滚动承诊断案例分析

1、机械故障诊断技术读书报告机械故障诊断技术读书报告滚动承诊断案例分析综述滚动承诊断案例分析综述Rolling bearing diagnosis case analysis were reviewed学院：专业：班级：姓名：学号：学年学期：1目录摘摘 要：要：对滚动轴承的故障形式、故障原因、常用诊断方法等诊断基础和滚动轴承故障的振动机理作了研究，并建立了相应的滚动轴承典型故障(外圈损伤、内圈损伤、滚动体损伤)的理论模型，给出了一些滚动轴承故障诊断常用的特征参数。通过对滚动轴承故障振动机理的研究可以帮助我们了解滚动轴承故障的本质和特征。本文对特征参数的提取，理论推导，和过程都进行了详细的阐述，结合

2、实际的案例对滚动轴承故障进行分析。关键词：关键词：诊断基础 振动机理 案例分析In this paper: analyzing the failure form, failure reason of rolling bearing, thecommonly used diagnostic methods such as diagnosis basis and made a research onthe mechanism of the vibration of the rolling bearing fault, and establish thecorresponding typical f

3、aults of rolling bearing (outer ring injury, injury of inner ring,rolling body injury) theoretical model, gives some commonly used the characteristicparameters of rolling bearing fault diagnosis.Keywords：Diagnostic basisThe vibration mechanismCase analysis引言：引言：在众多的旋转机械中起支撑的往往是轴承，也是最已损坏的部件之2一。随着科技的进

4、步，对机械设备的故障诊断维修是是保证正常成产的关键，特别是对滚动轴承的故障诊断有一定的典型的作用。 因此对滚动的故障诊断越来越受到人们的重视。1 滚动轴承故障诊断基础滚动轴承故障诊断基础1.1时域分析法时域法是滚动轴承故障诊断技术发展最早的一种方法，在时域诊断中，提取信号特征的主要方法有相关分析和时序分析， 普遍采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征进行诊断分析，如均值、有效值、峰值和无量纲因子判别方法等。时域同步平均法是滚动轴承故障诊断最为常用的一种信号增强方法， 通过对滚动轴承振动信号进行采样，并对多周期的信号进行同步平局，就可以得到时域同步平均信号。这种方法可以有效降低其他部件和振动

5、源对于信号的影响，提高信噪比3。2）频域分析法频域分析方法是将时域波形经过FFT变换转换成频谱图，采用振动信号的频谱特征进行诊断分析，如特征频率、幅值、无量纲判别因子等，对滚动轴承的故障可以进行精密诊断。在滚动轴承诊断技术中常用的频谱图有全息谱、幅值谱、相位谱、功率谱等。细化和倒谱技术是频谱分析的常用手段。在对滚动轴承振动信号作频谱分析时必须有足够高的频率分辨率， 通常采用细化谱分析技术可以提高分辨率。FFT-FS频谱细化方法在不增加采样点数的前提下，对感兴趣的频带进行细化，能够得到比较准确的频率值4。3）时频分析法采用普通的频谱分析无法同时进行时频分析，找出信号的时域特征。而时频分析法既能够

6、反映时域特征又能够反映频域特征， 可以很好的描述滚动轴承故障特征的全貌， 常用的时频分析方法有短时傅立叶变换、 小波变换、 小波包分析等。1946年，Gabor提出了窗口傅立叶变换概念，用一个在时间上可滑移的时窗进行傅立叶变换，从而实现了在时间域和频率域上都具有较好局部性的分析方法。小波分析的多尺度和对突变信号的探测能力， 在处理非平稳信号上表现出极大的优越性， 它克服了短时傅立叶变换分辨率不可变的缺陷，在时域和频域同时有良好的局部化性质，成为滚动轴承诊断发展的热点5。4）智能诊断计算机人工智能与诊断理论相结合形成了具有信息时代特色的智能诊断。 当前滚动轴承诊断领域中最常用的两类人工智能诊断系

7、统是基于知识的专家系统3和基于网络的智能诊断系统.1.2 滚动轴承的常见故障形式滚动轴承的常见故障形式由于滚动轴承的材料缺陷，加工或者装配不当，润滑不良，水分或者异物侵入，腐蚀以及过载等原因都可能导致早期损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间的运转，滚动轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象影响机器的正常工作。概括起来滚动轴承的主要故障形式有：1)疲劳剥落滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处(最大剪应力处)形成裂纹，继而扩展到接触表层产生剥落坑，最后大面积剥落，这种现象就叫做疲劳剥落。正常工作条件下，疲劳剥落是滚动轴承

8、故障的主要原因。 习惯上所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。2)磨损由于滚道和滚动体的相对运动(包括滚动和滑动)和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损， 而当润滑不良时更会加剧表面磨损。 磨损的结果使滚动轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了滚动轴承的运转精度，因而也降低了机器的整体运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械中所用的滚动轴承，往往就是因为磨损量限制了滚动轴承的寿命。此外 ，还有 一 种所谓的微振磨损。当滚动轴承本身不旋转而受到振动时， 由于滚动体和滚道接触面间微小的， 往复的相对滑动，因而导致微振磨损产生，其结果是在滚道上形成波纹状的磨痕。3)塑性变形在工作负荷果重的情况下，滚动轴

9、承受到过大的冲击载荷或者静载荷，或者因为热 变 形引起额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面形成凹痕或者划痕。这将使滚动轴承运转时产生剧烈的振动和噪声。而且，一旦产生上述凹痕，由此所引起的冲击载荷可能还会进一步引起附近表面的剥落。4)腐蚀腐蚀也是滚动轴承的常见故障之一。 当水分直接侵入滚动轴承时就会引起滚动轴承腐蚀，另一方面，当滚动轴承停止工作时，滚动轴承温度下降达到零点，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承的表面上也会引起腐蚀。 此外当滚动轴承内部有电流通过时，在滚道和滚动体之间的接触点处，电流通过很薄的油膜引起火花，使表 面局部熔融，在表面上形成波纹状的凹凸不平。高精度的滚动轴

10、承往往由于表面腐蚀，丧失精度而不能继续工作。45)断裂当载荷超过滚动轴承或者滚动体的强度极限时会引起滚动轴承零件的破裂。此外，由于磨削加工、热处理或者装配时引起的残余应力、工作时的热应力过大等也都有可能造成滚动轴承零件的断裂。6)胶合所谓胶合是指一个表面的金属粘附到另一表面的现象。在润滑不良，高速重载的情况下， 由于摩擦发热， 滚动轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面损伤及损坏。7）保持架损坏通常， 由于装配不当或者使用不当而引起的保持架发生变形，从而就可能增加保持架与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死而不能滚动，或保持架与内外滚道发生摩擦等均可引发保持架损坏，这也使振动

11、、噪声与发热增加。1.31.3 滚动轴承的诊断方发滚动轴承的诊断方发可用于对滚动轴承进行故障诊断的方法有很多，包括振动信号分析法、声发射法、油污染分析法(磁性法，铁谱法的光谱分析法)等，它们各有特点，其中以振动信号分析法相对简单，应用最为广泛6。1）冲击脉冲法( SPM法)冲击脉冲(SPM，Shock Pulse Method)法是一种用于提取滚动轴承在运转中所产生的冲击能量的方法。当滚动轴承受到损伤后，如疲劳剥落、裂纹、磨损及表面划伤等，在运转过程中就会产生衰减性的振动。这种振动中冲击的强弱反映了滚动轴承在一定转速下的故障大小程度.冲击脉冲法就是基于这个基本原理。首先将信号进行带通滤波，然后

12、利用传感或者谐振电路的谐振放大特点，提取冲击能量或者折算成脉冲值.利用脉冲值(dB)可以确定滚动轴承的好坏情况。2）共振解调法(IFD法)共振解调法(IDF，Incipient Failure Detection)，这是美国波音公司发明的一项技术.共振解调法与冲击脉冲法的共同特点是:利用传感器或者电路的谐振(共振)，将故障冲击法引起的衰减振动放大，因而大大提高了探测故障的灵敏度和可靠性。共振解调法还进一步利用解调技术将故障信息提取出来，通过对解调后的信号做频谱分析，可以诊断出故障发生的部位，如具体指出故障发生在滚动轴承外圈、内圈还是在滚动体上，对于共振解调法在后面将做详细的介绍。3）特征参数判

13、断法5利用一些具有特殊意义的系数或者因子即特征参数， 来判断滚动轴承故障往往也是简单有效的方法。如:(1) 有效值和峰值判别法。有效值即均方根值，它反映了信号总体能量的大小。一般情况下，有效值对磨损这类滚动轴承故障可以给出比较恰当的评价，而峰值则对疲劳剥落、划痕等一类有瞬变冲击振动的故障比较有用。(2) 峭度系数法。峭度系数是无量纲因子，其特点是对载荷及轴的转速不敏感，可2.2.滚动轴承的振动机理滚动轴承的振动机理2.1 滚动轴承的基本参数2.1.1 滚动轴承的典型结构图 2.1 标准滚动轴承图滚动轴承的典型结构如图2.1所示，它由内圈，外圈，滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承的几何参数主要有

14、:滚动轴承节径D、滚动体直径d、内圈滚道半径r1、外圈滚道半径r2、接触角、滚动体个数Z。2.1.22.1.2 滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率为分析滚动轴承各部分的运动参数，先做如下假设:(1)滚道与滚动体之间无相对滑动;6(2)承受径向,轴向载荷时各部分无变形;(3)滚动轴承外圈固定，内圈(即轴)的旋转频率为fs;则滚动轴承工作时各点的转动速度如下:内圈滚道上一点的速度为:cos211dDffrVss（2-1）外圈滚道上一点的速度为:00V（2-2）保持架上一点的速度为:DfVVVcc0121（2-3）由此可得保持架的旋转频率(即滚动体的公转频率)为:fVVfscDdDcos12120

15、1（2-4）从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的回转频率之比与rd12成反比:cos1cos21DddDdDdrfFsb由此可得滚动体自转频率(滚动体通过内滚道或外滚道的频率)fb:22cos12DddDfFsb（2-5）同时考虑到滚动轴承有Z个滚动体，则:7(1)Z 个滚动体与外圈滚道上某一固定点的接触频率f0为:fffscDdZZcos1210（2-6）(2)Z 个滚动体与内圈滚道上某一固定点的接触频率fi为:ffffscsiDdZZcos121（2-7）(3)Z个滚动体上某一固定点与外圈或者内圈滚道的接触频率fb为:22cos1*21DddDffsb（2-8）f

16、0，fi，fb分别为外圈、内圈和滚动体的通过频率.当“某一固定点”是局部损伤点(如点蚀点、剥落点等)时，f0、fi和fb分别成为局部损伤点撞击滚动轴承元件的频率，因此f0、fi和fb又分别称为外圈、内圈和滚动体的故障特征频率.2.1.3 滚动轴承的固有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，这时的振动频率为滚动轴承各部分的固有频率。固有振动中，内、外圈的振动表现最明显，滚动轴承元件的固有振动频率如下:1)轴承圈在自由状态下的径向弯曲振动的固有频率为:AEIgDnnnfn2224*121（2-9）式中E-弹性模量，钢材为210GPa; I-套圈横截面的惯性矩mm4;-密度

17、 ， 钢材为786x10-6kg/mm3;A-套圈横截面积，A=bh，mm2;8D-套圈横截面中性轴直径，mm;g-重力加速度，9=9800mm/s2。n-振动阶数(变形波数)，n=2，3;对钢材 ，将各常数代入式得2)钢球振动的固有频率为:REgfbn212. 0（2-10）式中R-钢球半径。2.2.1 时间领域有量纲特征参数在对滚动轴承故障诊断和监测中， 迄今为止一直使用的是以振动为主的特征参数。另外，作为被使用的振动的特征参数，以速度的实效值，变位的实效值等有量纲参数为主。在此，在滚动轴承诊断中常用的有量纲特征参数，用以下的公式表示，另外，没有特别说明的，取时间序列数据的绝对值。(1)绝

18、对值总和：X=NiXi1（2-11）（2）平均值：X=X/N（2-12）(3)标准方差：=1)(21NXXiNi（2-13）（ 4 ） 最 大 值 ： Xmax=MitXMii1maxXmax Xmaxt/Xmaxt 2 （2-14）(5) 最 大 平 均 值 ：Xmax=221maxMtXMiXmax Xmaxt/Xmaxt （2-15）9(6)极大值的平均值：PXXpipp1111（2-16）(7)极大值的标准方差：11)(1121ppXXpipp（2-17）（8）极小值的平均值：LXXLiLL1111（2-18）在此：.1,11111NiXXXXXXiLiLL（9）极小值的标准方差：11

19、)(1121LXLilLLX（2-19）2.2.2 时间领域的无量纲特征参数在此，在滚动轴承诊断中常用的有量纲特征参数，用以下的公式表示。（1）波形率：XFS（2-20）（2）歪度：3131)(NiiXX（2-21）（3）峭度：4142)(NiiXX（2-22）10（4）波高率：XCFmax（2-23）（5）最大值比率：XXRmaxmaxmax（2-24）（6）极大值的变动率：LLLX（2-25）（7）极小值的变动率：LLLX(2-26)（8）平方根的平均值：NiiFXL1(2-27)（9）自乘平均值：212NiiRXP（2-28）（10）对数平均数：)log() 1log(1NiiXLR（2

20、-29）2.2.3 频率领域的无量纲特征参数（1）平均特征频率：NiiNiifSfSfP1121)()(*（2-30）11（ 2 ） 波 形 安 定 指 数 ：NiNiiiNiiifSffSfSfP114122)(*)()(*（2-31）（3）变动率：fP3(2-32)（4）歪度：NfSffNiiP3134)(*)(（2-33）（5）峭度：NfSffiNiP4415)(*)(（2-34）（6）平方根比率：NfffNiiP16S*)(）（2-35）以上各式中：NiiNiiifSfSff11)()(*1)(*)(12NfSffNii分辨指数和识别率1617分辨指数：222112DI或者=22211

21、2XX（2-36）识别率：PDR01其中：dDIP2exp2120（2-37）123 案例分析案例分析(1)边带间隔频率为轴的转频 焦化装置加热炉鼓风机变频电动机噪声大， 现场采集轴承座振动信号(见图 2)。测试时，电动机转速为 520r/min，工频为 8.67Hz。电动机轴承座振动频谱中出现了以 5.326x 的非整数倍频成分及其高次谐波。且在高次谐波成分左右出现了以电动机工频为间隔频率的对称。13图 2 电动机前轴承座垂直振动速度频谱检修发现，该轴承外圈电流腐蚀严重，轴承外圈搓板状缺陷明显，如图 3所示。图 3 轴承外圈电流腐蚀严重(2)边带间隔频率为轴转频的非整数倍 聚丙烯装置动力分离

22、器搅拌器 A301于 2011 年 4 月在役运行。2013 年 6 月底发现分离器推力轴承水平振动值上升到6.0mm/s 左右。后经润滑脂置换、将润滑脂改为高温润滑脂后，振动烈度下降趋势明显，SPM 冲击数据近黄区上线、趋势趋于平稳。搅拌器转速为 1 470r/min，对轮侧轴承型号：SKF3317A，叶片侧轴承型号：SKF NU2316E。7 月初，对分离器轴承座振动进行频谱分析发现，对轮侧轴承座水平测点 1 000Hz 带宽速度频谱(见图 4)中，存在 0.28x0.66x 频的次倍频成分、低频段噪声底线明显抬高，存在 139.81Hz(5.63x)、205.57Hz(8.27x)的非整

23、数倍频成分，在 13x(NU2316E 轴承滚动体个数为 13 个)左右出现间隔频率为10.63Hz(0.43x：可能为保持架故障频率)边带成分。将频带放宽至 5 000Hz 采集信号，未见明显的高频连续谱出现。这里，0.43x 的非整数倍频以边带的形式出14现，需要引起足够的重视。图 4 泵对轮侧轴承座水平振动速度频谱8 月停运检修，将搅拌器解体发现，对轮侧轴承保持架上半边松脱，可以直接取出，上、下保持架磨损严重。3）邹县发电站 1 号炉丙排机是单级离心式风机，型号是 M5-36-11MO210/2D，流量 136.8 3/h。全压 13.043kpa,转速 1485r/min,介质为浓度的

24、 10%的煤粉气流介质温度 70 到 00 度。配用 1 台高压交流发电机，功率为 850kw。风机为悬臂梁转子，同测双支撑结构。2 号阻支撑轴承布置在同一个轴承箱体内，46 号机械润滑油，轴承箱内通有工业水对轴承轴承进行冷却。风机测为 2 个并列放置的单列向心圆柱滚动轴承风机整体见结构图 14)滚动轴承监测诊断的技术很多，除了振动频谱分析技术，还有 SPM 公司开发的冲击脉冲技术、 恩泰克公司的尖峰能量技术、 艾默生公司的 PEAKVUE 技术等。实际应用中，多种技术手段结合，可以提高滚动轴承故障诊断的准确号炉大修前诊 断中心定期对设备 进行检测通过对采集 的数据 进行分析发现 1 号 炉排

25、粉机叶轮侧 轴15承存在 隐患。 通 过 1 号炉丙排叶轮侧轴承水平方向振动频谱图分析 各振 动尖峰值,发现该处轴承外圈故 障频 率(B P F O )及其倍频出现,说明轴承外圈 出现了故 障现象。同时倍频两 侧均分布有 IX 转速 频- 带,说明轴承外 圈故 障已严重 到一定程度。图 2 为 1 号 炉丙排粉机 叶轮侧 轴 承水平 方向振动 频谱图。该部位 轴承为日本N S K轴 承型号Nu34。 对照 轴承手册可 知相 当于S K F一Nu3 3 4型 号轴 承,利用 RBMwa re 软件的轴承故 障频率计算 功 能,可计算出该轴承各 故障频率(见表 l)。RBMwa re 是以可靠性为

26、 基 础 的 维 修 软件,即运 用 一 系列先进的技术手段,如机 械 振 动分析、润 滑 油 液分析、红 外 热 成像、对中与平衡、马 达分析、超声 波分析等技术探 测设备状态,找出设备故 障根源;通过识别 和 消 除故 障根 源,延 长设备的使用寿命;提供可靠 的设备信息,辅助企业重 大决策;系 统化 地合理配置各 种 维修方式,提高企业 管理水平。R BMw a re 的实施是由一 套分析 软件和相关技术的精密检测 仪器共同实 现。从表 1 可知,额定转 速 时 轴承外 圈 I X 故 障频率为 巧 4.l oHz。 对照频谱图 中各振 动尖峰值,可看出频谱图 出现的轴承外圈故 障频率,

27、轴承外 圈故 障频率见表 2。利用R BM 软件中的Pa ek Vue(尖峰 能量值,代表 冲击能 量 的大小)技术,对该轴承水平方向振 动情况进 行测 量,其频谱见图 3从频谱图 中可看出,I k Hz 频 率 采集范 围内,I X 一 6 X 轴承外 圈故 障频率全部出现。从另一方面证实该轴承冲击能量出现且较大,轴 承外 圈故 障严重。16174）一台一次风机（3B） 。电机转速为四极异步电机，轴承为滚动轴承FAG22226EAS。采用加速度传感器分别测量电机和风机两个轴承的轴承座外壳水平(H)、垂直(V)和轴向(A)方向的振动量， 共 12 个测点。 测点位置如图 1 所示。 自 200

28、8-1-9 日起，时域波形中发现明显的冲击信号，冲击水平（峰峰值）达到 3g 左右，而频谱图中也开始出现 10.41 倍频及其谐波，同时周围还有 1 倍频边带，符合滚动轴承内圈故障， 查找轴承型号并计算故障频率， 发现该谐波与内圈故障频率基本一致 （下图中的 D 即故障频率成分） ，确定为轴承故障。开始对其密切关注。5）通过这门课的学习了解的机械故障诊断的基本内容，了解基本的诊断的方法， 特别是以振动为基础的故障诊断。这些基础知识对后续的学习提供了很好的基础。182010 年 7 月，对其采集振动数据后发现时域波形上的峰值已达到 6g 以上，而频谱图中也反映 10.41 倍频及其谐波，1 倍频

29、边带更见明显，表明此此时内圈故障已经发展到比较严重的程度（此时振动总量并未上升，一直维持在警戒线以下，只有 1.339mm/s）从上面的时域波形图中，我们可以发现转子每转一周，基本会呈现一组类似的波形，而在每个周期内，则会有多组高频冲击信号，且幅值就有很大的变化。这就是由于滚动轴滚动体随着内圈旋转时进出负载区进行的振幅调制的现象。 经过自相关处理后，我们甚至可以清晰的看到两个较高脉冲之间的相等时间间隔（如下图所示） ，0.00391s，换算成频率正是滚动轴承内圈故障的频率：257.71Hz(10.41倍频)。195）某装置有一台双支承多级离心泵，最高转速 2950r/min。 机组与测点布置如图 1 所示。该泵自大修后运行 4 个月左右， 在 2012 年月 9 日的振动烈度和加速度有效值增大 。用BH550 综合巡检