机械故障诊断―Ch05 滚动轴承的故障监测与诊断

Ch5滚动轴承的故障监测与诊断机械故障诊断—Ch5滚动轴承的故障监测与诊断§5-1滚动轴承失效的基本形式§5-2滚动轴承的振动诊断方法§5-3滚动轴承的其它诊断方法机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式内圈、外圈分别与轴颈及轴承座孔装配在一起。多数情况是内圈随轴旋转而外圈不动，但也有外圈旋转、内圈不转或内外圈分别按不同转速旋转等使用情况。滚动体是滚动轴承中的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。滚动体的形状可分为球形、圆柱形、柱锥形等。球轴承的内外圈上都有凹槽滚道，它起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。保持架的作用是使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦和磨损。典型的滚动轴承的结构是由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件组成。滚动轴承损伤和破坏的形式主要有如下六种：机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式1疲劳剥落失效2磨损失效3塑性变形失效4腐蚀失效5断裂失效6胶合失效疲劳剥落失效在滚动轴承中，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，首先在表面一定深度处形成裂纹，继而扩展到使表层形成剥落坑，最后发展到大片剥落．这种疲劳剥落现象造成了运行时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试验就是疲劳试验。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式试验规程规定，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。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍。疲劳剥落失效机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式向心角接触球轴承的内圈产生与滚道成斜面的剥落。疲劳剥落失效机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式向心球轴承的内圈、外圈滚道面上产生的球距的剥落，滚子（球）表面的剥落。磨损失效滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物的侵入都引起表面磨损，润滑不良加剧了磨损。磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙，降低了机器运行精度，增大了振动和噪声。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式磨损失效圆柱滚子轴承的内圈滚道面上产生的波状磨损和点蚀造成的许多点坑。自动调心滚子轴承的外圈负载端滚疲乏面上产生的有凹凸形状的波状磨损。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式磨损失效圆柱滚子轴承的内圈、外圈滚道面四周方向上产生的擦伤。自动调心滚子轴承的球面滚子。滚动面中央产生的擦伤。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式塑性变形失效轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、落入硬质异物等在滚道表面上形成凹痕或划痕，而且一且有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步使邻近表面剥落。由载荷的累积作用或短时超载会引起轴承零件的塑性变形。由于装配或使用不当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，加剧振动、噪声与发热。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式塑性变形失效向心推力角接触球轴承保持架的变形。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式腐蚀失效轴承零件表面的腐蚀分为三种：☆化学腐蚀：润滑油、水或空气中水分引起的零件表面锈蚀；☆电腐蚀：由于轴承表面间有较大电流通过使表面产生电蚀；☆微振腐蚀：轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式锈蚀圆锥滚子轴承的外圈滚道面及挡边上生锈。由于进水而造成润滑不良。回转支承轴承的外圈滚动面上产生的球距锈。停转时水分凝结造成的损伤。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式锈蚀自动调心滚子轴承的内圈滚道面上产生的滚距锈。由于水分侵入润滑剂而造成的损伤。自动调心滚子轴承的滚子滚道面上产生的坑状锈。系由保管中的水分凝结造成的损伤。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式电腐蚀圆锥滚子轴承内圈、滚子的滚道面上产生地条状电蚀。深沟球轴承的滚子（球）滚动面上产生的全面电蚀（浓着色）。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式微振腐蚀深沟球轴承内圈内径面上产生的微振磨损。向心推力球轴承的内圈整个内径面上产生的显著的微振磨损。由于过盈量不足造成的损伤。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式断裂失效常因载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂，热处理、装配引起的残余应力、运行时的热应力过大也会引起断裂。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式断裂失效双列圆柱滚子轴承的外圈，以滚道面上产生的剥落为起点的轴向与圆周方向的裂缝。自动调心滚子轴承的滚子转动面上产生了轴向裂纹。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式断裂失效双列圆柱滚子轴承内圈的中间挡边部分产生断裂。圆锥滚子轴承的内圈大挡边上产生断裂。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式断裂失效滚子轴承的外圈挡边产生断裂。推力自动调心滚子轴承的内圈大挡边上产生断裂。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式胶合失效在润滑不良，高速重载下，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，或某处表面上的金属粘附到另一表面上。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式烧伤角接触球轴承的内圈滚道面上产生的青紫色变色。4点接触球轴承的内圈滚道面上产生的青紫色变色。机械故障诊断—§5-1滚动轴承失效的基本形式滚动轴承的振动，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。前者不论轴承正常或异常，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；后者则反映了轴承的损伤状况。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法一、滚动轴承的固有振动轴承工作时，滚动体与内圈或外圈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。固有频率仅取决于元件本身的材料，形状和质量，与轴转速无关。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法一般滚动轴承元件固有频率由数千赫到数十千赫，是频率非常高的振动。1滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载滚子数目不同，因而承载刚度有变化，引起轴心起伏波动，如右图。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法轴承承载情况二、承载状态下滚动轴承的振动这种振动由滚动体公转而产生，有时称为滚动体的传输振动，其振动主要频率成分为fcZ，其中z为滚动体数目而fc为滚动体公转频率。2．轴承刚度非线性引起的振动机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法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，就会呈现非线性弹簧的特性。例如，轴向的弹簧特性如图所示．非线性导致在推力方向产生异常振动，其频率有轴的旋转频率fi及高次谐波2fi，3fi，分数谐波fi/2、fi/3，…。但是这种振动多半发生在深槽球轴承上，在自动调心型和滚子轴承上不常发生。滚动轴承的非线性弹簧特性(1)加工面波纹引起的振动，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nfBO土fi。(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土fi。(其中n＝1，2…)．频率数值一般在lkHz以下。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法装配过紧引起的振动3．轴承制造或装配的原因引起的振动(4)装配过紧或过松引起的振动，见右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。三、轴承异常类型引起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。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法1疲劳剥落损伤在这类异常中包括表面剥落、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。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法滚动轴承发生冲击振动这种振动从性质上可分成两类：第—类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依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“通过振动”，其发生周期可从转速和零件的尺寸求得。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法表1例如，在轴承零件的圆周上发生了一处剥落时，由于冲击振动所产生的相应频率称为“通过频率”，因剥落的位置不同而不同。表1给出了求取这种通过频率的相应公式。滚动体通过频率一般在IkHz以下，是滚动轴承重要信息特征之一。但由于这一频带中的噪声，特别是机器中流体动力噪声的干扰很大。所以目前直接利用这一频带诊断轴承故障已不多见。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法第二类是固有振动。冲击引起固有振动的示意：钢球落下在碰撞点产生很大的冲击加速度，构件变形产生衰减自由振动，振动频率取决于系统的结构，为其固有频率。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范围内。在诸如离心泵、风机、轴承寿命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)轴承其它元件的固有振动．其频带在(20一60)kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。(3)加速度传感器的一阶固有频率。合理利用加速度传感器(安装)系统的一阶谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中收到良好效果，其频率范围通常选择在10kHz左右。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与轴转速无关，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，利用以上这些固有振动中的某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法轴承不同状态下的振动波形2磨损由右图可见，磨损与正常轴承的振动相比，两者都是无规则的，振幅的概率密度大体均为正态分布，频谱亦无明显差别，只是振动有效值和峰值比正常时大。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法轴承不同状态下的振动波形机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法3烧损这类异常是由于润滑状态恶化等原因引起的。由于从烧损的征兆出现到不能旋转时间很短，因此难以预知或通过定期检查发现。烧损过程中，伴随着冲击振动，且找不出其发生的周期，轴承的振动急速增大。四滚动轴承的振动故障诊断方法滚动轴承在工作过程中会产生各种各样的异常和损伤，多数故障都会使轴承的振动加剧。这样，振动信号就成为诊断轴承故障的主要信息。采用振动诊断法主要有以下优点：(1)可以检测出各种类型轴承的异常现象；(2)在故障初期就可发现异常，并可在旋转中测定；(3)由于振动信号发自轴承本身，所以不需特别的信号源；(4)信号检测和处理比较简单。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法1测定位置和方向的选择若轴承座露在外面，测定位置应选在轴承座上，若轴承座装在内部，测定位置应选在与轴承座连接刚性高的部分或基础上。测定时应在测定位置作出标记，每次测定不要改变位置。并注意测定部分表面的光滑性。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法1测定位置和方向的选择由于滚动轴承振动具有各向异性的特点，测定位置通常在水平(x)、垂直(y)、轴向(z)三个方向。但由于设备构造和安全等方面的限制，有时三个方向不能都可进行，这时可在x与y或y与z两个方向上测定。对于高频振动，一般因无方向性，也可在一个方向上进行。机械故障诊断—§5-2滚动轴承的振动诊断方法2传感器的选择与固定滚动轴承所发生的振动，包含1kHz以下的低频振动和数kHz乃至数十kHz的高频振动。通常情况下是同时包含了上述两种振动成分。因此，检测滚动轴承振动速度和加速度信号时应同时覆盖或分别覆盖上述两个频带，必要时可以采用滤波器取出需要的频率成分。考虑到滚动轴承多用于中小型机械，其结构通常比较轻薄，因此，传感器的尺寸和重量都应尽可能地小，以免对被测对象造成影响，改变其振动频率和振幅大小。滚动轴承的振动属于高频振动，对于高频振动的测量，传感器的