1、滾動軸承的狀態檢測與故障診斷滾動軸承的狀態檢測與故障診斷滾動軸承的狀態檢測與故障診斷一、概述一、概述二、診斷技術和方法二、診斷技術和方法三、故障診斷實例三、故障診斷實例四、結語四、結語一、概述1.基本概念 滾動軸承是旋轉機械中的重要零件，它具有摩擦阻力小，啟動靈敏，效率高，潤滑簡便和易于互換等優點，所以在各機械部門中應用最為廣泛。2.診斷的目的和意義1）滾動軸承的運行狀態是否正常往往直接影響到整臺機器的性能，如精度、可靠性、壽命等。統計表明，旋轉類機械大約有30%的機械故障都是滾動軸承引起的，采用故障診斷技術后，事故發生率可降低75%，維修費用可減少25%50%。2）狀態故障診斷技術可了解軸承

2、的性能狀態并及早發現潛在故障。對可能出現的故障提出預測、估計、判斷,可以有效提高機械設備的運行管理水平及維修效能，具有顯著的經濟效益。二、診斷技術和方法1. 1.滾動軸承的失效形式滾動軸承的失效形式2. 2.滾動軸承的失效過程滾動軸承的失效過程3. 3. 故障頻率計算故障頻率計算4. 4.振動特征的分析方法振動特征的分析方法1.滾動軸承的失效形式1）疲勞剝落 滾動軸承的內外滾道和滾動體交替進入和退出承載區域，這些部件因長時間承受交變載荷的作用，首先從接觸表面以下最大交變切應力處產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面在表層產生點狀剝落，逐步發展到大片剝落，稱之為疲勞剝落。疲勞剝落往往是滾動軸承失效的主

3、要原因，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命。 2）磨損由于滾道和滾動體的相對運動和塵埃異物引起表面磨損，潤滑不良會加劇磨損，結果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運轉精度，因而也降低了機器的運動精度，表現為振動水平及噪聲的增大。3）擦傷 由于軸承內外滾道和滾動體接觸表面上的微觀凸起或硬質顆粒使接觸面受力不均，在潤滑不良、高速重載工況下，因局部摩擦產生的熱量造成接觸面局部變形和摩擦焊合，嚴重時表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點從基體上撕裂。4）斷裂 當軸承所受載荷、振動過大時，內外圈的缺陷位置在滾動體的反復沖擊下，缺陷逐步擴展而斷裂。5）銹蝕 水分或酸、堿性物質直接

4、侵入會引起軸承銹蝕。當軸承內部有軸電流通過時，在滾道和滾動體的接觸點處引起電火花而產生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。2.滾動軸承的失效過程軸承失效通常劃分為四個階段：1）第一階段：軸承的超聲頻率振動階段軸承最早期的故障是表現在250khz350khz范圍的超聲頻率的振動異常，隨著故障的發展，異常頻率逐漸下降移到20khz60khz。2）第二階段：軸承的固有頻率振動階段 隨著軸承的運轉，軸承滾動表面會產生輕微的缺陷，這些輕微缺陷引起的振動會激起軸承部件的固有頻率(fn)振動或軸承支承結構共振，一般振動頻率在500hz2khz。3）第三階段：軸承缺陷頻率及其倍頻振動階段 隨著軸承微小缺陷的進

5、一步擴展，軸承缺陷頻率及其倍頻開始出現，隨著軸承磨損的進一步發展，更多缺陷頻率的倍頻開始出現，圍繞這些倍頻以及軸承部件固有頻率的邊頻帶數量也逐步上升。4）第四階段：軸承隨機寬帶振動階段 軸承已經接近完全失效，軸承的壽命已經接近尾聲，甚至工頻也受其影響而上升并產生許多工頻的倍頻，而原先離散的軸承缺陷頻率和固有頻率開始“消失”，取而代之是隨機的寬帶高頻“噪聲振動”。3.軸承故障頻率計算 內環滾動，外環固定，這是滾動軸承最常見的安裝方式。其故障頻率分別為： 內 環： 外 環： 滾動體： 保持架：02(1cos )nddbpfif02)cos1 (fbpfoddn2021 ( cos ) ddddbs

6、ff102(1cos )ddftff式中：n滾動體數目d滾動體直徑d軸承節徑，即外環內徑與內環外徑的平均值接觸角，對于推力軸承，接觸角為90。 有時難以測量軸承的幾何尺寸，在知道滾動體數目的情況下，可以用以下公式估算軸承的故障頻率： 內 環： 外 環： 滾動體： 保持架： 對于滾動體數目在612個的軸承，誤差較小。02) 2 . 1(fbpfin02)2 . 1(fbpfon02 . 1221)(fbpfinn02 . 121)(fftfn4.滾動軸承的振動特征分析方法4.1特征參數法 在滾動軸承狀態監測和故障診斷的振動特征分析中,特征參數法占有重要位置。特征參數法的優點在于僅有少數指標用于解

7、釋軸承的狀態, 結果分析簡單和方便。此外, 采用特征參數法評定軸承狀態時不需要軸承以前的歷史記錄, 這是此技術另一項具有吸引力的特征。在滾動軸承診斷中常用的特征參數包括有效值、峰值等各種時域特征參數和重心頻率等各種頻域參數。 但時域和頻域參數各有其適用范圍,主要用于簡易診斷, 單獨使用某一種指標往往不能得到準確的結果。因此, 在實際應用中應綜合使用, 以便獲得較好的效果。4.2頻譜分析法 利用特征參數可以對軸承進行簡易診斷，發現故障后,就應進一步通過振動信號的頻率分析, 以判明故障的類別和原因。 滾動軸承的振動其頻率成分十分豐富, 既含有低頻成分,又含有高頻成分。每一種特定的故障都對應特定的頻

8、率成分, 需要通過適當的信號處理方法將特定的頻率成分分離出來, 從而指出特定故障的存在。 軸承信號的頻譜分析是最有用的診斷與故障檢測方法, 但這種方法需要知道關于軸承幾何結構和運行狀態的細節, 其次頻譜分析法用于提取在低頻和中頻帶中的軸承故障特征頻率及其諧波, 但由于部分軸承故障特征頻率接近由機器的其它部件激發的頻率, 從而很難識別。4.3包絡法 包絡法的優點是它能區分同時發生在同一個軸承中的數種故障特征的特征, 這大大提高了故障識別的確定性。 當軸承某一元件表面出現局部損傷時，在受載運行過程中要撞擊與它接觸的表面而產生沖擊脈沖力。由于沖擊脈沖力的頻帶很寬,包含軸承組件、軸承座、 機器結構及傳

9、感器的固有頻率, 所以必然激起測振系統的共振。因此，測得的振動加速度信號包含著多個載波共振頻率, 以及調制于其上的故障特征頻率和其諧波成分。 一般是根據實際情況選取某一共振頻率為中心,使微弱的軸承故障信號搭載在高幅值的諧振頻段傳遞出來，否則高頻低幅的軸承故障信號在多個界面經過反射、衰減之后，傳感器很難拾取。再對所測信號進行絕對值處理，之后采用低通濾波，即可獲得調制信號的包絡線，然后進行快速傅立葉變換fft，即可得到包含故障特征頻率及其倍頻成分的低頻包絡信號, 對包絡信號進行頻譜分析就可以很容易地診斷出軸承的故障來，這個過程也稱為共振解調。 包絡法適用于局部損傷類故障, 對于磨損類故障和間隙增大

10、故障也有一定的效果。但是在大多數情況下, 包絡法需要人工判斷。包絡譜有時十分復雜, 難以直觀識別, 對操作者的技術水平要求較高。三、故障檢測實例 下圖是一臺三柱塞注水泵軸承的包絡譜。泵轉速335rpm，排出壓力25mpa，流量16m3/h， 驅動電機功率132kw，電機轉速985rpm，電機與泵通過皮帶傳動。泵軸承為雙排球面滾子軸承，型號22330。 根據軸承尺寸計算的軸承故障頻率如下： 內圈故障頻率 bpir=49.6hz 外圈故障頻率 bpor=34.2hz 滾動體 bsf=14.7hz 保持架 ftf=2.3hz 曲軸轉頻 f0=335rpm/60s=5.58hzfourier spec

11、trum (v i b) - i nput (m agni tude)w orking : i npu t : i nput : fft a nal yzer4080120160200240280320360012345678h zm /s 2fourier spectrum (v i b) - i nput (m agni tude)w orking : i npu t : i nput : fft a nal yzer4080120160200240280320360012345678h zm /s 25.0hz43.0hz87.0hz130.0hz260.0hz 經過包絡處理之后，不平衡、松動、皮帶輪偏斜、軸向竄動等頻率都被濾掉了，只用考慮軸承故障和泵進排液閥沖擊。而進排液閥產生的沖擊頻率是泵轉頻的1、3、6倍，包絡譜中主要頻率分量是43hz、87hz、130hz、260hz，不是轉頻5.58hz的倍頻分量，由此斷定故障不是由泵進排液閥竄繞引起的。當軸承跑內圓或軸承磨損使間隙增大時也會在包絡譜上產生轉頻及其諧波分量。經過比對，這些頻率分量是滾動體故障頻率14.7hz的3、6、9、18倍頻，表明滾動體出現故障，