第7章-滚动轴承故障诊断课件

第七章滚动轴承故障诊断主讲：王林鸿教授、博士机械与汽车工程学院第七章滚动轴承故障诊断主讲：王林鸿教授、博士1滚动轴承故障诊断的特点滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之一，也是最易损坏的零件；滚动轴承有着表面光滑、尺寸精密的滚道，因而早期故障的振动信号非常微弱。常常淹没在轴与齿轮的振动信号中；因此找出并识别其故障特征就成为滚动轴承诊断的主要任务。滚动轴承故障诊断的特点滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之2概述滚动轴承的组成外圈内圈滚动体保持架按承载方向分类向心轴承推力轴承向心推力轴承概述滚动轴承的组成3概述滚动轴承的安装冷压法和热套法压力机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等滚动轴承的拆卸使用专门的拆卸工具概述滚动轴承的安装47．1滚动轴承的失效形式疲劳；磨损；腐蚀；塑变；断裂；胶合。7．1滚动轴承的失效形式疲劳；5疲劳剥落原因内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑后果造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧内圈疲劳失效外圈疲劳失效疲劳剥落原因内圈疲劳失效外圈疲劳失效6疲劳剥落是轴承失效的主要形式一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命滚动轴承的额定寿命在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命终结同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故障可以合理利用轴承的寿命疲劳剥落是轴承失效的主要形式7磨损原因尘埃、异物的侵入润滑不良后果轴承游隙增大，表面粗糙度增加轴承运转精度降低，振动和噪声增大磨损原因8锈蚀原因水分或酸、碱性物质的侵入轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝结电流通过，引起电火花而产生电蚀后果高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常工作锈蚀原因9塑性变形原因：轴承受到过大的冲击载荷或静载荷硬度很高的异物侵入后果：运转过程中产生剧烈的振动和噪声压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落塑性变形原因：10胶合原因:在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，使一个表面上的金属粘附到另一个表面上后果:出现压痕，产生剥落区胶合原因:11保持架损坏原因：由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形后果：保持架和滚动体之间的摩擦增大，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏保持架损坏12断裂原因：过高的载荷可能引起轴承零件断裂金属材料有缺陷和热处理不良转速过高，润滑不良后果：轴承出现裂纹，加速劣化断裂原因：13常见故障原因综述装配不当润滑不良腐蚀水分和异物侵入征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域过热征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火硬度降低导致轴承承重降低和早期失效严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能过载引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）常见故障原因综述装配不当147．2滚动轴承的振动机理与信号特征

滚动轴承的时域信号图7－1滚动轴承振动的时域信号

(a)新轴承的振动波形(b)表面劣化后的轴承振动波形7．2滚动轴承的振动机理与信号特征图7－1滚动轴承振动的15滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载刚度会有变化，引起轴心的起伏波动当滚动体处于载荷下非对称位置时,有水平分力。滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系轴承刚度变化引起的振动

（必振无疑）滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载16在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工面的波纹度滚动体大小不均匀引起轴心摆动轴承的装配制造原因引起的振动轴承的装配制造原因引起的振动172.由滚动轴承的运动副引起的振动（计算特征频率）

滚动轴承的特征频率完全可以根据轴承元件之间滚动接触速度关系通过计算得到。计算特征频率值往往与测量数值十分接近，所以在诊断前总是先算出这些值，再与测量值比较，作为诊断的依据。2.由滚动轴承的运动副引起的振动（计算特征频率）18几何参数Z—滚珠个数d—滚珠直径D—轴承滚道节径β—接触角r1—内圈滚道半径r2—外圈滚道半径滚动轴承的特征频率几何参数滚动轴承的特征频率19滚动轴承的特征频率保持架旋转频率滚动体的公转频率滚动体通过外圈一点的频率滚动体通过内圈一点的频率内圈旋转频率内外圈相对旋转频率滚动轴承的特征频率保持架旋转频率滚动体的公转频率滚动体通过外20内圈故障频率：fi

=0.6×z×fr

外圈故障频率：fo

=0.4×z×fr

保持架故障频率：fc

=0.381~0.4×fr滚动体故障频率：fb

=0.23×z×fr(z<10)fb

=0.18×z×fr

(z>10)外圈与保持架关系：fo

=z×fc

外圈与内圈关系：fo+fi

=z×fr故障频率经验公式(fr为转频；z为滚动体个数)滚动轴承的特征频率fifofbfrfc故障频率经验公式(fr为转频；z为滚动体个数)滚动21滚动轴承的特征频率关于特征频率的几点说明：公式计算时假设外圈与轴承座没有相对运动实际频率与上述理论计算值会有出入，所以在谱图上寻找各特征频率时应找其近似值来判断公式是指“一个剥落坑”时，若有n个剥落坑，仍是此公式特征频率都是轴工作转速的非同步频率内圈故障频率：fi

=0.6×z×fr

外圈故障频率：fo

=0.4×z×fr

保持架故障频率：fc

=0.381~0.4×fr滚动体故障频率：fb

=0.23×z×fr(z<10)fb

=0.18×z×fr

(z>10)滚动轴承的特征频率关于特征频率的几点说明：22图7－4滚动轴承内缺陷所激发的振动波形3.滚动轴承早期缺陷所激发的振动特征第一类振动是以特征频率进行的冲击振动；第二类振动是被每一个脉冲激发的以轴承元件固有频率的衰减振荡。

图7－4滚动轴承内缺陷所激发的振动波形3.滚动轴承早期缺23滚动体产生损伤时，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击振动滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为n×fb的冲击振动有径向间隙时，根据损伤部位与内圈或外圈发生冲击接触的位置不同，会发生以保持架旋转频率fc进行振幅调制的情况。轴承滚动体故障滚动体产生损伤时，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击24

内滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，若滚动轴无径向间隙，会产生频率为n×fi的冲击振动通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据损伤部分与滚动体发生冲击接触的位置不同，振动的振幅会发生周期性的变化，即发生振幅调制。轴承内圈故障内滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，若滚动轴无径向间隙25

外滚道产生损伤时，在滚动体通过时也会产生冲击振动由于损伤的位置与载荷方向的相对位置关系是一定的，所以不存在振幅调制的情况轴承外圈故障外滚道产生损伤时，在滚动体通过时也会产生冲击振动轴承外圈故26

滚动轴承如果存在润滑不良造成的干磨擦故障，在时域波形中会出现削波现象轴承摩擦滚动轴承如果存在润滑不良造成的干磨擦故障，在时域波形中会出27随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升，振动信号呈现较强的随机性峰值与RMS值的比值从5左右逐渐增加到5.5～6轴承磨损时振动加速度轴承磨损随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升，振动信号呈28轴承出现偏心，当轴旋转时，轴心便会绕外圈中心摆动严重磨损导致轴承偏心严重磨损导致轴承偏心29在A点以前，振动加速度略微下降，温度缓慢上升A点之后振动值急剧上升，而温度却还有些下降，这一段轴承表面状态已恶化在B点之前，轴承中已有明显的金属与金属的直接接触和短暂的滑动B点之后有更频繁的金属之间直接接触及滑动，润滑剂恶化甚至发生炭化，直至发生胶合

从图中可以看出，振动值比温度能更早地预报胶合的发生，由此可见轴承振动是一个比较敏感的故障参数胶合振动温度在A点以前，振动加速度略微下降，温度缓慢上升胶合振动温度30当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲钢球冲击过程在碰撞点产生很大的冲击加速度(a图和b图)，大小和冲击速度成正比构件变形产生衰减自由振动(c图)振动频率取决于系统的结构，为其固有频率(d图)振幅的增加量A也与冲击速度成正比疲劳剥落损伤a当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会因为碰撞而产生31疲劳剥落故障轴承的振动信号T取决于碰撞频率，T=1/f碰疲劳剥落损伤

疲劳剥落故障轴承的振动信号疲劳剥落损伤

327．3滚动轴承信号分析方法（测试特征频率）

图7－5滚动轴承的振动频谱7．3滚动轴承信号分析方法（测试特征频率）33故障信号三频段（三座大山）a).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。因为轴的故障信号、齿轮的故障信号也在这个频段，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：位于Ⅱ区，这个频段的信号是轴承故障所激发的轴承自振频率的振动。c).超高频段：位于Ⅲ区，它们是轴承内微裂纹扩张所产生的声发射超声波信号。故障信号三频段（三座大山）a).低频段：在8kHz以下，滚34分析谱带的选择低频段低频率段指1kHz以下的频率范围一般可以采用低通滤波器（例如截止频率fb≤1kHz）滤去高频成分后再作频谱分析此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反映故障的频率成分在低频段的能量很小。因此，信噪比低，故障检测灵敏度差中频段

中频段指1k～20kHz频率范围使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除机械干扰；用信号的峰值、RMS值或峭度指标作为监测参数使用带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，用通带内的信号总功率作为监测参数分析谱带的选择低频段35分析谱带的选择高频段高频率段指20～80kHz频率范围轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊断非常有效瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国首创的IFD法就是利用这个频段分析谱带的选择高频段36测点的选择测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好应尽量考虑在水平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行振动检测止推轴承测点的选择测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传37滚动轴承故障信号分析方法1．有效值与峰值判别法有效值：可以用有效值作为轴承异常的判断指标。峰值：有效值指标对具有瞬间冲击振动的异常是不适用的。因为冲击波峰的振幅大，并且持续时间短，用峰值比有效值更适用。2．峰值系数法正常时，滚动轴承的峰值系数约为5，当轴承有故障时，可达到几十。滚动轴承故障信号分析方法1．有效值与峰值判别法383．峭度指标法峭度指标Cq对信号中的冲击特征很敏感，正常情况下其值应该在3左右，如果这个值接近4或超过4，则说明机械的运动状况中存在冲击性振动。当轴承出现初期故障时，有效值变化不大，但峭度指标值已经明显增加，达到数十甚至上百，非常明显。它的优势在于能提供早期的故障预报。当轴承故障进入晚期，由于剥落斑点充满整个滚道，峭度指标反而下降。也就是对晚期故障不适应。3．峭度指标法394．冲击脉冲法（SPM）冲击脉冲法是利用轴承故障所激发的轴承元件固有频率的振动信号，经加速度传感器的共振放大、带通滤波及包络检波等信号处理，所获得的信号振幅正比于冲击力的大小。在冲击脉冲技术中，所测信号振幅的计量单位是dB。测到的轴承冲击dBi值与轴承基准值dB0相减（dB0是良好轴承的测定值）。dBN=dBi－dB0冲击脉冲计的刻度就是用dBN值表示的。轴承的状况分为三个区：（0～20）dBN表示轴承状况良好（20～35）dBN表示轴承状况已经劣化，属发展中的损伤期（35～60）dBN表示轴承已经存在明显的损伤。4．冲击脉冲法（SPM）40图7—6共振解调法的信号变换过程5．共振解调法共振解调法也称为包络检波频谱分析法，是目前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一。基本原理可用图7—6所示信号变换过程中的波形特征来说明。图7—6共振解调法的信号变换过程5．共振解调法41图7－7两种信号处理方法比较频谱分析法与共振解调法的比较图7－7两种信号处理方法比较频谱分析法与共振解调法的比较426．频谱分析法

将低频段测得振动信号，经低通抗叠混滤波器后，进行FFT快速富里叶变换，得到频谱图。

根据各项计算特征频率，在频谱图中找出其对应值、观察其变化，从而判别故障的存在与部位。

图7－8故障轴承与完好轴承的频谱图对比a)故障轴承

b)完好轴承6．频谱分析法图7－8故障轴承与完好轴承的频谱图对比437.倒频谱分析法对于一个复杂的振动情况，其谐波成分更加复杂而密集，仅仅去观察其频谱图，可能什么也辨认不出。利用倒谱分析方法，对功率谱上的周期分量进行再处理，找出功率谱上不易发现的问题。处理过程：离散信号序列{xi}FFT变换功率谱S{f}求对数lgS(f)求逆傅里叶变换F-1{lgS(f)}得到倒谱C(τ)C(τ)=F-1{lgS(f)}7.倒频谱分析法离散信号序列{xi}FFT变换功率谱S{f44图7－9倒频谱分析的有效性示意图倒谱分析示例图7－9倒频谱分析的有效性示意图倒谱分析示例458、波形因数诊断法波形因数：峰值与均值之比（脉冲指标）当波形因数值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而波形因数小时，则有可能发生了磨损8、波形因数诊断法469、概率密度诊断法无故障轴承：典型正态分布曲线有故障轴承：概率密度曲线可能出现偏斜或分散9、概率密度诊断法47典型的轴承故障发展过程润滑分析感官振动分析声发射检测典型的轴承故障发展过程润滑分析感官振动分析声发射检测48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，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，而是按49轴承故障发展的四个阶段I.初始阶段噪声正常温度正常可以用超声，振动尖峰能量，声发射测量出来，轴承外环有缺陷振动总量比较小，无离散的轴承故障频率尖峰剩余寿命大于10％II.第二阶段噪声略增大温度正常超声，声发射，振动尖峰能量有大的增加，轴承外环有缺陷，振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)对数刻度频谱上可清楚看到轴承故障频率，线性刻度频谱上难得看到，噪声地平明显提高剩余寿命5％轴承故障发展的四个阶段I.初始阶段50轴承故障发展的四个阶段III.第三阶段可听到噪声温度略升高非常高的超声，声发射，振动尖峰能量，轴承外环有故障振动加速度总量和振动速度总量有大的增加

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振动频谱噪声地平明显提高剩余寿命小于1％IV．第四阶段噪声的强度改变温度明显升高超声，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

较低的轴承故障频率占优势的振动尖峰，振动频谱中噪声地平非常高剩余寿命小于0.2％轴承故障发展的四个阶段III.第三阶段51Stage1Stage2Stage3Stage4noapparentchangeontypicalvelocityspectrumdefect’sharmonicfrequenciesappeardefect’sfundamentalfrequenciesalsoappearandmayexhibitsidebandsdefect’sharmonicfrequenciesdevelopmultiplesidebands(haystack),fundamentalfreqs.growandalsodevelopsidebandsdefect’s“fund.”frequencyrangedefect’s“harmonic”frequencyrange轴承故障四个阶段的频谱Stage1Stage2Stage3Stage4no52轴承失效的九个阶段：第I阶段频率范围在20KHz～60KHz之间或更高普通的频谱上不会出现任何指示峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音频测量仪器轴承失效的九个阶段：第I阶段频率范围在20KHz～6053轴承失效第II阶段在共振（固有）频率处发出铃叫声。共振频率还作为载波频率调制轴承的故障频率。

轴承失效第II阶段在共振（固有）频率处发出铃叫声。共振频率还54轴承失效第III阶段出现轴承故障频率当轴承磨损进一步加剧，峰值将随着时间线性增加轴承失效第III阶段出现轴承故障频率55轴承失效第IV阶段故障频率将产生谐波，这表明发生了一定程度的冲击故障频率的谐波有时会比基频峰更早被发现同时，时域波形中也会出现冲击脉冲显示轴承失效第IV阶段故障频率将产生谐波，这表明发生了一定程度的56轴承失效第V阶段出现更多轴承故障谐波，由于故障自身的性质，还会出现边频带时域波形上的尖峰波将更加清晰和明显高频率轴承检测，如峰值能量和冲击脉冲趋势持续上升能够从频谱中看到谐波，特别是边带后，轴承磨损就已经能够用肉眼观察到了轴承失效第V阶段出现更多轴承故障谐波，由于故障自身的性质，还57轴承失效第VI阶段1X幅值增大，并出现1X的谐波，这是由于磨损引起间隙增大的结果轴承失效第VI阶段1X幅值增大，并出现1X的谐波，这是由于磨58轴承失效第VII阶段故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作“干草堆”。还能听到轴承发出的噪声。高频率的轴承测量值可能会逐渐减少。如果有下降趋势，不要以为是出现好转，而应该尽快去定购用来更换的轴承了！轴承失效第VII阶段故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作59轴承失效第VIII阶段频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着松动的增加而增大。高频率轴承测量值趋势可能会继续降低，重要的是整个噪声水平都在上升。能清晰的听到轴承发出的声音。预示着轴承即将报废。轴承失效第VIII阶段频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着60轴承失效第IX阶段这个阶段频谱会变平，机器已经不能运转了！

轴承失效第IX阶段这个阶段频谱会变平，机器已经不能运转了！61解调频谱与轴承故障当轴承破坏第七或第八阶段时，噪声水平将上升到接近波峰。这预示着轴承即将完全失效！严重故障时，峰值将高出噪声水平20dB（100X）损坏程度较低时波峰将非常小解调频谱与轴承故障当轴承破坏第七或第八阶段时，噪声水平将上升62解调谱与常规频谱振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息，并且可跟踪轴承故障发展，在第二，三和第四阶段中以不同的信息反映轴承不同的故障状态。同时采用振动速度或振动加速度检测常规振动频谱可以在滚动轴承故障发展的第三阶段有效地检测到轴承的故障频率(内环故障BPFI，外环故障BPFO，滚动体故障BSF和保持架故障FTF)等。振动解调和振动速度或振动加速度相结合可以有效地早期检测滚动轴承的故障。解调谱与常规频谱振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测63解调谱/常规谱结合用于轴承故障监测解调频谱作为一个早期指示故障的测量参数检查常规频谱和解调频谱：都没有故障频率，状态良好，作为基线继续监测只在解调频谱存在故障频率，早期故障指示，或需要润滑在两种频谱中都存在谱峰值，计划下一次维修更换轴承只在常规频谱中存在峰值，同时在解调频谱中噪声水平升高，立即更换解调谱/常规谱结合用于轴承故障监测解调频谱作为一个早期指示故64用振动频谱没有检测出

第一阶段轴承故障

用振动解调谱检测出

第一阶段轴承故障用振动频谱没有检测出

第一阶段轴承故障用振动解调谱检测出

65速度谱解调谱轴承外圈故障速度谱解调谱轴承外圈故障66

轴承外圈有缺陷时，在解调频谱上可见轴承外圈缺陷频率BPFO及其高次谐波，如果外圈转动的轴承，可能出现其转速频率的边频。轴承外圈故障的解调频谱特点轴承外圈缺陷轴承外圈缺陷解调谱轴承外圈有缺陷时，在解调频谱上可见轴承外圈缺陷频率BPF67

轴承内圈有缺陷时，在解调频谱上可见轴承内圈缺陷频率BPFI及其高次谐波，对内圈转动的轴承，可能出现其转速频率的边频。轴承内圈故障的解调频谱特点轴承内圈缺陷轴承内圈缺陷解调谱

调制的原因：当内圈出现故障时，如果它位于加载区域时，产生的冲击会更加剧烈，从而产生更高的振幅。当内圈故障位置移出加载区后，其振幅又会降低，并在轴承顶部达到最小值。在这种情况下内圈的故障频率被（内圈的）旋转频率所调制，可以在频谱中看到1X边频带出现。轴承内圈有缺陷时，在解调频谱上可见轴承内圈缺陷频68轴承内圈故障的解调频谱举例轴承内圈故障的解调频谱举例69

轴承滚动体有缺陷时，在解调频谱上可见轴承滚动体缺陷频率BSF及其高次谐波，以及出现转速频率的边频；此外，由于滚动体对外圈的碰撞强于对内圈的碰撞，在解调谱上还会存在BSF的半谐波。轴承滚动体故障的解调频谱特点轴承滚动体缺陷轴承滚动体缺陷解调谱

如果滚珠故障也会产生调制。当滚珠运转在载荷区会产生比运转在非载荷区更强烈的冲击。越接近载荷区，振幅越高。滚珠沿轴承以保持架频率FT滚动。该频率低于1X，大约等于0.4X。轴承滚动体有缺陷时，在解调频谱上可见轴承滚动体缺陷频70

轴承保持架有缺陷时，在解调频谱上可见轴承保持架缺陷频率FIF及其高次谐波；此外，由于轴承润滑不良也会引起保持架与滚动体的直接接触而出现保持架缺陷频率。轴承保持架故障的解调频谱特点轴承保持架缺陷轴承保持架缺陷解调谱轴承保持架有缺陷时，在解调频谱上可见轴承保持架缺陷频71图7－26吐丝机传动简图7．4滚动轴承故障诊断案例例7-4：2006年6月27日，安阳钢铁公司高速线材轧制线上的吐丝机Ⅱ轴发生轴承碎裂事故，被迫停产检修。事后检视在线故障诊断监测系统，发现早在4月13日时域峰值指标状态监测已经发出红色警报。图7－26是吐丝机传动简图。

作为事后调查，欲对所有故障监测指标作一下回顾，以便认识哪些指标对这类故障信息敏感。所以将各项时域监测指标列举分析如下：图7－26吐丝机传动简图7．4滚动轴承故障诊断案例例721、时域指标趋势分析

(1)Φ6.5钢吐丝机a35测点峰值趋势图由图7－27可见，在2～6月份轧Ф6.5钢时，吐丝机a35测点时域峰值从4月13日（50m/s²）开始有所上升，到4月25日达到85m/s²，此后到5月6日已达到260m/s²以上，并且到吐丝机轴承出现损坏事故前在线系统一直连续出现红色警报（均在200m/s²以上）。图7－27峰值趋势图1、时域指标趋势分析(1)Φ6.5钢吐丝机a35测点峰值73(2)轧Φ6.5钢吐丝机a35水平测点峰值系数趋势图

由图7－28可见，在2～6月份轧Ф6.5钢时，吐丝机a35水平测点峰值系数在4月13日之前维持在5以下，到4月16日达到10，此后到5月25日之间一直维持在6.5以上，轴承在正常状态下的峰值系数为5左右，说明吐丝机在4月13日时已有故障隐患了，到5月25日后吐丝机a35测点峰值系数又降到5以下，说明此时轴承到已经损坏了。图7－28峰值系数趋势图(2)轧Φ6.5钢吐丝机a35水平测点峰值系数趋势图图7－74(3)轧Φ6.5钢吐丝机a35测点峭度指标趋势图由图7－29可见，在2～6月份轧Ф6.5钢时，吐丝机a35测点峭度在4月13日之前维持在5以下，到4月16日达到14，此后到5月25日之间一直维持在6.5以上，轴承在正常状态下的峭度为3左右，说明吐丝机在4月13日（9.4）时已有故障隐患了，到5月25日后吐丝机a35测点峭度又降到5以下，说明此时轴承到已经损坏了。由以上分析可见，从峰值、峰值系数、峭度三个时域指标都可看出吐丝机轴承在4月13日时已有故障隐患了，在5月初到5月25日是轴承逐渐损坏时期，若在这个时期能够对吐丝机进行必要的检查，就可避免6月27日轴承碎裂事故的发生。图7－29峭度指标趋势图(3)轧Φ6.5钢吐丝机a35测点峭度指标趋势图图7－29752、频域指标趋势分析

轧Φ6.5钢吐丝机II轴轴频幅值趋势图

由图7－30可见，在2～6月份轧Ф6.5钢时，吐丝机II轴转动频率的幅值在4月24日之前维持在0.25m/s2以下，4月24日开始上升，达到0.4m/s2，到5月6日达到9.659m/s2，此后到6月27日之间一直维持在8.5m/s2以上，6月6日最高达到30.82m/s2，说明吐丝机在4月24日（0.4）时已有故障隐患了，到5月6日幅值发生突变，增大了20多倍，说明此时吐丝机轴承已经损坏了。图7－30II轴轴频幅值趋势图2、频域指标趋势分析轧Φ6.5钢吐丝机II轴轴频幅值趋势图763、谱图分析(1)a35测点正常时的时域波形及频谱图（轧Φ6.5钢）图7－31(a)

吐丝机06年3月9日19：00时域波形图3、谱图分析(1)a35测点正常时的时域波形及频谱图（轧Φ677图7－31(b)

吐丝机06年3月9日19：00频域波形图图7－31(b)吐丝机06年3月9日19：00频域波形图78特征频率表1

特征频率表1（图7－31轧φ6.5钢时转速：1071r/min）吐丝机a35测点谱图数据)

图7－31显示为吐丝机3月9日19：00的时域和频域波形图，吐丝机II轴（高速轴）转动频率的振幅为0.151m/s²，并且II轴轴频的2、5、7倍频的振幅较为突出（见特征频率表1），这时II轴已有轻微松动故障了。由于振幅相对很低，不易看出。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差（Hz）相对误差%可信度%故障部位及性质分析129.29730.6650.1511.3684.4690II轴转动频率258.59461.330.9482.7364.46902×II轴转动频率392.77391.9950.630.7780.851003×II轴转动频率4151.367153.3251.1791.9581.281005×II轴转动频率5205.078214.6551.9169.5774.46907×II轴转动频率特征频率表1特征频率表1（图7－31轧φ6.5钢时转速79(2)．a35测点峰值明显上升时的时域波形及频谱图(轧Φ6.5钢)图7－32(a)

吐丝机06年4月25日4：00时域波形图(2)．a35测点峰值明显上升时的时域波形及频谱图(轧Φ6.80图7－32(b)

吐丝机06年4月25日4：00频域波形图图7－32(b)吐丝机06年4月25日4：00频域波形图81特征频率表2

特征频率表2（图7－32轧φ6.5钢时转速：1052r/min）吐丝机a35测点谱图数据)

图7－32显示为吐丝机4月25日4：00的时域和频域波形图，吐丝机II轴（高速轴）转动频率的振幅为0.386m/s²，并且II轴轴频的2、5、7倍频幅值较为突出（见特征频率表2），与3月9日波形图相比，II轴（高速轴）轴转动频率的振幅上升了2倍多，且II轴转动频率的2、5、7倍频幅值也相对上升了，表明吐丝机II轴松动故障在逐渐加重。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差（Hz）相对误差%可信度%故障部位及性质分析129.29730.1210.3860.8242.73100II轴转动频率258.59460.2421.0261.6482.731002×II轴转动频率387.89190.3630.6392.4722.731003×II轴转动频率4151.367150.6050.9480.7625.06905×II轴转动频率5205.078210.8472.2265.7692.731007×II轴转动频率特征频率表2特征频率表2（图7－32轧φ6.5钢时转速：82(3)．a35测点峰值上升非常大时的时域波形及频谱图(轧Φ6.5钢)图7－33吐丝机06年5月6日10：00时域和频域波形图(3)．a35测点峰值上升非常大时的时域波形及频谱图(轧Φ683特征频率表3

特征频率表3（图7－33轧φ6.5钢时转速：1063r/min）吐丝机a35测点谱图数据)

图7－33显示为吐丝机5月6日10：00的时域和频域波形图，吐丝机II轴（高速轴）转动频率的振幅为9.659m/s²，并伴有II轴转动频率的2、3倍频振幅较为突出（见特征频率表3），与4月25日波形图相比，II轴（高速轴）轴转动频率振幅上升了20多倍，且II轴转动频率的2、3倍频振幅也相对上升了，表明吐丝机II轴上轴承已经损坏了。这个时间距轴承破碎还有40多天，而且频谱图上已有极明显的故障征兆。低频段升高20倍，使高频振幅都压下去了。在此期间处理，完全可以避免事故发生。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差（Hz）相对误差%可信度%故障部位及性质分析129.29730.4369.6591.1393.74100II轴转动频率258.59460.8723.5212.2783.741002×II轴转动频率387.89191.3082.7733.4173.741003×II轴转动频率特征频率表3特征频率表3（图7－33轧φ6.5钢时转速：84(4)．吐丝机轴承碎裂当天的时域波形及频谱图(轧Φ6.5钢)图7－34吐丝机06年6月27日06：51时域和频域波形图(4)．吐丝机轴承碎裂当天的时域波形及频谱图(轧Φ6.5钢)85特征频率表4

特征频率表4（图7－34轧φ6.5钢时转速：1084r/min吐丝机a35测点谱图数据)

图7－34显示为吐丝机6月27日06：51的时域和频域波形图，吐丝机II轴（高速轴）转动频率幅值为15.201m/s²,比5月9日幅值又有所上升，说明吐丝机II轴轴承已严重损坏，从而导致II轴轴频幅值持续上升。序号故障信号频率(Hz)计算特征频率(Hz)振幅绝对误差（Hz）相对误差%可信度%故障部位及性质分析129.29731.03815.2011.7415.6190II轴转动频率258.59462.0767.5733.4825.61902×II轴转动频率特征频率表4特征频率表4（图7－34轧φ6.5钢时转速864、诊断结论1、根据以上分析，一炼轧厂吐丝机有以下两方面的故障征兆。

(1)吐丝机II轴在初期（3、4月份）有轻微松动故障征兆，实质是轴承定心劣化。(2)吐丝机II轴两端的轴承有损伤。2、吐丝机II轴有松动的故障特征，是由于在频域图中II轴转频(基频)及其2、5、7倍频幅值在2、3月份较小，到4、5月份都有较大增长，与松动故障很吻合，尤其在轧小规格钢(10mm钢以下)时候更为突出。3、吐丝机II轴两端的轴承有损伤是由于在时域指标中峰值系数和峭度指标2、3月份都属于正常范围内，到4、5月份上升了几倍甚至十几倍，已远远超出了轴承正常运行的技术状态。4、吐丝机II轴两端的轴承损坏，表现为轴承在早期（3、4月份）与II轴之间配合间隙大而引起II轴出现松动故障，后期（5、6月份）轴承损坏主要表现为II轴转动频率振幅很高，而其3、5、7倍频幅值不再突出，频谱图与3、4月份明显不同。4、诊断结论1、根据以上分析，一炼轧厂吐丝机有以下两方面的故875、从在线监测系统的时域和频域两方面都能表明吐丝机II轴上轴承损坏的渐变过程。

综合此事件所获得的经验：当峭度指标异常升高，轴的转动频率振幅也有很大的增加，同时出现转动频率的高阶次谐频。这些条件综合起来，就是滚动轴承故障的判定条件。附图：轴承（型号10284776）损坏照片如下：

图7－35、轴承内外圈损坏照片图7－36、吐丝机II高速轴5、从在线监测系统的时域和频域两方面都能表明吐丝机II轴上轴88废气风机诊断案例

废气风机设备简图及测点布置图

设备参数

电机转速943r/min

电机容量630kw

测点3轴承型号SKF22230滚动体个数21

计算特征频率

转频

fr=943/60=15.72Hz

内圈故障频率fr=0.6*Z*fr=198.10Hz

外圈故障频率fo=0.4*Z*fr=132.02

Hz废气风机诊断案例废气风机设备简图及测点布置图设备参数89幅域特征值分析测点测试日期垂直V水平H轴向A32007.08.101.081.902.792007.08.212.252.097.64超过ISO2372国际标准中“C”级振动强度等级7.1mm/s，属于“不满意”状态

1.幅域分析2.频域分析

2.1垂直方向

2.1.1低频段分析

2.1.2共振解调分析

2.2轴向

2.2.1低频段分析

2.3.2共振解调分析3.时域分析诊断流程幅域特征值分析测点测试日期垂直V水平H轴向A32007.0890频域分析转频16.56Hz及谐波非同步频率135.31Hz及谐波测点3V低频分析2007.08.10非同步频率135.31Hz及谐波2007.08.21转频16.56Hz及谐波特征频率幅值增大4倍1.幅域分析2.频域分析

2.1垂直方向

2.1.1低频段分析

2.1.2共振解调分析

2.2轴向

2.2.1低频段分析

2.3.2共振解调分析3.时域分析诊断流程频域分析转频16.56Hz及谐波非同步频率135.31Hz及910.40.30.20.10频域分析测点3V共振解调分析2007.08.10故障频率135.31Hz及谐波2007.08.21故障频率135.31Hz及谐波被16.56Hz频率