7滚动轴承与齿轮故障诊断技术-1滚动轴承故障诊断技术

机械动态监测与故障诊断第七章滚动轴承与齿轮故障诊断技术7.1滚动轴承故障诊断技术轴承轴承损坏7.1滚动轴承故障诊断技术•一、滚动轴承概述•轴承：分为滚动轴承和滑动轴承两部分，对于汽轮发电机组、空气压缩机组和石化的大机组都是使用滑动轴承。一般滚动轴承应用于高速轻载的工况下，对于大多数通用设备（如风机、水泵、电机等）、冶金行业的轧机、纸业的造纸机等都使用滚动轴承。•滚动轴承是应用最广泛的机械零件之一,适用于各种行业(如电力、冶金、石化等）。滚动轴承是机器中最容易损坏的元件之一。许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有关，大约有30%的旋转机械故障都是有轴承故障引起的。现场设备松动润滑7.1滚动轴承故障诊断技术•二、滚动轴承的故障监测•最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。后来采用各式测振仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故障诊断仪器）。•滚动轴承的监测位置：振动波的传播路径是通过轴-滚动轴承-轴承座。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和滚动轴承等故障。7.1滚动轴承故障诊断技术•三、滚动轴承故障的主要形式•1.疲劳剥落滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。•2.磨损由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。7.1滚动轴承故障诊断技术•3.塑性变形当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。•4.锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。7.1滚动轴承故障诊断技术•5.断裂过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。6.胶合在润滑不良、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，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。•7.保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，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等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。7.1滚动轴承故障诊断技术•四、轴承故障原因及其解决•过负荷•引起过早疲劳，（包括过紧配合，布式硬度凹痕和预负荷）•减少负荷或重新设计•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，另外温升降低和破坏润滑性能7.1滚动轴承故障诊断技术•正常疲劳失效•疲劳失效指滚道和滚动体上发生碎裂，并随之产生材料碎片脱落•这种疲劳为逐渐发生，一旦开始则迅速扩展，并伴随明显的振动增加•更换轴承，和设计有更长疲劳寿命的轴承7.1滚动轴承故障诊断技术•污染•污染是轴承失效的主要原因之一•污染的征兆是在滚道和滚动体表面有点痕，导致振动加大和磨损•清洁环境，工具，规范操作。新轴承的储运。•润滑油失效•滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑失效的征兆，随之产生滚道、滚子和保持架磨损，导致过热和严重故障。•滚动轴承的正常运行取决于各部件间存在良好油膜•失效常常由润滑不足和过热引起7.1滚动轴承故障诊断技术•腐蚀•其征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域•原因是轴承接触腐蚀性流体和气体•严重情况下，腐蚀引起轴承早期疲劳失效•除掉腐蚀流体，尽可能使用整体密封轴承7.1滚动轴承故障诊断技术•不对中•不对中的征兆是滚珠在滚道上产生的磨痕与滚道边缘不平行•如果不对中超过0.001in/in，会产生轴承和轴承座异常温升，和保持架球磨损•配合松动•配合松动导致配合部件的相对运动，如果这个相对运动轻微但不间断，则产生磨损•这种磨损产生颗粒，并氧化成特殊的棕色。这导致研磨和松动加大。•如果松动增大到内圈或外圈的显著运动，安装表面（孔径，外径和侧面）将磨损和发热，引起噪声和胱动。7.1滚动轴承故障诊断技术•五、滚动轴承的振动•滚动轴承的振动，原则上分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型。•前者不论轴承正常与否，振动都要发生，它虽与轴承异常无关，但却决定了振动系统的传递特性；•后者反映了轴承的损伤状况。•（一）滚动轴承的固有振动•轴承工作时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击而诱发轴承元件的振动。这种振动是一种强迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动加剧，固有频率取决于元件本身的材料、形状和质量，与轴转速无关。•一般滚动轴承元件固有频率有数千赫兹到数十千赫兹，是频率非常高的振动。7.1滚动轴承故障诊断技术•（二）承载状态下滚动轴承的振动•1、滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载滚子数目不同(如图)，因而承载刚度有变化，引起轴心起伏波动。它由滚动体公转而产生，其振动主要频率成分为fcZ，其中Z为滚动体数目，fc为滚动体公转频率。图滚动轴承的承载状态7.1滚动轴承故障诊断技术•2、轴承刚度非线性引起的振动•滚动轴承是靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，具有弹簧的性质，当轴承的润滑状态不良时，就会呈现非线性弹簧的性质。•3、轴承制造或装配的原因引起的振动•（1）加工表面波纹引起的振动，其频率比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍。•（2）轴弯曲或轴装歪，由于轴承偏斜引起的振动，其振动频率成分为fcz±fa。•（3）滚动体大小不均匀引起的振动，其频率包括滚动体公转频率fc及nfc±fa（其中n=1，2，…)。频率数值一般在1KHz以下。•（4）装配过紧或过松引起的振动，见下图。当滚动体通过特定位置时，会产生频率相应于滚动体通过周期的周期振动。7.1滚动轴承故障诊断技术•图装配过紧引起的振动7.1滚动轴承故障诊断技术•（三）异常轴承的振动•滚动轴承异常的种类是各种各样的，大体可区分为疲劳剥落损伤、磨损、胶合等有代表性的三种类型。•1、疲劳剥落损伤•这类异常包括：剥落、裂纹、压痕等滚动面发生局部损伤的异常状态。•在发生表面剥落时，会产生下图所示的冲击振动，这种振动从性质上可分成两类：•第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体一次滚过工作面缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的“通过频率”，其发生周期可以从转速和零件的尺寸求得。7.1滚动轴承故障诊断技术•图滚动轴承发生冲击振动滚动轴承故障频率计算(1)•设外圈和内圈滚道上分别有一接触点A和B，如果径向游隙为零，则A和B点的圆周速度分别为：eeenDv60iiinDv60ve、vi—接触点处圆周速度，mm/sDe、Di—接触点处直径，mmne、ni—外圈、内圈的转速，r/minDeDi滚动轴承故障频率计算(1)•由图可见•De=D+dcosα=D(1+d/Dcosα)•滚动体围绕轴承中心线的公转线速度是vi、ve速度的平均值，即•滚动体的公转线速度也就是保持架中心圆的线速度。保持架中心圆上某一点的线速度为：•由上面两式得保持架的转速为：)]cos/1()cos/1([1202DdnDdnDvvveieiCCCnDv60)]cos/1()cos/1([21DdnDdnneiC滚动轴承故障频率计算(1)•内圈相对于保持架的转速为：•外圈相对于保持架的转速为：•滚动体的自转转速n0可由接触点处两物体线速度相等的关系求得。例如，滚动体与内圈接触的B点线速度为：•式中负号，表示滚动体与内圈接触点B的选择方向相反。)cos/1)((21Ddnnnnneiciic)cos/1)((21Ddnnnnnieceec26020dnnOB滚动轴承故障频率计算(1)•内圈滚道上与滚动体接触的B点相对于滚动体中心的线速度为：•根据纯滚动条件，滚动体上接触点B和内圈滚道上相应的B点速度相等，得到•由此可得滚动体滚动体的自转转速为：260)(2ieiiBDnnnBOiBnn])cos(1)[(2)(20DdnndDnndDnieici滚动轴承故障频率计算(1)•绝大多数滚动轴承在实际应用中总是保持外圈静止，内圈与轴一起旋转，当轴的转速为n时，则•内圈相对于保持架的转速：•因为保持架有z个滚动体，所以内圈上某一点每分钟通过的滚动体数为：0einnn)cos/1(21)cos/1)((21DdnDdnnneiiczDdnznNici)cos/1(21滚动轴承故障频率计算(1)•保持架相对于外圈的转速：•外圈上某一点每分钟通过的滚动体数：•滚动体自转速度为：•保持架：)cos/1(21)cos/1)((21DdnDdnnnieeczDdnznNece)cos/1(21])cos(1[2])cos(1)[(2)(220DdndDDdnndDnndDnieici)cos/1(21)]cos/1()cos/1([21DdnDdnDdnneiC滚动轴承故障频率计算(1)-汇总•滚动轴承保持架故障频率：•FTF=(N/2)［1-（d/D）Cosα]•滚动轴承滚动体旋转故障频率：•BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cosα］²}•滚动轴承外环故障频率：•BPFO=(N/2)z[1-(d/D)Cosα]•滚动轴承内环故障频率：•BPFI=(N/2)z[1+(d/D)Cosα］•以上符号：•d=滚动体直径;•D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)•α=径向方向接触角•z=滚动体数目•N=轴的转速。•注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.mDR滚动轴承故障频率计算(2)-经验公式•外环故障频率：•BPFOr≌0.4Nz•内环故障频率：•BPFIr≌0.6Nz•保持架故障频率：•FTFr≌0.4N•以上符号：•z=滚动体数目；•N=轴的转速。•注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.7.1滚动轴承故障诊断技术•第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种：•（1）轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在（1-8）kHz范围类。如离心泵、风机、轴承试验机这类简单机械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。•（2）轴承其他元件的固有振动。其频带在（20-60）kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。•（3）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常选择在10kHz左右。•由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动，所以利用这些固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断