滚动轴承的故障诊断演示教学

1、滚动轴承的故障诊断滚动轴承诊断的重要性滚动轴承诊断的重要性v 滚动轴承是旋转机器中广泛应用的零件之一。v 旋转机械的故障中，轴承损坏的故障约占30%。v 滚动轴承的状态监测与故障诊断是机械设备故障诊断技术的重要内容。v 滚动轴承的故障诊断可以对轴承的安装、维护等工作给以有益指导。1023498756一、滚动轴承的类型一、滚动轴承的类型0：双列角接触球轴承 1：调心球轴承 2：调心滚子轴承3：圆锥滚子轴承 4：推力球轴承 5：深沟球轴承6：角接触球轴承 7：推力调心滚子轴承 8：圆柱滚子轴承9：滚针轴承 内圈内圈与轴颈配合，一般随轴颈回转。 外圈外圈与轴承座配合，一般固定。 滚动体滚动体当内外圈

2、发生相对运动时，滚动体在滚道间滚动。 保持架保持架隔离相邻的滚动体。滚动轴承的组成滚动轴承的组成n向心轴承：向心轴承：主要承受径向载荷R 深沟球轴承 圆柱滚子轴承 调心球轴承n推力轴承：推力轴承：只能承受轴向载荷A 推力球轴承n向心推力轴承：向心推力轴承：R + A 角接触球轴承 圆锥滚子轴承各类滚动轴承的受力各类滚动轴承的受力二、滚动轴承的损伤形式二、滚动轴承的损伤形式形式损 伤 现 象 和 状 态剥落滚道面、滚动体产生层状剥离破损外环、内环、滚动体开裂保持架破损，凸缘破损压痕滚道面有按滚动体间隔的压痕滚道面、滚动体上其他压痕磨损滚道面、滚动体、保持架、凸缘等过度磨损配合面上出现磨粉的局部磨

3、损电蚀滚道面上产生搓板状凸凹，有变色胶合滚道面、滚动体产生胶着滚子端面和凸缘产生胶着烧损滚道面、滚动体、凸缘面变色、软化、熔化锈蚀轴承内部有锈蚀轴承轴承失效形式失效形式点蚀点蚀现象：现象： 滚道面或滚动体表面上有小坑和片状剥落原因：原因： 载荷过大 润滑不良 预载过大 间隙过小 轴承轴承失效形式失效形式压痕压痕现象：现象： 滚道面上有滚动体的压痕原因：原因： 装配不当 静载荷过大 冲击载荷过大 异物侵入 轴承轴承失效形式失效形式烧伤、胶合烧伤、胶合现象：现象： 滚道面变色、软化、熔合原因：原因： 转速过高 润滑不良 装配不当轴承轴承失效形式失效形式磨损磨损现象：现象： 滚道和滚动体磨损 出现红

4、、褐色磨粉原因：原因：异物侵入 润滑不良 装配不良 配合面有间隙，造成滑动磨擦轴承轴承失效形式失效形式破碎破碎现象：现象： 座圈开裂、滚动体裂开 出现红、褐色磨粉原因：原因：异物侵入 润滑不良 装配不良 配合面有间隙，造成滑动磨擦轴承轴承失效形式失效形式腐蚀腐蚀现象：现象： 配合面有红黑色锈斑 配合面有搓板状凸凹原因：原因：水份、腐蚀介质侵入 电流通过 配合间隙间的微振动三、滚动轴承故障诊断方法三、滚动轴承故障诊断方法n振动分析法振动分析法 噪声分析n温度测定温度测定n油液分析油液分析(磨屑分析)n其他物理方法 轴承间隙测定 油膜电阻测定 声发射分析法（AE） 光学纤维测定法各种诊断方法的对比

5、各种诊断方法的对比 损伤形式损伤形式各各 种种 诊诊 断断 方方 法法振动振动/声音声音温温 度度磨磨 屑屑轴承间隙轴承间隙油膜电阻油膜电阻剥剥 落落好好无无好好无无无无裂裂 纹纹好好无无有有无无无无压压 痕痕好好无无无无无无无无磨磨 损损好好有有好好好好好好电化学腐蚀电化学腐蚀好好有有好好好好好好污污 斑斑好好有有好好有有好好烧烧 伤伤好好好好有有无无好好锈锈 蚀蚀有有无无好好无无有有保持架破损保持架破损有有无无有有无无无无蠕蠕 变变有有有有有有无无无无在运行中测定在运行中测定可可可可不可不可不可不可可可各种诊断方法的灵敏度各种诊断方法的灵敏度故障信号强度故障信号强度灾害故障发展期初期故障期

6、正常使用期灾害故障期使用时间使用时间缺陷故障界限灾害故障界限缺陷剧烈发展界限振动分析灵敏度噪声分析灵敏度测温分析灵敏度四、滚动轴承的振动四、滚动轴承的振动由于轴承滚动元件的不圆度、粗糙度和波纹度而引起的随机振动。由于外力激励引起轴承元件的固有频率振动。轴承元件损伤后，引起的冲击和振动： 以损伤元件特有的频率振动。 以声发射形式释放能量（频率在60kHz以上）。轴承振动的典型时域波形轴承振动的典型时域波形故障轴承情形故障轴承情形新轴承情形新轴承情形轴承振动的典型频谱轴承振动的典型频谱低频 020kHz，各种故障频率范围中频 20kHz60kHz，元件共振频率范围高频 60kHz以上，声发射(AE

7、)范围轴承元件的固有频率轴承元件的固有频率 钢球的固有频率钢球的固有频率fbnE 材料的弹性模量 N/m2 材料的质量密度 kg/m3r 滚球的半径 mHz 2424.0bnErf轴承（内外）座圈固有频率轴承（内外）座圈固有频率frna 回转轴线到中性轴半径 mi共振阶数I 座圈绕中性轴的惯性矩 m4M 座圈单位长度的质量 kg/mHz 12) 1(222nr MEIaiiif轴承元件的固有频率轴承元件的固有频率轴承故障的特征频率轴承故障的特征频率外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环RRDdfRRDdfRDddDfRzRDdzfRzRDdzf6 . 0 )cos1 (2

8、14 . 0 )cos1 (21 cos)(16 . 0 )cos1 (24 . 0 )cos1 (2cico22bioD 节圆直径d 滚珠直径 接触角 z 滚珠数 R 轴的转速频率五、滚动轴承故障的振动诊断法五、滚动轴承故障的振动诊断法n简易振动诊断法n频谱分析法n倒频谱分析法n冲击脉冲法（Shock Pulse Method）n共振解调法（Incipient Failure Detection）n噪声分析法1. 简易振动诊断法简易振动诊断法n用某些振动的参数来判定轴承的工作状态。 n可用的参数如峰值指标、脉冲指标、峭度指标等。n参数用简易测振表测得，或算得。若干无量纲诊断参数若干无量纲诊断

9、参数指标名称定义敏感性稳定性波形指标波形指标Shape factor差好峰值指标峰值指标Crest Factor一般一般脉冲指标脉冲指标Impulse Factor 较好一般裕度指标裕度指标Clearance Factor好一般峭度指标峭度指标Kurtosis Value好差rmsmaxxxCfxxIfmaxrmaxxxCLf4rmsxKvxxSfrms表中： 平均幅值， 方根幅值， 峭度xrx峰值指标用于轴承诊断峰值指标用于轴承诊断n峰值指标Cf不受振动信号绝对大小的影响，适用于检测滚动面剥落与裂纹等故障，但不适于检测磨损。n峰值指标Cf 随故障发展变化趋势 I 初始阶段： Cf 5(变化不

10、大) II 局部故障发展： xmax, Cf 10 III 接近寿命终了： xrms , Cf 5rmsmaxxxCfIIIIIIxmaxxrmsxt用简易法诊断铁路货车轴承用简易法诊断铁路货车轴承*下表用正常参数归一化轴承状况轴承状况波形指标波形指标Sf峰值指标峰值指标Cf脉冲指标脉冲指标If裕度指标裕度指标CLf正正 常常1.284.185.406.50外圈损坏外圈损坏1.305.897.559.02滚子损坏滚子损坏1.529.7114.7519.05保持架坏保持架坏2.0111.3322.6532.62轴承状况轴承状况波形指标波形指标Sf峰值指标峰值指标Cf脉冲指标脉冲指标If裕度指标裕

11、度指标CLf正正 常常1111外圈损坏外圈损坏1.021.411.401.39滚子损坏滚子损坏1.192.322.732.93保持架坏保持架坏1.572.714.195.022. 振动频谱分析法振动频谱分析法经时域多段平均处理后:50.65Hz 轴的转频36.1Hz 保持架通过频率200.95Hz 外圈通过频率380.05Hz 滚动体通过频率轴轴承承振振动动频频谱谱时时域域平平均均频频谱谱某某焦化厂焦化厂备煤车间破碎机备煤车间破碎机轴承内圈滚道剥落故障轴承内圈滚道剥落故障轴承型号:22232(原3532)转速 N =740r/min (转频12.33Hz)外圈故障频率fe=94.966Hz内圈

12、故障频率fi=127.033Hz 大修时拆机验证,轴承内圈滚道有一块3015mm,深1mm的剥落坑。水平测点的频谱图3. 倒频谱分析法倒频谱分析法正常滚动轴承正常滚动轴承有故障滚动轴承有故障滚动轴承倒频谱图特征值:q19.470ms(105.60Hz) 滚珠故障频率q237.90ms(26.39Hz) 内圈故障频率轴承型号:N324(原2324) 转速N=740r/min(转频12.33Hz)外圈故障频率fo=69.52Hz内圈故障频率fi=103.15Hz倒频谱图69.156Hz拆机检查发现外圈滚道内有78条不同程度的压痕,其中四条较严重,约20mm宽,0.2mm深。频谱图波形图某某焦化厂焦

13、化厂备煤车间破碎机备煤车间破碎机外圈滚道压痕故障诊断外圈滚道压痕故障诊断4. 冲击脉冲法与共振解调法冲击脉冲法与共振解调法 冲击脉冲法冲击脉冲法 Shock Pulse Method 1969年瑞典SPM公司提出 利用共振解调波的幅值信息 诊断轴承的工作状态 共振解调法共振解调法 (早期故障检测法) Incipient Failure Detection 1974年美国波音公司提出 利用共振解调波的频域信息 诊断轴承的工作状态 精确诊断故障的部位共振解调的原理共振解调的原理 (1/4) 故障所产生的低频冲击脉冲,频率为数kHz以内,信号很微弱。 激起了传感器/电路的高频共振高频共振,频率数十倍

14、于冲击频率，信号大大加强。 用滤波器切去低频的信号。 对高频信号进行绝对值检波、 包络解调包络解调。 最后，获得一个频率对应于低频冲击，而又放大并展宽的故障信号，称为共振解调信号。共振解调的原理共振解调的原理 (2/4)不平衡微小的冲击不平衡放大了的冲击频谱图中难以发现微小的冲击冲击放大了，频率升高了冲击加速度计或共振电路不平衡轴承故障轴承故障不平衡共振响应高频共振高频共振(32kHz)不平衡轴承故障不平衡轴承故障滤波器的带宽共振解调的原理共振解调的原理 (3/4)滤波后仅存高频信号滤波后仅存高频信号0.1-0.10绝对值检波绝对值检波0.10 包络解调包络解调（峰值检波）0.10dBmdBc

15、时域时域 (SPM)频域频域时域（IFD）共振解调的原理共振解调的原理 (4/4)0.1共振解调信号共振解调信号的特点共振解调信号的特点n提高了故障信息的信噪比S/N。n剔除了低频振动信号的影响。n共振解调波中包含有反映轴承故障的各种信息。几种轴承故障分析仪几种轴承故障分析仪SPM 43A 脉冲冲击仪BEA 52A 电脑轴承分析仪C70D 轴承故障分析仪轴承工作状态分类轴承工作状态分类微小损伤损伤发展损伤明显破坏期轴承寿命(500050000小时）轴承寿命曲线轴承工作状态分类 35dB损坏损坏 dBM和dBC相差小于10dB，表明轴承润滑不良冲击强度增加1000倍时，轴承寿命结束轴承状态判断实

16、例轴承状态判断实例冲击脉冲值/dB 序号 诊断对象 dBC dBM 测值特征 状态判别 结果验证 1 电动机 尾部轴承 47 52 两值均较大，且数值接近 润滑不正常 润滑脂干涸，油质已发黑 2 风 机 前轴承 15 42 dBM较大，且比dBC大得多 轴承元件损伤 保持架断裂，内圈表面有凹坑和剥落 3 水泵轴承 38 56 dBM严重超标， 且与dBC相差大 轴承损伤严重 保持架松脱 4 电机轴承 35 45 dBM较大 轴承存在故障 内圈松动，并发生端部摩擦 5 C616 车床 主 轴 承 30 35 两值大小接近 轴 承 状 态 不良，润滑不好 质量不好的新轴承，影响加工质量 6 深井泵

17、 轴 承 30 32 两值相当接近 轴承润滑状态不良 油眼堵塞，清水进入轴承 某轧钢厂螺杆压缩机某轧钢厂螺杆压缩机 (1/2)轴承大面积道剥落故障轴承大面积道剥落故障 三台压缩机中，三号机的测点振动特别突出。 测得的信号中，机械和流体干扰大。频谱中看不出特征频率。 改用共振解调法，突出滚动轴承故障频率。水平水平 水平1机6.315102机1.83.32.73机401611各测点振动加速度峰值（g）某钢厂螺杆压缩机某钢厂螺杆压缩机 (2/2)2机的共振解调频谱3机的共振解调频谱1 fe2 fe3 fe4 fe1R 轴承型号:7315DF 转速N =1480r/min(24.7Hz) D =122

18、.5mm, d =22mm n =11, =10 外圈故障频率fe=108.75Hz 3机测点的共振解调频谱中，看到轴承外圈故障频谱及其谐波；而2机的频谱无特征频率。 拆机验证,轴承外、内圈和钢球均有大面积的剥落坑。共振解调后无故障谱直接采集的振动信号谱解体发现在可分离的外环上有2mm长、0.25mm深的小沟槽。共振解调后故障谱出现以25Hz为基础的多阶谱线GJW110输入轴半轴7613轴承差速器输入轴上轴承型号:7613输入轴转速:240r/min(4Hz)滚动体个数:15轴承平均直径:102.5mm滚动体平均直径:15mm压力角:13外环故障频率：25.72Hz驱动桥轴承故障的诊断驱动桥轴

19、承故障的诊断冲击脉冲的测取冲击脉冲的测取 (1/4) 必须用专用的加速度传感器测量 在受主要轴承力的部件上测量（一般测轴承座比测轴承盖为好） 测量方向可径向或轴向（这不同于振动）冲击脉冲的测取冲击脉冲的测取 (2/4) 测点要尽可能地靠近轴承 经过的界面越少越好冲击脉冲的测取冲击脉冲的测取 (3/4) 难以接触的重要测点可以预埋测试接棒制造商预埋的测试接棒冲击脉冲的测取冲击脉冲的测取 (4/4) 难以接触的重要测点也可以预埋传感器六、轴承运转声音的诊断六、轴承运转声音的诊断 设备运行时，轴承各部分都在运动，必然产生各种声响。 这些声响中，有的属于正常的声响，有的则属于异常声响。异常的声响是轴承

20、故障先兆，或是故障的发展，或故障已经形成。 因此，可以通过各种不同的声响，判断故障的性质和程度。 听声音可用人耳，或用听音棒、电子耳等工具。 诊断准确性很大程度上取决于人的经验。 运转平稳、轻快、无停滞现象。 发出“哗哗”声音，声音和谐，均匀连续而无间断，也而无任何杂音。说明轴承工作正常，润滑状态良好。轴承正常运转声音轴承正常运转声音“咝咝”的声音是轴承内缺少油脂所致。 正确的是油的粘度应高些，填充空隙在1/21/3之间。 润滑油面的高度一般不超过最低的一个钢球的中心线。(2)“咝咝、沙沙”的声音设备停机时间过长或是轴承径向间隙过小，形成不了良好的润滑油膜，应清洗调整。(3) “哗哗”的声音中

21、有周期性的“嗬罗，嗬罗”声音表明内外圈滚道出现伤痕、沟槽、锈蚀斑点等。轴承异常运转声音轴承异常运转声音（1/4）(4) “哽哽”声音，且不连续说明滚动轴承保持架或内外圈有裂纹，经过运转冲击，裂纹加深加大，是润滑不良所致。(5) “嚓嚓！”的声音，且不规则、不均匀则说明装配时或保养中掉入杂物，如铁屑、砂粒或润滑油不干净、加油时带入的杂质。(6) “沙沙”连续且不规则的声音有可能是内圈有轴配合过松，或外圈与轴承孔配合过松所致。轴承异常运转声音轴承异常运转声音（2/4）(7) “刺耳的啸叫”声音，且设备振动也较大是润滑不良，干摩擦，或滚动件局部接触过紧，内外滚道偏斜，轴承外圈配合过紧等引起。(8) “咯吧、咯吧！”的尖叫声说明滚珠或滚棒破裂，破坏了正常润滑所致。(9) “哐当、哐当！”的敲击声滑动轴承与轴之间的间隙过大，机器运转时，在交变力的作用下，轴在轴承中跳动，润滑油流失较快，不能形成适当的油膜所致。轴承异常运转声音轴承异常运转声音（3/4）(8) “咯吧、咯吧！”的尖叫声说明滚珠或滚棒破裂，破坏了正常润滑所致。(9) “哐当、哐当！”的敲击声滑动轴承与轴之间的间隙