时，就 会出现非线性的特 性，如图5-4所示， 从而产生非线性振 动。 图图 5 5 - - 4 4 滚滚 动动 轴轴 承承 的的 非非 线线 性性 特特 征征 轴轴 向向 位位 移移 推力 （3）由于精加工波纹引起的振动 若加工制造时， 在滚道或滚动体上留 有如图

10、5-5所示的加 工波纹，那么当凸起 数目达到一定量值时， 会产生特有的振动。 (4)滚动轴承的损伤引起的振动 当轴承损伤时， 如图5-6所示内圈 点蚀，就会引起相 应的冲击振动。 点点 蚀蚀 图 5-6滚 动 轴 承 的 损 伤 (三)滚动轴承的故障诊断方法 滚动轴承的 故障诊断方法 振动信号分析诊断 声发射诊断 油液分析诊断 光纤监测诊断 其中，振动信号分析诊断方法最为常用。 5.3.1振动信号分析诊断 滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为： （1）简易诊断法 简易诊断的目的是初步判断被列为诊断对象 的滚动轴承是否出现了故障。 （2）精密诊断法 精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为

11、是出现了故障的轴承的类别及故障原因。 用于滚动轴承简易诊断的判定标准可大致分为 三种： 绝对判定标准 是用于判断实测振值是否超限的绝对量值。 相对判定标准 是对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按 时间先后进行比较，以轴承无故障情况下的振值为 基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断 的标准。 类比判定标准 是对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进 行振动检测，并将振值相互比较进行判断的标准。 注：绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定 的标准，因此必须注意其适用频率范围，并且必须 按规定的方法进行振动检测。适用于所有轴承的绝 对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判 定标

12、准、相对判定标准和类比判定标准。这样才能 获得准确、可靠的诊断结果。 （一）振动信号简易诊断法有以下几种： A 振幅值诊断法 这里所说的振幅值指峰值 均值 （对于简谐 振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经 绝对值处理后的平均值）以及均方根值(有效值)。 p X X 诊断的。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而 它适用于象表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故 障诊断。另外，对于转速较低的情况，也常采用峰 值进行诊断。均值用于诊断的效果与峰值基本一样， 其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速较高 的情况。均方根值是对时间平均的，因而它适用于 像磨损之类的振幅值随时间缓缓变化的故障诊断。

13、B 波形因数诊断法 波型因数定义为峰值与均值之比。该值也是用于 滚动轴承简易诊断的有效指标之一。 / X p X / X p X 如图5-7所示， 当 值过 大时，表明滚动 轴承可能有点蚀， 而 值过 小时，则有可能 发生了磨损。 C 概率密度诊断法 无故障滚动轴承的振幅的概率密度曲线是典型的 正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可 能出现偏斜或分散的现象。 D 峭度系数诊断法 峭度 定义 为归一化的4阶中心矩，即式中 4 4 ()( )xxp x dx v 振幅均值； v 标准差。 vx瞬时振幅 vP(x)概率密度； x 峭度系数诊断法的优点：优点：在于与轴承的转速、 尺寸和载荷无关

14、，主要适用于点蚀类故障的诊断。 E 冲击脉冲法（SPM法） 冲击脉冲法（Shock Pulse Method）的原理是， 滚动轴承运行中有缺陷（如疲劳剥落、裂纹、磨损和 混入杂物）时，就会发生冲击，引起脉冲性振动。由 于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰减性振动，因而 冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。 当滚动轴承无损伤或有极微小损伤时，脉冲值（dB值） 很小；随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。当冲击能 量达到初始值的1000倍（60dB）时，就认为该轴承的 寿命已经结束。当轴承工作表面出现损伤时，所产生 的实际脉冲值用 表示，它与初始脉冲值 之 差称为标准冲击能量 sv dB i dB N dB N dB sv dB i dB 根据 值可以将轴承的工作状态分为三个区域进 行诊断。 N dB (二) 滚动轴承故障的精密诊断法 通过对滚动轴承实施简易诊断发现有故障后， 应进一步对其进行精密诊断，即通过振动信号的频 率分析，以判明故障的类别和