滚动轴承的振动诊断

第４章滚动轴承的振动诊断

４.１轴承主要故障形式４.２滚动轴承振动信号特征４.３滚动轴承故障诊断法机械故障诊断学AnhuiUniversityofTechnology2021/3/29星期一1AnhuiUniversityofTechnology４.１轴承主要故障形式一、概述滚动轴承是机器中最易损坏的零件之一，约占旋转机械故障的30%产生各种各样轴承缺陷原因：由于设计、加工、安装不好，或轴承服役条件不佳，突出载荷的袭击等，运行一段时间后出现检测这些缺陷的方法很多，如：振动信号检测、声发射、铁谱等技术或直接测定温度振动监测技术最为可靠容易实现因为大部分可归纳为表面劣化而使振动加剧，所以与表面状态有关的振动信号成了检测轴承状态的重要资料专用仪器，如：测定波峰因素的BK-2511振动仪、日本NB-3轴承监视器、瑞典MEPA-43冲击脉冲仪、SPM及美国IRD820振动脉冲能量和峰值分析仪（用于在线）2021/3/29星期一2研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.１轴承主要故障形式二、轴承主要故障形式磨损：磨料磨损（杂质）和摩擦磨损（润滑恶化）疲劳剥落：交变应力作用、微小裂纹的发展、生绣等原因引起裂纹：由材料缺陷或交变载荷、应力集中、润滑不良等引起腐蚀：湿气或水侵入润滑油、较大电流引起电腐蚀压痕：过载、撞击或异物进入滚道胶合和点蚀：因为各种原因，当轴承在高温、高速、重载、瞬间载荷等使用条件下，滚道或滚动体表面产生微小烧损点，滚道和滚动体表面温度过高而使局部熔合在一起即胶合。其他故障形式：破损、烧损、电蚀等

2021/3/29星期一3研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.２滚动轴承振动信号特征滚动轴承元件出现缺陷时，随着轴承的旋转，缺陷每接触一次就会产生一次冲击振动，具有一定的周期性，其振动频率在0～20kHz。一、滚动轴承的低频振动（接触频率---缺陷特征频率）假设：（1）滚动环和滚动体之间无滑动；（2）径向、轴向受载荷时个部分无变形

滚珠轴承对应于元件缺陷的频率为（不是滚柱轴承）：滚珠通过内圈滚道

滚珠通过外圈滚道

滚动体缺陷

保持架不平衡

式中：z滚动体个数；d滚动体直径；D滚道节径；f0轴承回转频率，为每秒转数n/60。

接触角：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角。

2021/3/29星期一4研究目标AnhuiUniversityofTechnology与轴承结构有关(由于外力的激励就会引起振动，不管轴承有无故障均存在，但不能表征轴承的异常，所以要加以区分类型

)４.２滚动轴承振动信号特征二、滚动轴承的固有频率（共振频率）

钢球的固有频率为

轴承圈在圈平面内的固有频率（内外圈弯曲方向的）为

式中：E弹性模量；I轴承圈横截面的惯性矩；γ材料密度；A轴承圈横截面积；n振动阶数。G重力加速度；R钢球半径；D轴承圈横截面中性轴直径。此为圆环弯曲方向的振动频率，还有内外径半径方向、扭力方向的振动，式中计算为单体共振频率，具结构其计算有变化。一般固有频率在数千HZ到数十千HZ，人耳听不见

2021/3/29星期一5研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.２滚动轴承振动信号特征三、滚动轴承振动信号特征（特征频率成分）其中，n为正整数；Z为钢球数目；fc为保持架频率；f0为轴承回转频率。2021/3/29星期一6研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.２滚动轴承振动信号特征其中，fbi为钢球在内圆滚道上的通过频率；f0振动频率；fc为保持架转速；fb滚动体相对于保持架的频率。2021/3/29星期一7研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法一、简易诊断法（仅判断有无异常）1、测定部位的选择注意：（1）测定部位不要改变，以保证前提一致，最好是轴承座；（2）测头接触表面光滑牢固；（3）一般在垂直、轴向两方向上测量。速度需三个方向，加速度一个方向即可。轴承座露在外面，测定部位：轴承座；轴承座在内部，测定部位：轴承座刚性高的部位或基础。

2、测定参数轴承振动频率范围在几HZ到数千HZ。一般小于10HZ，测位移；

10HZ至1KHZ（中频），测速度；大于1KHZ（高频），测加速度（常用于大于10KHZ）。常用速度和加速度，为去除其它振动信号，用滤波器取所需带宽。3、测定周期测定时间间隔取决于经济性，且不漏异常情况，越短越好。2021/3/29星期一8研究目标4、判别标准绝对值判别标准和相对判别标准，兼用。适用于所有轴承的绝对标准是不存在的，同一种轴承用于不同的场合其判别标准也是不同的。所以一定要注意使用场合选择合适的判别标准。低频部分的绝对值判别标准难以确定，用相对标准或相对判定法，故对于同时存在高、低频的轴承振动要用两个判别标准来判别。5、简易诊断首先检查润滑状态，加油后数小时数天后测量，发现振动明显增大，则要判别是否异常；根据各自情况制定出专门的绝对值标准，测定同条件下的振动初始值，即相对值判别标准；确定判定方案，包括：位置、方向、参数、周期等。测量振动信号，作出比较判断或进一步作谱分析。AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法2021/3/29星期一9研究目标二、低频信号诊断法AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－低频信号诊断法通过直接测量滚动轴承损坏出现的振动，从振动谱图上观察突出的谱线频率来诊断轴承故障。2021/3/29星期一10研究目标AnhuiUniversityofTechnology频率成分激发频率故障说明理论值Hz实验值Hz保持架回转频率fc18.8036.102倍保持回转频率，滚动元件或保持架不规则转子回转频率f050.0050.65转子不平衡内圈轨道频率FBi206.25200.95内圈不规则滚动体回转频率fb187.50380.002倍关系，滚动体缺陷４.３滚动轴承故障诊断法－－低频信号诊断法2021/3/29星期一11研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－包络法三、包络法（共振解调法）

轴承发生故障时，将引起一系列冲击脉冲，在频域中含有基频及其一系列高阶谐波，经过传感器拾取及电路谐振，----高频自由衰减振动，即传感器振动被故障脉冲响应调制，此高频振动的幅值受到轴承缺陷引起的脉动激发力的调制．包络法中，信号先被滤去其他低频分量（燥声）而只取经调制的高频分量（高频自由衰减振动），再经放大、滤波后送入峰值跟踪器解调（或低通滤波器），即可得到原来的低频脉动信号，在此基础上进行轴承缺陷的频谱分析。所得解调波与故障脉冲有唯一对应关系，解调波的幅度反映故障严重程度，而解调波的基频为轴承故障频率（特征频率）包络法的优点是它有效地消除了各种低频成分的干扰，更为突出地显示故障的频谱特征，提取有用信息使诊断结果更准确。2021/3/29星期一12研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－包络法低频信号接收法和包络法拾取信号过程2021/3/29星期一13研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－包络法低频信号接收法和包络法得到的谱图图中a、c无故障，b、d有故障，a、b低频信号接收法，c、d包络法

2021/3/29星期一14研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－声发射诊断法四、声发射诊断法

原理：疲劳断裂——交变载荷作用，金属产生错位运动，首先产生疲劳裂纹，再沿着最大切向应力方向扩展（一般是外圈），直至断裂。疲劳磨损——循环接触压应力周期地作用在摩擦表面上，金属晶格的弹性应力达到临界值就会产生微观裂纹，进而扩展出现麻点、微粒脱落。这些轴承故障的发生与发展都伴随着声发射信号的发出。金属材料声发射频率为几十到几百兆赫，信号强度为几微伏到几百伏。故障的声发射明显强于燥声的声发射。所以以声发射信号作为分析源，来研究其频谱。（特别用于初期诊断效果好）声发射：当固体受力的作用时，由于内部缺陷的存在，会产生应力集中，使塑性变形加大或形成裂纹及扩展，这时均要释放弹性波（应变能）。当零件多时或系统复杂时，振动信号分析法信号复杂而受到限制。2021/3/29星期一15研究目标AnhuiUniversityofTechnology４.３滚动轴承故障诊断法－－声发射诊断法声发射法特（优）点１、特征频率明显用振动加速度计和声发射传感器在同一部位测得信号进行频谱分析，比较如图：

a)轴承声发射频谱图b)轴承振动信号频谱图2021/3/29星期一16研究目标AnhuiUniversityofTech