滚动轴承的故障诊断与失效分析(杜新定)

2020/1/171滚动轴承的故障诊断2020/1/172概述旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。2020/1/173滚动轴承故障诊断技术的分类滚动轴承的故障诊断技术主要有振动诊断技术、铁谱诊断技术、温度诊断技术、声学诊断技术、油膜电阻诊断技术和光纤监测诊断技术等，其中，振动、铁谱、温度诊断技术应用最普遍。2020/1/174振动诊断技术(一)轴承元件的工作表面出现疲劳剥落、压痕或局部腐蚀时，轴承运行中会出现周期性的脉冲信号。这种周期性的信号可有安装在轴承座上的传感器（速度型或加速度型）来接收，通过对振动信号的分析来诊断轴承的故障。特点：振动诊断技术应用广泛；可实现在线监测；诊断快，诊断理论已成熟。应用范围：特别适合旋转机械中轴承的故障监测。2020/1/175铁谱诊断技术（二）轴承磨损颗粒与其工作状况有密切的联系。将带有磨损颗粒的润滑油通过一强磁场，在强磁场的作用下，磨粒按一定的规律沉淀在铁谱片上，铁谱片可在铁谱显微镜上作定性观察或在定量仪器上测试，据此判断轴承的工作状况。特点：机器无需解体；投资低，效果好；能发现轴承的早期疲劳失效；可做磨损机理研究。应用范围：适用于用润滑油润滑的轴承的故障诊断，对于用脂润滑的轴承较困难。2020/1/176油膜电阻诊断技术（三）润滑良好的轴承，由于油膜的作用，内、外圈之间有很大的电阻。故通过测量轴承内、外圈的电阻，可对轴承的异常作出判断。特点：对不同的工况条件可使用同一评判标准。对表面剥落、压痕、裂纹等异常的诊断效果差。应用范围：适用于旋转轴外露的场合。2020/1/177光纤监测诊断技术（四）光纤监测是一种直接从轴承套圈表面提取信号的诊断技术。用光导纤维束制成的位移传感器包含有发射光纤束和接收光纤束。光线由发射光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙反射回来，由接收光纤束接收，经光电元件转换成电信号，通过对电信号的分析处理，可对轴承工况作出评估。特点：光纤位移传感器灵敏度高；直接从轴承表面提取信号，提高了信噪比；可直接反映滚动轴承的制造质量、表面磨损程度、载荷、润滑和间隙情况。应用范围：适用于可将传感器安装在轴承座内的机器。2020/1/178温度诊断技术（五）轴承若产生某种异常，轴承的温度会发生变化。因此，根据温度的变化，可以对轴承故障进行诊断，但对异常判断的能力很低。特点：诊断简单；对轴承烧伤判断效果较好。应用范围：适用于机器中轴承的简单常规诊断.2020/1/179声发射诊断技术（六）金属材料由于内部晶格的位错、晶界滑移或者由于内部裂纹的发生和发展，均需要释放弹性波，这种现象称为声发射现象。滚动轴承产生剥落或裂纹时，会产生不同类型的声发射信号，据此可对轴承工况作出评估。特点：诊断快速、简便；可在线监测。应用范围：近几年来发展的新技术，在轴承工况监测中应用较少.2020/1/1710滚动轴承振动故障诊断技术滚动轴承是机器中最精密的部件，通常它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但多年的实践经验表明，只有10%以下的轴承能够运行到设计寿命年限。而大约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障，30%失效是由于不对中或“卡住”等装配失误，还有20%的失效是由过载使用或制造上缺陷等其它原因所致。如果机器进行了精确对中和精确平衡，不在共振频率附近运转，并且轴承润滑良好，那么机器运行就会非常可靠，机器实际寿命会接近其设计寿命。然而，大多数情况都没有做到这些。因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。振动分析和磨损颗粒分析是很好的诊断方法。2020/1/1711频谱特征故障轴承会产生与1X基频倍数不完全相同的振动分量——换言之，它们不是同步的分量。对振动分析而言，如果在振动频谱中发现不同步分量,那么极有可能是轴承出现故障的警告信号。应通过振动分析诊断并排除是否是其它故障引起的这些不同步分量。如果看到不同步的波峰，那极有可能与轴承磨损相关。如果同时还有谐波和边频带出现，那么轴承磨损的可能性就非常大——这时候你甚至不需要再去了解轴承准确的扰动频率。2020/1/1712滚动轴承振动的基本参数轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径和接触角。接触角的定义:指滚动体与滚道接触区中点处,滚动体载荷向量与轴承径向平面之间的夹角.按此定义支力轴承的接触角为0,止推轴承的接触角为902020/1/1713轴承扰动频率有四个与轴承相关的扰动频率：球过内圈频率（fi）、球过外圈频率（fc）、保持架频率（FT）和球的自旋频率（fb）。其中fi和fc的和等于滚珠/滚柱的数量。例如，如果fi等于3.2X，fc等于4.8X，那么滚珠/滚柱的数量必定是8。fb的值可能会加倍，因为所给的公式针对的是球撞击内圈或外圈的情况。如果有庇点的滚球/滚柱同时撞击内圈和外圈，那么其频率值应该加倍。由于受到各种实际情况如滑动、打滑、磨损、轴承各参数的不精确（如直径可能不完全精确）等的影响，我们所计算出来的频率值可能会与真实值有小范围的差异。2020/1/1714轴承扰动频率的计算公式2020/1/1715轴承失效的九个阶段(第一阶段)在轴承失效的最初阶段，其频率范围大约在20KHz～60KHz之间或更高。有多种电子设备可以用来检测这些频率，包括峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音波测量装置。在这个阶段，普通的频谱上不会出现任何显示。2020/1/1716轴承失效的九个阶段(第二阶段)由于轴承上的庇点增大，使它在轴承固有频率处发出铃叫声。同时固有频率周围还出现边频带。2020/1/1717轴承失效的九个阶段(第三阶段)出现轴承故障频率。开始的时候我们只能观察到这个频率本身。图中所示为轴承内圈故障时的频谱显示。当轴承磨损进一步加剧后，在故障频率（例子中的BPI）处的波峰值将会升高。大多数情况下波峰值将随着时间线性增加。2020/1/1718轴承失效的九个阶段(第四阶段)随着故障的发展，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可能会比基频波峰更早被发现。因此，我们首先要查找频谱中的非同步波峰，并查证是否有谐波。对应的时域波形中同时也会出现冲击脉冲的显示。2020/1/1719轴承失效的九个阶段(第五阶段)随着故障状态的恶化，轴承的损坏更加严重，振动级将继续升高，同时出现更多的谐波。由于故障自身的性质，这时还会出现边频带。时域波形上的尖峰波将更加清晰和明显，你甚至能够通过测量尖峰间的时间间隔来计算故障频率。高频率的轴承检测，如峰值能量和冲击脉冲所得到的趋势都在持续上升。此时引起调制的原因有二个：第一种情形是当内圈出现故障时，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将被（内圈的）旋转频率所调制，于是我们可以在频谱中看到1X边频带出现。如果滚珠出现问题，也会因相同的原因，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——典型的FT大约等于0.4X。当我们能够从频谱中观察到谐波，特别是边频带后，轴承上的磨损就已经能够用肉眼观察到了。这时候，你就可以建议更换轴承了。2020/1/1720轴承失效的九个阶段(第六阶段)1X处的幅值增大，并出现1X的谐波，这是由于磨损引起间隙增大的结果。2020/1/1721轴承失效的九个阶段(第七阶段)现在我们看见故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作干草堆。这是由于宽带噪声所致。在靠近机器的地方，你还能听到轴承发出的噪声。在这个阶段，高频率的轴承测量值可能会逐渐减少。如果你用测量工具测到的振幅有下降趋势，不要以为是情况出现好转，而应该尽快去定购用来更换的轴承了！2020/1/1722轴承失效的九个阶段(第八阶段)频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着松动的增加而增大，高频率的轴承测量显示出的趋势可能会继续降低，但重要的是整个噪声水平都在上升。你能清晰的听到轴承发出的声音，这预示着轴承即将报废。2020/1/1723轴承失效的九个阶段(第九阶段)到了这个阶段以后，频谱会变得平直，因为机器已经不能运转了！2020/1/1724滚动轴承诊断口诀内圈外圈滚动体，特征频率要牢记；确有轴承故障存，频率成分难再隐。先看频谱低频处，非同步的看有无；若有非同步成分，故障已可定三分；特征频率谐波存，对应故障无疑问；再看频谱高频处，调制存在故障明；外圈特征转频调，松动现象无疑问；内圈故障转频调，亦可作证据成分。特殊情况特殊看，诊断故障有分寸；单一频率若存在，是否轴承需辨认。高频也是很重要，早期故障高频分；低频没有高频有，时常跟踪要勤奋；损坏若是很严重，高频抬起有空洞；及时更换莫侥幸，时刻避免事故生。故障机理把握清，是是非非要分明；润滑状况常检测，调试装配莫放松；诊断轴承有诀窍，相信科学错不了。2020/1/1725滚动轴承的失效分析滚动轴承是重要的机械基础件之一，轴承的运行状况直接影响主机运行质量。通过轴承失效分析，可以直观地发现轴承损坏的因素，便于查找引起轴承失效的根本.滚动轴承的失效原因比较复杂，涉及到多方面的专业知识，需要对轴承的结构特性、加工方法、各个零件的加工工艺及设备有一定的了解。现在所涉及的只是常见失效形式，根据轴承的结构特性，结合轴承的使用工况，通过对轴承的安装、配合及调整的分析，对运行速度、温升，受力分析，包括对轴承使用过程中维护、保养的分析等，归纳总结出轴承早期失效过程和失效原因.2020/1/1726单一失效形式的多种因素一种失效的形式，往往有多种可能导致的因素。如：发热.润滑不良.游隙小.转速过高.干涉.配合不当.不对中等,必须根据现场的情况，对设备及轴承进行观察，然后作出判断。2020/1/1727擦伤—金属表面因滑动摩擦而产生的表面金属迁移现象。2020/1/1728擦伤形态特征—在零件相互接触的表面上，沿滑动方向产生的机械摩擦损伤，有一定长度和深度。产生原因—轴向预紧力过大或轴承游隙过小，润滑不良或密封不良。2020/1/1729划伤—硬性颗粒及硬物棱角在轴承表面滑动而产生的表面线状机械性损伤。形貌特征—呈线状、光亮、无方向性，有手感产生原因—粗鲁作业，润滑剂含杂质，密封不良。2020/1/1730点蚀—金属表面呈分散或群集状的细小坑点。2020/1/1731点蚀形貌特征——产生于滚动接触面上，呈黑色针孔状凹坑，有一定深度，个别存在或密集分布。产生原因——润滑不良时，在滚动接触应力的循环作用下，金属亚表层夹杂物或炭化物形成应力集中，进而产生微观裂纹，并逐渐发展成凹坑状的微小剥离。润滑剂含杂质，密封不良.2020/1/1732磨耗——零件在摩擦作用下,金属表面材料被去除的现象。2020/1/1733磨耗形貌特征——产生于滚动接触面上或引导面上，呈磨合状的浅沟槽，表面光亮。随着滚动接触表面的磨耗发展，轴承游隙增大。产生原因——细微颗粒物进入轴承或润滑不良，在滑动摩擦的作用下，零件接触处金属表面材料被磨掉。2020/1/1734电蚀——电流通过轴承时，击穿油膜，产生高温，使金属表面局部熔融形成不规则凹坑或沟蚀。2020/1/1735电蚀形貌特征——电蚀凹坑呈斑点状，有金属熔融现象，深处蓝黑色，呈火山喷口状；轴承运行中形成的电蚀沟蚀呈洗衣板状。产生原因——电流通过轴承（电击伤）。2020/1/1736滚动体卡伤——轴承运行过程中，滚动体在异物或其他零件的作用下自转或公转受阻时，产生的磨损、裂损。2020/1/1737滚动体卡伤形态特征——滚动体的工作表面与其他零件干涉所出现的磨损痕迹产生原因——游隙过大或有异物进入轴承使滚动体运转卡阻。2020/1/1738裂损——