滚动轴承的故障诊断

1滚动轴承的故障诊断2内容提要一、滚动轴承类型及其特点二、滚动轴承的失效形式三、轴承故障诊断常用方法振动、噪声分析法温度测定法油液分析法四、滚动轴承的振动随机振动轴承各元件的谐振元件具有缺陷后的振动五、轴承故障的振动诊断法简易振动诊断法频谱分析法倒频谱分析法冲击脉冲法（SPM法）共振解调法（IFD法）共振解调信号的特点六、轴承运转声音的诊断七、轴承润滑状态的诊断3滚动轴承诊断的重要性滚动轴承是旋转机器中广泛应用的零件之一。旋转机械的故障中，轴承损坏的故障约占30%。滚动轴承的状态监测与故障诊断是机械设备故障诊断技术的重要内容。滚动轴承的故障诊断可以对轴承的安装、维护等工作给以有益指导。41023498756一、滚动轴承的类型0：双列角接触球轴承1：调心球轴承2：调心滚子轴承3：圆锥滚子轴承4：推力球轴承5：深沟球轴承6：角接触球轴承7：推力调心滚子轴承8：圆柱滚子轴承9：滚针轴承5内圈—与轴颈配合，一般随轴颈回转。外圈—与轴承座配合，一般固定。滚动体—当内外圈发生相对运动时，滚动体在滚道间滚动。保持架—隔离相邻的滚动体。滚动轴承的组成6向心轴承：主要承受径向载荷R深沟球轴承圆柱滚子轴承调心球轴承推力轴承：只能承受轴向载荷A推力球轴承向心推力轴承：R+A角接触球轴承圆锥滚子轴承各类滚动轴承的受力7二、滚动轴承的损伤形式形式损伤现象和状态剥落滚道面、滚动体产生层状剥离破损外环、内环、滚动体开裂保持架破损，凸缘破损压痕滚道面有按滚动体间隔的压痕滚道面、滚动体上其他压痕磨损滚道面、滚动体、保持架、凸缘等过度磨损配合面上出现磨粉的局部磨损电蚀滚道面上产生搓板状凸凹，有变色胶合滚道面、滚动体产生胶着滚子端面和凸缘产生胶着烧损滚道面、滚动体、凸缘面变色、软化、熔化锈蚀轴承内部有锈蚀8轴承失效形式—点蚀现象：滚道面或滚动体表面上有小坑和片状剥落原因：载荷过大润滑不良预载过大间隙过小9轴承失效形式—压痕现象：滚道面上有滚动体的压痕原因：装配不当静载荷过大冲击载荷过大异物侵入10轴承失效形式—烧伤、胶合现象：滚道面变色、软化、熔合原因：转速过高润滑不良装配不当11轴承失效形式—磨损现象：滚道和滚动体磨损出现红、褐色磨粉原因：异物侵入润滑不良装配不良配合面有间隙，造成滑动磨擦12轴承失效形式—破碎现象：座圈开裂、滚动体裂开出现红、褐色磨粉原因：异物侵入润滑不良装配不良配合面有间隙，造成滑动磨擦13轴承失效形式—腐蚀现象：配合面有红黑色锈斑配合面有搓板状凸凹原因：水份、腐蚀介质侵入电流通过配合间隙间的微振动14三、滚动轴承故障诊断方法振动分析法噪声分析温度测定油液分析(磨屑分析)其他物理方法轴承间隙测定油膜电阻测定声发射分析法（AE）光学纤维测定法15各种诊断方法的对比损伤形式各种诊断方法振动/声音温度磨屑轴承间隙油膜电阻剥落好无好无无裂纹好无有无无压痕好无无无无磨损好有好好好电化学腐蚀好有好好好污斑好有好有好烧伤好好有无好锈蚀有无好无有保持架破损有无有无无蠕变有有有无无在运行中测定可可不可不可可16各种诊断方法的灵敏度故障信号强度灾害故障发展期初期故障期正常使用期灾害故障期使用时间缺陷故障界限灾害故障界限缺陷剧烈发展界限振动分析灵敏度噪声分析灵敏度测温分析灵敏度17四、滚动轴承的振动由于轴承滚动元件的不圆度、粗糙度和波纹度而引起的随机振动。由于外力激励引起轴承元件的固有频率振动。轴承元件损伤后，引起的冲击和振动：以损伤元件特有的频率振动。以声发射形式释放能量（频率在60kHz以上）。18轴承振动的典型时域波形故障轴承情形新轴承情形19轴承振动的典型频谱低频Ⅰ—0~20kHz，各种故障频率范围中频Ⅱ—20kHz~60kHz，元件共振频率范围高频Ⅲ—60kHz以上，声发射(AE)范围20轴承元件的固有频率钢球的固有频率fbnE—材料的弹性模量N/m2—材料的质量密度kg/m3r—滚球的半径mHz2424.0bnErf21轴承（内外）座圈固有频率frna—回转轴线到中性轴半径mi—共振阶数I—座圈绕中性轴的惯性矩m4M—座圈单位长度的质量kg/mHz12)1(222nrMEIaiiif轴承元件的固有频率22轴承故障的特征频率外环故障频率内环故障频率滚珠故障频率保持架碰外环保持架碰内环RRDdfRRDdfRDddDfRzRDdzfRzRDdzf6.0)cos1(214.0)cos1(21cos)(16.0)cos1(24.0)cos1(2cico22bioD—节圆直径d—滚珠直径—接触角z—滚珠数R—轴的转速频率23五、滚动轴承故障的振动诊断法简易振动诊断法频谱分析法倒频谱分析法冲击脉冲法（ShockPulseMethod）共振解调法（IncipientFailureDetection）噪声分析法241.简易振动诊断法用某些振动的参数来判定轴承的工作状态。可用的参数如峰值指标、脉冲指标、峭度指标等。参数用简易测振表测得，或算得。25若干无量纲诊断参数指标名称定义敏感性稳定性波形指标Shapefactor差好峰值指标CrestFactor一般一般脉冲指标ImpulseFactor较好一般裕度指标ClearanceFactor好一般峭度指标KurtosisValue好差rmsmaxxxCfxxIfmaxrmaxxxCLf4rmsxKvxxSfrms表中：－平均幅值，－方根幅值，－峭度xrx26峰值指标用于轴承诊断峰值指标Cf不受振动信号绝对大小的影响，适用于检测滚动面剥落与裂纹等故障，但不适于检测磨损。峰值指标Cf随故障发展变化趋势I初始阶段：Cf5(变化不大)II局部故障发展：xmax,Cf10III接近寿命终了：xrms,Cf5rmsmaxxxCfIIIIIIxmaxxrmsxt27用简易法诊断铁路货车轴承*下表用正常参数归一化轴承状况波形指标Sf峰值指标Cf脉冲指标If裕度指标CLf正常1.284.185.406.50外圈损坏1.305.897.559.02滚子损坏1.529.7114.7519.05保持架坏2.0111.3322.6532.62轴承状况波形指标Sf峰值指标Cf脉冲指标If裕度指标CLf正常1111外圈损坏1.021.411.401.39滚子损坏1.192.322.732.93保持架坏1.572.714.195.02282.振动频谱分析法经时域多段平均处理后:50.65Hz—轴的转频36.1Hz—保持架通过频率200.95Hz—外圈通过频率380.05Hz—滚动体通过频率轴承振动频谱时域平均频谱29某焦化厂备煤车间破碎机轴承内圈滚道剥落故障轴承型号:22232(原3532)转速N=740r/min(转频12.33Hz)外圈故障频率fe=94.966Hz内圈故障频率fi=127.033Hz大修时拆机验证,轴承内圈滚道有一块30×15mm,深1mm的剥落坑。水平测点的频谱图303.倒频谱分析法正常滚动轴承有故障滚动轴承倒频谱图特征值:q1—9.470ms(105.60Hz)—滚珠故障频率q2—37.90ms(26.39Hz)—内圈故障频率31轴承型号:N324(原2324)转速N=740r/min(转频12.33Hz)外圈故障频率fo=69.52Hz内圈故障频率fi=103.15Hz倒频谱图69.156Hz拆机检查发现外圈滚道内有7～8条不同程度的压痕,其中四条较严重,约20mm宽,0.2mm深。频谱图波形图某焦化厂备煤车间破碎机外圈滚道压痕故障诊断324.冲击脉冲法与共振解调法冲击脉冲法ShockPulseMethod1969年瑞典SPM公司提出利用共振解调波的幅值信息诊断轴承的工作状态共振解调法(早期故障检测法)IncipientFailureDetection1974年美国波音公司提出利用共振解调波的频域信息诊断轴承的工作状态精确诊断故障的部位33共振解调的原理(1/4)故障所产生的低频冲击脉冲,频率为数kHz以内,信号很微弱。激起了传感器/电路的高频共振,频率数十倍于冲击频率，信号大大加强。用滤波器切去低频的信号。对高频信号进行绝对值检波、包络解调。最后，获得一个频率对应于低频冲击，而又放大并展宽的故障信号，称为共振解调信号。34共振解调的原理(2/4)不平衡＋微小的冲击不平衡＋放大了的冲击频谱图中难以发现微小的冲击冲击放大了，频率升高了冲击加速度计或共振电路不平衡轴承故障轴承故障不平衡共振响应高频共振(32kHz)不平衡轴承故障不平衡轴承故障滤波器的带宽35共振解调的原理(3/4)滤波后仅存高频信号0.1-0.10绝对值检波0.10包络解调（峰值检波）0.1036dBmdBc时域(SPM)频域＋时域（IFD）共振解调的原理(4/4)0.1共振解调信号37共振解调信号的特点提高了故障信息的信噪比S/N。剔除了低频振动信号的影响。共振解调波中包含有反映轴承故障的各种信息。38几种轴承故障分析仪SPM43A脉冲冲击仪BEA52A电脑轴承分析仪C70D轴承故障分析仪39轴承工作状态分类微小损伤损伤发展损伤明显破坏期轴承寿命(5000~50000小时）轴承寿命曲线轴承工作状态分类20dB正常20~35dB尚可35dB损坏dBM和dBC相差小于10dB，表明轴承润滑不良冲击强度增加1000倍时，轴承寿命结束40轴承状态判断实例冲击脉冲值/dB序号诊断对象dBCdBM测值特征状态判别结果验证1电动机尾部轴承4752两值均较大，且数值接近润滑不正常润滑脂干涸，油质已发黑2风机前轴承1542dBM较大，且比dBC大得多轴承元件损伤保持架断裂，内圈表面有凹坑和剥落3水泵轴承3856dBM严重超标，且与dBC相差大轴承损伤严重保持架松脱4电机轴承3545dBM较大轴承存在故障内圈松动，并发生端部摩擦5C616车床主轴承3035两值大小接近轴承状态不良，润滑不好质量不好的新轴承，影响加工质量6深井泵轴承3032两值相当接近轴承润滑状态不良油眼堵塞，清水进入轴承41某轧钢厂螺杆压缩机(1/2)轴承大面积道剥落故障三台压缩机中，三号机的测点振动特别突出。测得的信号中，机械和流体干扰大。频谱中看不出特征频率。改用共振解调法，突出滚动轴承故障频率。水平水平水平1＃机6.315102＃机1.83.32.73＃机401611各测点振动加速度峰值（g）42某钢厂螺杆压缩机(2/2)2＃机的共振解调频谱3＃机的共振解调频谱1fe2fe3fe4fe1R轴承型号:7315DF转速N=1480r/min(24.7Hz)D=122.5mm,d=22mmn=11,=10外圈故障频率fe=108.75Hz3＃机测点的共振解调频谱中，看到轴承外圈故障频谱及其谐波；而2＃机的频谱无特征频率。拆机验证,轴承外、内圈和钢球均有大面积的剥落坑。43共振解调后无故障谱直接采集的振动信号谱解体发现在可分离的外环上有2mm长、0.25mm深的小沟槽。共振解调后故障谱出现以25Hz为基础的多阶谱线GJW110输入轴半轴7613轴承差速器输入轴上轴承型号:7613输入轴转速:240r/min(4Hz)滚动体个数:15轴承平均直径:102.5mm滚动体平均直径:15mm压力角:13°外环故障频率：25.72Hz驱动桥轴承故障的诊断44冲击脉冲的测取(1/4)必须用专用的加速度传感器测量在受主要轴承力的部件上测量（一般测轴承座比测轴承盖为好）测量方向可径向或轴向（这不同于振动）45冲击脉冲的测取(2/4)测点要尽可能地靠近轴承经过的界面越少越好46冲击脉冲的测取(3/4)难以接触的重要测点可以预埋测试接棒制造商预埋的测试接棒47冲击脉冲的测取(4/4)难以接触的重要测点也可以预埋传感器48六、轴承运转声音的诊断设备运行时，轴承各部分都在运动，必然产生各种声响。这些声响中，有的属于正常的声响，有的则属于异常声响。异