故障诊断5-滚动轴承的振动监测与诊断

1、05.1、滚动轴承失效的基本形式、滚动轴承失效的基本形式认识滚动轴承认识滚动轴承1滚动轴承应力分析滚动轴承应力分析25.1.1 5.1.1 滚动轴承的磨损失效滚动轴承的磨损失效 滚动轴承常见的损坏形式有：磨损失效、疲劳失效、腐蚀失滚动轴承常见的损坏形式有：磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。35.1.2 5.1.2 滚动轴承的疲劳失效滚动轴承的疲劳失效 疲劳失效原因是疲劳应力造成的，有时是由于润滑不良或强迫安装所至。45.1.3 5.1.3 滚动轴承的腐蚀失效滚动轴承的腐蚀失效 腐蚀失效分化学腐蚀 ，电腐蚀 ，微振腐蚀 三类。55.1.

2、4 5.1.4 滚动轴承的压痕失效滚动轴承的压痕失效 压痕失效主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动压痕失效主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。过量时在滚道表面形体和滚道接触处产生塑性变形。过量时在滚道表面形成塑性变形凹坑。装配不当，或装配敲击也会造成压成塑性变形凹坑。装配不当，或装配敲击也会造成压痕失效。痕失效。65.1.5 5.1.5 滚动轴承的断裂失效滚动轴承的断裂失效 断裂失效由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不妥等而产生过大的热应力 。胶合失效指滑动接触两表面，一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象称为胶合 。75.2、滚动轴承的振动诊断、滚动轴承的

3、振动诊断5.2.1 5.2.1 滚动轴承的振动机理滚动轴承的振动机理 1 1）轴承刚度变化引起的振动）轴承刚度变化引起的振动振动特点振动特点 随着随着滚动体滚动体位置不同位置不同，其承载状态，其承载状态也不断变化，这将导致也不断变化，这将导致内圈、外圈和滚动体产内圈、外圈和滚动体产生弹性变形而引起振动生弹性变形而引起振动 。 由于由于滚动体直径不一致滚动体直径不一致，因刚性不同而引起振动。因刚性不同而引起振动。 82 2）由滚动轴承的运动副构件的）由滚动轴承的运动副构件的缺陷或故障缺陷或故障引起的振动引起的振动 轴承滚动表面的轴承滚动表面的微观特征或缺陷微观特征或缺陷导致滚动体滚动时产生导致滚

4、动体滚动时产生交变的激振力。这种故障引起的激振力产生的随机振动信号交变的激振力。这种故障引起的激振力产生的随机振动信号的主要频率成分为滚动轴承的的主要频率成分为滚动轴承的故障故障特征频率特征频率。9A内圈旋转频率内圈旋转频率60/NfiA保持架旋转频率保持架旋转频率icfDdf)cos1 (21D D为轴承的节圆直径；为轴承的节圆直径；d d为滚珠直径；为滚珠直径；为接触角。为接触角。A滚珠自转频率滚珠自转频率ibfDddDf2)cos(1cos21A保持架通过（内圈）频率保持架通过（内圈）频率1cos12ciidffD10A滚珠通过内圈频率滚珠通过内圈频率iBifDdnfcos12A滚珠通过

5、外圈频率滚珠通过外圈频率iBOfDdnfcos12BPFO - Ball Pass Frequency Outer RacefBOBPFI - Ball Pass Frequency Inner Race fBiBSF - Ball Spin Frequency fbFTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency fc滚动轴承故障频率计算(1)保持架故障频率： FTF=(1/2)NoFTF=(1/2)No1+1+（d/Dd/D）Cos +Ni Cos +Ni 1-1-（d/Dd/D）Cos Cos 滚动体旋转故障频率： BSF=(1/2)

6、(D/d) |No-Ni| 1-(d/D)Cos BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni| 1-(d/D)Cos 外环故障频率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| 1-(d/D)CosBPFO=(1/2)n |No-Ni| 1-(d/D)Cos 内环故障频率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| 1+(d/D)CosBPFI=(1/2)n |Ni- No| 1+(d/D)Cos d d=滚动体直径； D D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； =径向方向接触角； n n=滚动体数目； NoNo=轴承外环角速度； Ni=Ni=轴承内环角速度(=轴转速).注：注：1.1.滚动轴

7、承没有滑动；滚动轴承没有滑动；2.2.滚动轴承几何尺寸没有变化；滚动轴承几何尺寸没有变化；3.3.轴承外环和轴承内环都旋转轴承外环和轴承内环都旋转. .滚动轴承故障频率计算(2)保持架故障频率： FTF=(N/2)1-（d/D）Cos 滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d)1-(d/D)Cos 2 外环故障频率： BPFO=(N/2)n1-(d/D)Cos 内环故障频率： BPFI=(N/2)n1+(d/D)Cos d d=滚动体直径； D D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； =径向方向接触角； n n=滚动体数目； N N=轴的转速。注：注：1.1.滚动轴承没有滑动；滚动

8、轴承没有滑动；2.2.滚动轴承几何尺寸没有变化；滚动轴承几何尺寸没有变化；3.3.轴承外环固定不旋转轴承外环固定不旋转. . 滚动轴承故障频率计算(3)外环故障频率： BPFOr0.4Nn 内环故障频率： BPFIr0.6Nn 保持架故障频率： FTFr0.4N n=滚动体数目； N=轴的转速。注：注：1.1.滚动轴承没有滑动；滚动轴承没有滑动；2.2.滚动轴承几何尺寸没有变化；滚动轴承几何尺寸没有变化； 3. 3.轴承外环固定不旋转轴承外环固定不旋转. .经验公式143 3）滚动轴承元件的固有频率）滚动轴承元件的固有频率A钢球的固有频率钢球的固有频率2424.0ErfBr r为钢球的半径为钢

9、球的半径(m)(m)；为材料密度为材料密度(kg/m(kg/m3 3) )；E E为为弹弹性模量（性模量（N/m2)N/m2)。A轴承套圈在圈平面内的固有频率轴承套圈在圈平面内的固有频率MEIannnfn22212)1(n n为固有频率阶数为固有频率阶数；a a 为回转轴线到中心轴的半径（为回转轴线到中心轴的半径（m m）；）； M M 为为套圈单位长度内的质量套圈单位长度内的质量(kg/m)(kg/m)；I I为为套圈截面绕中套圈截面绕中心轴的惯性矩心轴的惯性矩。一般轴承元件的固一般轴承元件的固有频率在有频率在2060 kHz 2060 kHz 的频率范围内的频率范围内 154 4）与滚动轴

10、承安装有关的振动）与滚动轴承安装有关的振动A滚动轴承紧固过紧或过松，在滚动体通过特定位置滚动轴承紧固过紧或过松，在滚动体通过特定位置时，即引起振动。其频率与滚动体通过频率相同：时，即引起振动。其频率与滚动体通过频率相同：165 5）滚动轴承故障所产生的振动）滚动轴承故障所产生的振动滚动轴承代表故障有：表面皱裂、表面剥落、轴承烧损等。滚动轴承代表故障有：表面皱裂、表面剥落、轴承烧损等。 烧损烧损175.2.2 5.2.2 滚动轴承振动信号的拾取滚动轴承振动信号的拾取 测定部位：测定部位：基本思路：选基本思路：选择在离轴承最近、最能反映轴择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上。承振动的位置上。测

11、定参数：测定参数：如果是在较宽如果是在较宽的频带上检测振动级，则对于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要求低频振动小的轴承检测振动速度，而对要求高频振动小动速度，而对要求高频振动小的轴承检测振动加速度信号。的轴承检测振动加速度信号。测定周期测定周期：对于定期检测，为早期发现轴承故障，：对于定期检测，为早期发现轴承故障，以免故障继续发展到严重的程度，检测的周期应可能以免故障继续发展到严重的程度，检测的周期应可能短一些。短一些。测 点 位 置 的 选 取给测点位置作记号设备表面的处理三个方向设点测尽量靠近轴承195.2.3 5.2.3 滚动轴承的振动故障识别滚动轴承的振动故障识别

12、 滚动轴承的典型结构及其故障频率特征滚动轴承的典型结构及其故障频率特征 20u（1 1）内圈旋转频率：）内圈旋转频率：u（2 2）一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频率：）一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频率：u（3 3）Z Z个滚动体通过内圈上一点的频率个滚动体通过内圈上一点的频率BPFIBPFI： u（4 4）一个滚动体（或保持架）通过外圈上的一点的频率：）一个滚动体（或保持架）通过外圈上的一点的频率： u（5 5）Z Z个滚动体通过外圈上一点的频率个滚动体通过外圈上一点的频率BPFOBPFO： u（6 6）滚动体故障特征频率）滚动体故障特征频率BSFBSF： u（7 7）保持架

13、的旋转频率）保持架的旋转频率FTFFTF（即滚动体的公转频率）：（即滚动体的公转频率）： 以上各特征频率是利用振动诊断滚动轴承的的基础。以上各特征频率是利用振动诊断滚动轴承的的基础。滚动轴承的故障频率特征滚动轴承的故障频率特征 BPFO - Ball Pass Frequency Outer RaceBPFI - Ball Pass Frequency Inner RaceBSF - Ball Spin FrequencyFTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency211 1）概率密度方法）概率密度方法方法要点：方法要点：基本无故障的滚

14、动轴承的振幅概率密度基本无故障的滚动轴承的振幅概率密度曲线图形呈曲线图形呈高斯分布高斯分布；而正弦信号则呈鞍形，据此不难；而正弦信号则呈鞍形，据此不难分析出图中四种不同状态轴承的工作状况。分析出图中四种不同状态轴承的工作状况。图图a a 接近接近高斯分布高斯分布；图；图 b b 方差值较大，但无鞍形，方差值较大，但无鞍形，可以说无明显故障；图可以说无明显故障；图 c c 特点是数据集中成分较特点是数据集中成分较大，在均值左右出现较明显的鞍形，低值分散显大，大，在均值左右出现较明显的鞍形，低值分散显大，存在划伤现象；图存在划伤现象；图 d d 图形方差值很大，数据非常图形方差值很大，数据非常分散

15、，这是疲劳的明显特征。分散，这是疲劳的明显特征。222 2）有效值和峰值判别法）有效值和峰值判别法有效值有效值(vrms)反映了振动能量的大小，当轴承产生异常反映了振动能量的大小，当轴承产生异常后，其振幅必然增大。因而用有效值作为异常轴承的判后，其振幅必然增大。因而用有效值作为异常轴承的判断指标。但这对具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。断指标。但这对具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。因为冲击波峰的振幅大，但持续时间短，用有效值来表因为冲击波峰的振幅大，但持续时间短，用有效值来表示，其特征不明显，对于这种形态的异常，用峰值比有示，其特征不明显，对于这种形态的异常，用峰值比有效值更适用。适于中晚期

16、故障，如磨损，而不适合于早效值更适用。适于中晚期故障，如磨损，而不适合于早期故障检测期故障检测峰值峰值(xp, vp, ap)反映的是某时刻振幅的最大值，因而它反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于象表面点蚀之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另适用于象表面点蚀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（如外，对于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采以下），也常采用峰值进行诊断。适于早期故障如点蚀、裂纹等的检测。用峰值进行诊断。适于早期故障如点蚀、裂纹等的检测。233 3）波峰系数法）波峰系数法( (峰值系数峰值系数) )所谓波峰系数所谓波峰系数 Cf xp/xrms，是指

17、峰值与有效值或均方根值之比。，是指峰值与有效值或均方根值之比。特点，特点，是由于它的值不受轴承尺寸、转速、传输通道、及载荷是由于它的值不受轴承尺寸、转速、传输通道、及载荷的影响，也不受传感器、放大器一、二次灵敏度变化的影响。的影响，也不受传感器、放大器一、二次灵敏度变化的影响。对对 Cf 值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。 第一阶段：第一阶段：C Cf f 5 5，轴承正常；，轴承正常； 第二阶段：第二阶段：C Cf f =5=5 1010，轴承轻微

18、损伤；，轴承轻微损伤； 第三阶段：第三阶段：Cf =10Cf =1020 20 ，轴承严重损伤；，轴承严重损伤； 第四阶段：第四阶段：C Cf f减小，轴承损伤加剧；减小，轴承损伤加剧； 第五阶段：第五阶段：C Cf f恢复到初始值时，必须更换轴承。恢复到初始值时，必须更换轴承。4 4）峭度系数）峭度系数 峭度（Kurtosis）是无量纲参数，反映了振动信号的分布特性，对轴承、齿轮局部故障的度量特有效。峭度可用归一化的四阶中心矩表示为 无故障轴承，峭度系数3； 如果出现故障，峭度值的变化规律同于波峰因数的变化，可以达到十几甚至几十。 注：为了取得较好的效果，常将与速度有效值与速度有效值（振动烈

19、度）（振动烈度）V Vrmsrms同时应用，以兼顾敏感性和稳定性。 411Nnxx nE xN255 5）频谱分析法）频谱分析法 基频识别 图a是一个轴承外环有划伤的轴承振动加速度信号的频谱图，明显可看出其频谱中有较大的周期成分，其基频为184.2Hz，而图b则是与其相同的完好轴承的频谱图。通过比较可以看出，当出现故障后的谱图上有明显较高的高次谐波成分。在此例中出现了184.2Hz的5倍频成分。且在736.9Hz上出现了谐波共振现象。26谐振频率谐振频率，根据谐频的间距来判别，在分辨率较高的，根据谐频的间距来判别，在分辨率较高的功率谱图时常见到均匀棒线或尖峰，仔细测量其间距大功率谱图时常见到均

20、匀棒线或尖峰，仔细测量其间距大小可以判断什么部位发生故障。小可以判断什么部位发生故障。边频识别边频识别，频率调制的情况总是存在的，在某故障频，频率调制的情况总是存在的，在某故障频率附近总是围绕一族频率，习惯称它为边频。率附近总是围绕一族频率，习惯称它为边频。)2(2sin)2(2sin2)(2sin)(2sin2)2sin()2(sin2cos)2sin()(1tfftffmAtfftffmAtfAtftfmAtfAtXscsccscscccccknsccc)2sin()(1 )(tftmSAtXcc0),2cos()(tftSs理论依据：典型的轴承故障发展过程轴承故障劣化发展不是按线性规律，

21、而是按指数规律变化 通常约百分之八十至九十的轴承寿命12341X234阶段轴承剩余寿命的10-20%阶段轴承剩余寿命的5-10%阶段轴承剩余寿命的1-5%阶段一小时至轴承剩余寿命的1%灾难性破坏累积的损伤时间轴承故障发展的四个阶段I. 初始阶段1. 噪声正常2. 温度正常3. 可以用超声，振动尖峰能量，声发射测量出来，轴承外环有缺陷4. 振动总量比较小，无离散的轴承故障频率尖峰5. 剩余寿命大于10II. 第二阶段1. 噪声略增大2. 温度正常3. 超声，声发射，振动尖峰能量有大的增加，轴承外环有缺陷，4. 振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)5. 对数刻度频谱上可清楚看到轴承故障频

22、率，线性刻度频谱上难得看到，噪声地平明显提高6. 剩余寿命5 轴承故障发展的四个阶段III. 第三阶段1. 可听到噪声2. 温度略升高3. 非常高的超声，声发射，振动尖峰能量，轴承外环有故障4. 振动加速度总量和振动速度总量有大的增加5. 在线性刻度的频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波和边带6. 振动频谱噪声地平明显提高7. 剩余寿命小于1IV第四阶段1. 噪声的强度改变2. 温度明显升高3. 超声，声发射，振动尖峰能量迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处在损坏之前故障状态4. 振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小5. 较低的轴承故障频率占优势的振动尖峰，频谱中噪声地平非常高

23、6. 剩余寿命小于0.2Stage 1Stage 2Stage 3Stage 4no apparent change on typical velocity spectrumdefects harmonic frequencies appeardefects fundamental frequencies also appearand may exhibit sidebandsdefects harmonic frequencies develop multiplesidebands (haystack), fundamental freqs. growand also develop sid

24、ebandsdefects “fund.”frequency rangedefects “harmonic”frequency range轴承故障四个阶段的频谱31图 滚动轴承的振动频谱传感器和感应频率段的选择传感器和感应频率段的选择轴承故障信号分布的频段轴承故障信号分布的频段传感器和感应频率段的选择，如图所示，这是一个航空轴承通过故障实验得到的频谱图。轴承的故障信号分布在3 3个频段个频段，即图中阴影阴影部分。32a). 低频段低频段：在8kHz以下，滚动轴承中与结构和运动关系相联系的故障信号在这个频率段，少数高速滚动轴承的信号频段能延展到B点以外。因为轴轴的故障信号、齿轮齿轮的故障信号也在

25、这个频段，因而这也是绝大部分在线故障监测与诊断系统所监测的频段。b).高频段高频段：位于区，这个频段的信号是轴承故障所激发的轴承自振频率轴承自振频率的振动。c). 超高频段超高频段：位于区，它们是轴承内微裂纹扩张所产生的声发射超声波信号。传感器和感应频率段的选择传感器和感应频率段的选择33单列深沟球轴承结构参数型号型号节径节径D (mm) 滚动体直径滚动体直径d (mm) 滚动体数目滚动体数目Z (个个) 接触角接触角 (角度角度)630757.513.49480型号型号fr (Hz)fb (Hz)fi (Hz)fo (Hz)fc (Hz)63075010224715319理论计算的故障特征频

26、率试验载荷试验载荷(kN)12.744试验转速试验转速(rpm)3000采样频率采样频率(kHz)25.6振动信号数据长度振动信号数据长度(点点)20480实实验验条条件件34内内环环故故障障02004006008001000120000.010.020.03Frequency (Hz)Magnitude/Vfrfcfi+frfifi-fr00.10.20.30.40.50.60.70.8-0.500.5Time (s)Amplitude/V35单列深沟球轴承结构参数理论计算的故障特征频率试验载荷试验载荷(kN)5试验转速试验转速(rpm)720采样频率采样频率(kHz)8192振动信号数据长

27、度振动信号数据长度(点点)20480实实验验条条件件参数参数型号型号节径节径 (mm)滚动体直径滚动体直径 (mm)滚动体数目滚动体数目 (个个)接触角接触角 (角度角度)GB620328.56.74780DdZrfcfpofp ifpbfrfcfpofp ifpbf型号型号fr (Hz)fb (Hz)fi (Hz)fo (Hz)fc (Hz)62031247.859.436.64.636外外环环故故障障100020003000400050006000-505Amplitde(Pa)Sample points020406080100120140160180200012345X: 37.28Y: 4.668Frequency(Hz)Amplitude(Pa)X: 74.57Y: 3.959X: 111.9Y: 3.11537轴承型号轴承型号内径内径外径外径滚动体直径滚动体直径滚动体滚动体个数个数接触角接触角SKF620525mm52mm8mm900采样频率采样频率分析数据长度分析数据长度外径外径电机转频率电机转频率内圈故障特征内圈故障特征频率频率12000Hz2048samples52mmfr=29.17H