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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。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7.1滚动轴承的失效形式1.疲劳;2.磨损;3.腐蚀;4.塑变;5.断裂;6.胶合。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)7.2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)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2.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。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ricfDdZf)cos1(21rocfDdZf)cos1(2160nfi内外圈相对旋转频率ioirffffrbfDdf)cos-1(21rcfDdf)cos-1(21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(z10)fb=0.18×z×fr(z10)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(z10)fb=0.18×z×fr(z10)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。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7.3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。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滚动轴承故障信号分析方法1.有效值与峰值判别法1.有效值:可以用有效值作为轴承异常的判断指标。2.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。3.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。4.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。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7-7两种信号处理方法比较频谱分析法与共振解调法的比较6.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7.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)}图7-9倒频谱分析的有效性示意图倒谱分析示例8、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XXp9、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轴承故障劣
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