机械设备故障诊断技术

1、 #如果滚动体是滚珠，其运转中不但有公转和h转，还会发生摇摆，因此，滚珠表而缺陷对滚道有时产生冲击，有时无冲击，从而会产生断续性故障信号。（6）保持架与内环或外环某处发生碰撞的频率：保持架与内环或外环某处发生碰撞的频率：保持架碰外环的频率为fBo/丿保持架碰内环的频率为fBi=|1+7rkcos1+%2、承受轴向力时轴承缺陷特征频率cos1+%内滚道缺陷外滚道缺陷滚珠缺陷保持架碰外环保持架碰内环外滚道缺陷滚珠缺陷保持架碰外环保持架碰内环1仁d22Ld/rsl-ycosa-A21D；n丿dfBol-cosafrfsi=4l+-cosafr式中，a为轴承的压力角。例：某204滚珠轴承,节圆直径Dm

2、=33.5mm,滚珠直径d=7.938mm,滚珠数Z=8,轴转速/?=3000/7min,压力角a=0。，如果每次只出现一处缺陷，试计算缺陷的重复频率。内滚道缺陷外滚道缺陷fo=q滚珠缺陷亠5(1+空2I33.5丿比Z冷内滚道缺陷外滚道缺陷fo=q滚珠缺陷亠5(1+空2I33.5丿比Z冷x50p.93lcosafr-=x501-D：rd2乙l+-cosaj/,.Z,d1cos0”d2x8=24739Hz33.5丿7.938233.52x8=152.61ftx仝-二99.58处7.938保持架碰外环fBo=1-AcosaV=|xfl-甞卜19.08处保持架碰内环fBi=-1+cosafr=-xf

3、l+-)=30.92/z2D”2I33.57.2.3滚动轴承的振动及其故障特征1、滚动轴承的时域波形特征（1）正常情况下，滚动轴承的振动时域波形有两个特点：一是无冲击，二是变化慢。（2）轴承元件发生异常时，就会产生冲击脉冲振动：冲击脉冲周期为基阶故障特征频率的倒数。冲击脉冲宽度在数量级，它将激起系统或结构的高频响应（固有振动），响应水平取决丁系统或结构的固有频率及阻尼的大小。对丁内环，由丁轴承径向间隙的存在，根据损伤和滚动体发生冲击的位置，响应振幅会受到调制，其调制波的频率为轴的旋转频率齐和振动体的公转频率九，其中最主要的还是通过频率对固有频率的脉冲调制。对丁外环，由丁损伤处的位置与承载方向之

4、间的位置关系是一定的，故无振幅调制现象。对丁滚动体，它与内环情况相当，其调制波的频率为九。（3）轴承偏心引起的振动：当轴承内环严重磨损或开裂时，轴的中心（即内环中心）便以外环中心为中心作振动，振动的频率成份为皿（二（4）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來承受载荷，因此具有“弹簧”的性质，这个“弹簧”的刚性很大，当润滑状态不良时,就会出现非线性弹簧性质的振动。轴向非线性伴生振动频率为轴的旋转频率齐，分数谐波及其高次谐波2力,3力,；而径向非线性伴生振动是窈的各JwX次谐波及齐的分数谐波成分。（5）不同轴引起的振动：当两个轴承不对中，轴承装配不良等都会引起低频振动。7.3滚

5、动轴承故障诊断方法7.3.1振动诊断法采用振动诊断法主耍有以下优点：（1）可以检测出各种类型轴承的异常现象；（2）在故障初期就可发现异常，并可在旋转中测定；（3）由丁振动信号发IT轴承本身，所以不需特别的信号源：（4）信号检测和处理比较简单。1、有效值和峰值判断法由丁有效值是对时间的平均，所以对具有表面皴裂无规则振动波形的异常，其测定值的变动小，可给出恰当的评价。但是，对表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。峰值是在某个时间内振幅的最大值。它对瞬时现象也可得出正确的指示値，特别对初期阶段轴承表面剥落，非常容易由峰值的变化检测出来。2、峰值指标法峰值指标是指峰値与有效值的比。如上所述

6、，由表面剥落或伤痕引起的瞬时冲击振动，峰値比有效值的反映灵敏，使用峰值指标正是利用峰值的该性质。一般來讲，正常轴承振动的峰值指标约为5,当轴承发生伤痕时，峰值指标有时会达到10o所以用该方法也较容易对滚动轴承的异常作出判断。3、振幅概率密度分析法概率密度分布的陡度心，把异常的程度数量化，然后根据心的大小判断轴承异常情况。x4p（x）dxax式中，X为瞬时幅值；“（X）为概率密度函数；q为标准偏差。一般来讲，对正常轴承，心的大小约为3;当剥落发生时，&将变大。与峰值指标类似。4、时序模型参数分析法常用的模型为H回归模型AR（7）,假设根据观测值忑（1,2,N）建立的模型为Xk=+02%2+%+a

7、k5、冲击脉冲法振动加速度的振幅大小是与异常程度成比例的，因此可以利用冲击波形的最大值耳，或冲击波形的绝对平均值细进行异常判断。当转速较低时（300r/min以下），平均值很小，据此进行异常与否判断则很困难，因此用最大值进行诊断。有时也用心/即來判断异常，卩/“卜|大表示轴承有损伤，心/你小则表示发生了润滑不良或磨损异常。6、包络法包络分析法是利用包络检波和对色络谱的分析，根据包络谱峰来识别故障。在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入解调器，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析即可获得功率谱。包络法不仅可根据某种高频固有振动的出现与否，判断轴承是否异常，而且可根据包络信号的频

8、率成分识别产生故障的元件（如内圈、外圈，滚动体）。包络法把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出來，从而避免与其他低频干扰的混淆，故有很高的诊断可靠性和灵敏度，是目前最常用、最有效地诊断滚动轴承故障的方法之一。7、高通绝对值频率分析法将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器后，再经过IkHz的高通滤波器，只抽出其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行频率分析，即可判明各种故障原因。7.4齿轮异常的基本形式及撮动特点7.4.1齿轮异常的基本形式1、齿面磨损2、齿面胶合和擦伤3、弯曲疲劳与断齿7.4.2齿轮振动及其特点1、齿轮的振动频率（1）齿轮振动的类型：齿轮在

9、运行过程中产生的振动是比较复杂的，由丁齿轮所受的激励不同，从而使齿轮产生的振动类型也不同。下面分别介绍各种类型振动产生的原因及其特征：第一，齿轮啮合过程中由丁周节误差、齿形误差或均匀磨损等都会使齿与齿之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。齿轮在此周期撞击力的激励下产生了以啮合频率为振动频率的强迫振动，频率范围一般在儿白到儿T赫内。第二，由丁齿轮啮合过程中轮齿发生弹性变形，使刚刚进入啮合的轮齿发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，丁是也会产生以啮合频率为频率的振动。对丁齿廓为渐开线的齿轮，在节点附近为单齿趴合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的周期函数，所产生的强迫振动与上述

10、第一种情况不同，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。第三，齿与齿之间的摩擦在一定条件下会诱发h激振动，主耍与齿面加工质量及润滑条件有关，H激振动的频率接近齿轮的固有频率。第四、齿与齿之间撞击是一种瞬态激励，它使齿轮产生衰减h由振动，振动频率就是齿轮的固有频率，通常固有频率在110kHz内。第五，齿轮、轴、轴承等元件由丁不同心、不对称、材料不均匀等会产生偏心、不平衡，其离心惯性力使齿轮轴系统产生强迫振动，振动的频率等丁轴的转动频率（一般在100Hz以内）及其谐频。第六，由丁齿面的周部损伤而产生的激励，其相应的强迫振动频率等丁损伤的齿数乘以轴的转动频率。综上所述，齿轮

11、的振动频率基本上可归纳为三类：即轴的转动频率及其谐频,齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮h身的各阶固有频率。而齿轮的实际振动往往是上述各类振动的某种组合。（2）齿轮各类振动频率的计算：齿轮及轴的转动频率齐f_N口式中，N为齿轮及轴的转速（r/min）o齿轮的啮合频率几：对丁定轴转动的齿轮有Nfm=Zi60式中，Z,为第i个齿轮的齿数，N：为第i个齿轮的转速（r/min）o对丁有固定齿圈的行星轮系有fm=Zr（NrNc）/602、齿轮振动频谱的特点齿轮振动的边频带谱：齿轮在运行中无论齿轮发生异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，既调幅乂调频。齿轮振动的频谱图是非常

12、复杂的，除了有明显表示啮合频率的谱线和啮合频率的高阶谐频的谱线外，还有许多按一定规律分布的小谱线，这就是在齿轮振动的频谱图中常见的边频带谱。它是由丁儿种动载同时作用在齿轮上，使其同时产生儿种振动，它们相互叠加产生调制的结果。通常载频为啮合频率及其高阶谐频或其他高频成分，而轴的转动频率及其高阶谐频则为调制频率。齿轮发生故障时，啮合频率的振动成分或轴的转动频率及谐频的振动成分随之发生显著的变化。因此,如果能从齿轮振动的边频带谱中分析出载频或调制信号的频率，对丁分析齿轮的故障将十分有用。振动信号的调制原理：齿轮振动信号既有幅值调制乂有频率调制，这两种调制在频谱图中均表现为在啮合频率及其谐频的两侧各有

13、一簇边频带，各边频带的间隔即是调制信号的频率。下而以幅值调制为例简述产生边频带的原理。幅值调制就是载频的时域信号幅值受到调制信号的调制。若载频是啮合频率仁，其时域信号用x(/)表示，调制信号为余弦函数cos2矶/或正弦函数sin17ifot(f0即是调制信号的频率)则幅值调制信号为%(/)cos20r或x(r)sin2矶f。根据傅里叶变换的性质，我们有尸|x(f02叫二fx(/)(cos2叭t+jsin2or)=X(fm-f0)尸同”八叫二Fx(r)(cos2观f-Jsin2矶f)=X(fm+/0)上两式相加得耳讹)心2曲二*X(九-/o)+X(九+/o)i上两式相减得Fx(f)cos2丽二X

14、(九-知-X(九+/o)丿所得两式表明：时域中的幅值调制(相乘)在频域中反映为频移，即原载频的谱线九的位置移动了人，而且由调前的一条谱线九变为两条谱线(九厂/o,九+/o),分布在原谱线九勺两侧，形成边频带。齿轮振动中的调制信号一般不是正弦信号或余弦信号，而是以一定周期变化的脉冲信号。从振动分析中得知，脉冲信号可以看成是一系列简谐信号的组合。齿轮局部缺陷激发的是窄脉冲，其频谱在较宽的频率范围内具有相等而较小的幅値；若齿轮的缺陷是连续的，则激发的脉冲较宽，频谱的频带窄且幅值衰减较快。因此，这两种缺陷的边频带有明显的差别：前者的边频带范围宽而幅値小且变化平缓：而后者的边频带窄，集中丁载频谱线附近、

15、幅值较大而衰减较快。这样，就可根据这两种故障的时域波形或频域边频带加以区别。频率调制就是载频信号受到调制信号的调制后，变成变频信号。齿轮由丁齿间距误差或载荷发生周期性变化而产生振动时，不但有幅值调制,同时也有频率调制。频率调制波的频谱也是在载频（如九）谱线的两侧产生等间隔的边频带，边频带的间隔/o就是调制信号（往往是与齿轮故障有关的信号）的频率。由丁幅値调制与频率调制的边频都相同，所以在频谱图中这两种调制的边频带是重叠的。对丁同一频率的边频带谱线，如果两者的相位相同，则它们的幅值相加；两者的相位相反时，则它们的幅値相减。所以载频谱线两侧的边频带的分布一般是不对称、不规则的。齿轮振动时，由丁各种

16、因素的影响往往既有以啮合频率为基频的振动，乂有它的高阶谐频分量；而轴的转动频率也常有高阶谐频分量。齿轮振动的各调制边频可用下式表示局=Pfm呱Nfr2式中，九|为齿轮副的啮合频率；/小/亡为主动齿轮、被动齿轮的转动频率：P=1,2,3,为啮合频率各阶谐频的序数：77=1,2,3,分别为主、被动齿轮转动频率的各阶谐频的序数。（3）齿轮振动频谱图的组成成分：齿轮振动频谱图的谱线一般有下列儿种：一是齿轮的转动频率及其低阶谐频。它主要是由丁转轴对中不良、轴变形、零部件松动等原因引起，使齿轮在运转过程中产生附加脉冲。二是齿轮的啮合频率及其谐频、边频带。如前所述，这些振动成分是由齿形误差、齿面损伤等原因引

17、起的。三是齿轮副的各阶固有频率。它是由丁齿轮啮合时齿间撞击（往往是由故障所致）而引起的齿轮h由衰减振动。从振动波形曲线上看，它是衰减曲线，在振动频谱图中，它们位丁高频区，幅值较小，易被噪声信号淹没。四是齿轮加工机床分度齿轮的啮合频率及其谐波（称为隐含成分）。其谱线往往在啮合频率的附近。这是由丁当齿轮加工机床分度齿轮的误差较大时，影响到被加工齿轮的齿形精度而引起的振动。此种谱线并非所有齿轮的振动频谱图中都是明显的，因为即使加工机床的分度误差较大，但当齿轮经过一段时间的运转后,其分度误差的影响会由丁齿面磨损而减少，其对应谱线的幅值也就随之变小。不过可利用此种谱线了解齿轮磨合、磨损的程度。7.5齿轮

18、故障分析方法7.5.1频谱分析法1、频率细化分析技术用振动频谱的边频带进行齿轮的故障诊断时必须耍有足够的频率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。2、倒频谱分析对丁同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图，由丁每对齿轮啮合都将产生边带谱，儿个边频带谱交义分布在一起，仅进行频率细化分析是不行的，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，使监测者便丁观察，而齿轮有故障时的振动频谱具有的边频带恰是具有等间隔（故障频率）的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中肉眼难以辨识的周期性信号。3、瀑布图分析法7.5.2时域诊断应用时域同步平均法可从复杂的振动信号中分离出与参考脉冲频率相等的最低周期成分以及它的各阶谐波成分。此法应用丁齿轮箱的故障诊断时，可从总的振动信号中提取出感兴趣的那对啮合齿轮的振动信号，而把