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1第六章滚动轴承的故障机理及诊断技术滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件，也是最易损坏的元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成设备损坏。21、滚动轴承的失效与振动测定1.1滚动轴承的失效形式滚动轴承在运行过程中，由于装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能使轴承过早损坏。即使不出现上述情况，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的损伤形式是十分复杂的。31.2滚动轴承的振动测定滚动轴承产生的振动信号中，含有丰富的有用信息。利用振动信息对滚动轴承进行故障诊断是十分有效的。1.2.1测定部位测定部位选择的基本思路是选择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上。一般讲，若轴承座是外露的，测点位置可直接选在轴承座上；若轴承座是非外露的，测点应选择在轴承座刚性较好的部分或基础上。同时，应在测点处做好标记，以保证不会由于测点部位的不同而导致测量值的差异。4由于滚动轴承的振动在不同方向上反映出不同的特性，因此一般情况下都应按图3-l所示那样在水平（x），垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行检测。若由于设备的构造、安装条件的限制，或出于安全方面的考虑，不可能在上述的三个方向上都进行检测时，可选择其中的两个方向进行检测，如在x、z或y、z向进行测量；如果仅对高频振动成分感兴趣，则可以只在最容易检测的方向上测量，如y方向上。561.2.2测定参数根据滚动轴承的固有特性、制造条件、使用情况的不同，它所引起的振动可能是频率为1kHz以下的低频脉动，也可能是频率为1kHz以上，数千赫乃至数十千赫的高频振动，更多的情况是同时包含了上述两种振动成分。因此，通常检测的振动速度和加速度分别覆盖了上述的两个频带，必要时可用滤波器取出需要的频率成分。如果是在较宽的频带上检测振动级，则对于要求低频振动小的轴承检测振动速度，而对于要求高频振动小的轴承检测振动加速度。71.2.3测定周期滚动轴承的振动检测可分为定期检测和连续在线监测两种。对于定期检测，为了早期发现轴承故障，以免故障迅速发展到严重的程度，检测的周期应尽可能短一些。但如果检测周期定得过短，则在经济上可能是不合理的。因此，应综合考虑技术上的需要和经济上的合理性来确定合理的检测周期。8连续在线监测主要适用于重要场合或由于工况恶劣不易靠近滚动轴承的场合，以及滚动轴承加速劣化的阶段，相应的监测仪器较定期检测的仪器要复杂，成本也要高些。2、滚动轴承的振动机理2.1滚动轴承振动的基本参数2.1.1.滚动轴承的典型结构及其频率特征9图4-1为滚动轴承的典型结构，它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。假设滚道面与滚动体之间无相对滑动；承受径向、轴向载荷时各部分无变形；外圈固定，则滚动轴承工作时的特征频率如下：101112以上各特征频率是利用振动诊断滚动轴承故障的基础。132.1.2滚动轴承的固有振动频率滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时的振动频率为轴承各部分的固有频率。固有振动中，外圈的振动表现最明显，计算内圈及外圈的固有振动频率时，将它们看作为矩形截面的圆环，故可用如下近似公式：14滚动轴承的固有振动频率很高，常常有数千赫至数万赫。152.2滚动轴承的振动特征2.2.1滚动轴承的振动形式引起滚动轴承振动的原因很多，除了其本身的固有振动以外，还包括以下振动：（1）轴承构造引起的振动图4-3所示的轴承，随滚动体位置不同，其承载状态也不断变化，这将导致内、外圈和滚动体产生弹性变形而引起振动。图4-4为一个滚动体的直径比其它滚动体直径大时的状况。由于滚动体直径不一致，因刚性不同而引起振动。1617（2）滚动体的非线性伴生振动滚动轴承靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷，具有一定的弹性，其刚性很高；当轴承润滑不良时，就会出现非线性的特性，如图4-5所示，从而产生非线性振动。（3）由于精加工波纹引起的振动若加工制造时，在滚道或滚动体上留有如图4-6所示的加工波纹，那么当凸起数目达到一定量值时，会产生特有的振动。1819（4）因滚动轴承损伤引起的振动当轴承损伤时，如图4-7所示的轴承偏心和内圈点蚀，就会引起相应的冲击振动。2.2.1滚动轴承的振动机理滚动轴承的振动很复杂，种类繁多。滚动轴承的工作状态往往和回转轴有很大关系。若回转轴既有挠度又有倾角，就构成了复杂的力学系统。为说明问题，现以滚动体直径不一致为例说明其振动机理。2021222324253、滚动轴承的故障诊断方法滚动轴承的监测诊断技术有很多种，如振动信号分析诊断、声发射诊断、油液分析诊断、光纤监测诊断等，它们各具特点，其中振动信号分析诊断技术应用最为广泛。3.1振动信号分析诊断滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为简易诊断法和精密诊断法两种。简易诊断的目的是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障；精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为是出现了故障的轴承的故障类别及原因。263.1.1滚动轴承故障的简易诊断法在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常是要将测得的振值（峰值、有效值等）与预先给定的某种判定标准进行比较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来判断轴承是否出现了故障，以决定是否需要进一步进行精密诊断。因此，判定标准就显得十分重要。用于滚动轴承简易诊断的判定标准可大致分为三种：27（1）绝对判定标准是用于判断实测振值是否超限的绝对量值。（2）相对判定标准是对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较，以轴承无故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断的标准。（3）类比判定标准是对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振动检测，并将振值相互比较进行判断的标准。28需要注意的是，绝对判定标准是在规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有轴承的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。l）振动信号简易诊断法①振幅值诊断法这里所说的振幅值指峰值Xp、均值x（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。29这是一种最简单、最常用的诊断法，它是通过将实测的振幅值与判定标准中给定的值进行比较来诊断的。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于象表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况（如300r／min以下）也常采用峰值进行诊断。均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速较高的情况（如300r／min以上）。30均方很值是对时间平均的，因而它适用于象磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。②波形因数诊断法波形因数定义为峰值与均值之比（Xp／X）该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。图4-9所示，当（Xp／X）值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而（Xp／X）值过小时，则有可能发生了磨损。31③波峰因数诊断法波峰因数定义为峰值与均方根值之比（Xp／Xrms）。该值用于滚动轴承简易诊断的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响。该值适用于点蚀类故障的诊断。通过对Xp／Xrms值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障时，Xp／Xrms为一较小的稳定值；一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故Xp／Xrms增大；当故障不断扩展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，Xp／Xrms逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。3233④概率密度诊断法无故障滚动轴承的振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分散的现象，如图4-l0所示。⑤峭度系数诊断法峭度（Kurtosis）定义为归一化的4阶中心矩，即3435振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3。随着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。362）冲击脉冲法（SPM法）冲击脉冲法（ShockPulseMethod）的原理是，滚动轴承运行中有缺陷（如疲劳剥落、裂纹、磨损和混入杂物）时，就会发生冲击，引起脉冲性振动。由于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰减性振动，因而冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。37当滚动轴承无损伤或有极微小损伤时，脉冲值（dB值）很小；随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。当冲击能量达到初始值的1000倍（60dB）时，就认为该轴承的寿命已经结束。当轴承工作表面出现损伤时，所产生的实际脉冲值用dBsv表示，它与初始脉冲值dB；之差称为标准冲击能量dBN38冲击脉冲法在现场使用之中往往由于经验不足、对设备工况条件考虑不周造成诊断失误。因此采用此方法进行诊断时应注意以下几方面问题：39①传感器的安装对于固定式安装的SPM传感器，经常会由于机器本身的结构限制，无法完全达到SPM传感器的安装标准，造成信号衰减。②设备安装条件对滚动轴承状态有明显影响的设备安装因素主要有：不对中和轴弯曲。这两种安装状态都会使轴承产生不均匀载荷，对轴承油膜的形成造成很大影响。这一方面会加剧轴承状态的恶化；另一方面，在轴承状态恶化以前也会造成冲击值增大，形成误报警。因此，对于此类轴承，在加强监护的同时，对其报警限要适当放宽。40③对辅助传动轴承的考虑对于辅助传动轴承，由于经常处于从动轻载荷状况，因此冲击值比其正常载荷下获得的标准值小很多，但同时由于载荷小而容易受其它轴承或齿轮冲击值的影响，使冲击值快速增高，因此对此类轴承应放宽其下限，但上限应基本不变。413）共振解调法（IFD法）共振解调法也称为早期故障探测法OncipientFailureDetection人它是利用传感器及电路的谐振，将轴承故障冲击引起的衰减振动放大，从而提高了故障探测的灵敏度；同时，还利用解调技术将轴承故障信息提取出来，通过对解调后的信号作频谱分析，用以诊断轴承故障。42滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点（缺陷处）以半球面波方式向外传播，通过轴承零件到轴承座（电动机端盖）。由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递一次，其能量损失约80％，使原来就十分微弱的故障信号更为微弱。然而，由于冲击脉冲有着十分宽阔的频谱，由低频一直到数百千赫的频谱几乎是等幅度，这一宽带冲击力频谱覆盖了轴承零件、传感器、轴承座等的固有频率，轴承内产生的冲击能量可激起轴承座和轴承各零件以其固有频率振动，振动能量随着机械结构的阻尼而衰减。因此，这种由局部缺陷所产生的冲击脉冲信号，其频率成分有反应轴承故障特征的间隔频率，还包含有反映轴承元件、轴承座的自振频率成分。43如果把轴承--测量传感器系统看作是一个线性系统，则在轴承座上测得的振动响应应为轴承内产生的冲击激励下所产生的响应，它包含了轴承弹性系统谐振在内的一种宽带响应，然后经过轴承座等结构的传递，把轴承运转时的振动传递到安装传感器的部位。轴承振动信号经上述线性系统后，其响应y（t）可以写成输入信号的傅里叶变换F（）和线性系统频率响应函数H（t）乘积的傅里叶逆变换44对上述线性系统，可以近似看作是一个由几个中心频率分别为轴承元件及轴承座固有频率、带宽f较窄的带通滤波器串联，因此输入的故障轴承信号可以看作是持续时间为、幅度为c的连续脉冲，那么对一个带通滤波器，此时响应y1（t）可以近似地写成4546由上式可知，带通滤波器对单个矩形脉冲的响应是一频率为f、幅值交变的振荡信号，在t=t0时有最大值。如果脉冲是连续的，经带通滤波器后的响应取包络后也是一个脉冲周期函数，而且其周期的大小与轴承故障引起输入的激励脉冲周期是相等的，对这个响应信号再进行频谱分析，频谱图上