1、滾動軸承的振動診斷滾動軸承的振動診斷Anhui University of Technology.軸承主要故障形式軸承主要故障形式一、概述一、概述u滾動軸承是機器中最易損壞的零件之一，約占旋轉機械故障的滾動軸承是機器中最易損壞的零件之一，約占旋轉機械故障的 30%u產生各種各樣軸承缺陷原因：由于設計、加工、安裝不好，或軸產生各種各樣軸承缺陷原因：由于設計、加工、安裝不好，或軸承服役條件不佳，突出載荷的襲擊等，運行一段時間后出現承服役條件不佳，突出載荷的襲擊等，運行一段時間后出現u檢測這些缺陷的方法很多，如：振動信號檢測、聲發射、鐵譜等檢測這些缺陷的方法很多，如：振動信號檢測、聲發射、鐵譜等技術

2、或直接測定溫度技術或直接測定溫度 u振動監測技術最為可靠容易實現振動監測技術最為可靠容易實現 因為大部分可歸納為表面劣化而使振動加劇，所以與表面狀態有因為大部分可歸納為表面劣化而使振動加劇，所以與表面狀態有關的振動信號成了檢測軸承狀態的重要資料關的振動信號成了檢測軸承狀態的重要資料u專用儀器，如：測定波峰因素的專用儀器，如：測定波峰因素的BK-2511振動儀、日本振動儀、日本NB-3軸軸承監視器、瑞典承監視器、瑞典MEPA-43沖擊脈沖儀、沖擊脈沖儀、SPM及美國及美國IRD820振動脈振動脈沖能量和峰值分析儀（用于在線）沖能量和峰值分析儀（用于在線） 研究目標Anhui University

3、 of Technology.軸承主要故障形式軸承主要故障形式二、軸承主要故障形式二、軸承主要故障形式 磨損：磨料磨損（雜質）和摩擦磨損（潤滑惡化）磨損：磨料磨損（雜質）和摩擦磨損（潤滑惡化） 疲勞剝落：交變應力作用、微小裂紋的發展、生繡等原因引起疲勞剝落：交變應力作用、微小裂紋的發展、生繡等原因引起 裂紋：由材料缺陷或交變載荷、應力集中、潤滑不良等引起裂紋：由材料缺陷或交變載荷、應力集中、潤滑不良等引起 腐蝕：濕氣或水侵入潤滑油、較大電流引起電腐蝕腐蝕：濕氣或水侵入潤滑油、較大電流引起電腐蝕 壓痕：過載、撞擊或異物進入滾道壓痕：過載、撞擊或異物進入滾道 膠合和點蝕：因為各種原因，當軸承在高溫

4、、高速、重載、瞬膠合和點蝕：因為各種原因，當軸承在高溫、高速、重載、瞬間載荷等使用條件下，滾道或滾動體表面產生微小燒損點，滾道間載荷等使用條件下，滾道或滾動體表面產生微小燒損點，滾道和滾動體表面溫度過高而使局部熔合在一起即膠合。和滾動體表面溫度過高而使局部熔合在一起即膠合。 其他故障形式：破損、燒損、電蝕等其他故障形式：破損、燒損、電蝕等 研究目標Anhui University of Technology.滾動軸承振動信號特征滾動軸承振動信號特征滾動軸承元件出現缺陷時，隨著軸承的旋轉，缺陷每接觸一次滾動軸承元件出現缺陷時，隨著軸承的旋轉，缺陷每接觸一次就會產生一次沖擊振動，具有一定的周期性，

5、其振動頻率在就會產生一次沖擊振動，具有一定的周期性，其振動頻率在020kHz。一、一、 滾動軸承的低頻振動（接觸頻率滾動軸承的低頻振動（接觸頻率-缺陷特征頻率）缺陷特征頻率）假設：（假設：（1）滾動環和滾動體之間無滑動；）滾動環和滾動體之間無滑動；（2）徑向、軸向受載荷時個部分無變形）徑向、軸向受載荷時個部分無變形 滾珠軸承對應于元件缺陷的頻率為（不是滾柱軸承）：滾珠軸承對應于元件缺陷的頻率為（不是滾柱軸承）：滾珠通過內圈滾道滾珠通過內圈滾道 )cos1 (021DdBizff滾珠通過外圈滾道滾珠通過外圈滾道 )cos1 (zffDd021Bo滾動體缺陷滾動體缺陷 )cos(1 ff2Dd0d

6、D21b)cos1 (ffDd021c保持架不平衡保持架不平衡 式中：式中：z滾動體個數；滾動體個數；d滾動體直徑；滾動體直徑；D滾道節徑；滾道節徑；f0軸承回轉頻率，為每秒轉數軸承回轉頻率，為每秒轉數n/60。 接觸角：滾動體受力方向與內外滾道垂直線的夾角。接觸角：滾動體受力方向與內外滾道垂直線的夾角。 研究目標Anhui University of Technology與軸承結構有關與軸承結構有關 (由于外力的激勵就會引起振動，不管軸承有無故由于外力的激勵就會引起振動，不管軸承有無故障均存在，但不能表征軸承的異常，所以要加以區分類型障均存在，但不能表征軸承的異常，所以要加以區分類型 ).滾

7、動軸承振動信號特征滾動軸承振動信號特征二、二、 滾動軸承的固有頻率（共振頻率）滾動軸承的固有頻率（共振頻率） 鋼球的固有頻率為鋼球的固有頻率為 REg212. 0fbnAEIg1n)2/D(2) 1n(nf222n軸承圈在圈平面內軸承圈在圈平面內的固有頻率（內外的固有頻率（內外圈彎曲方向的）為圈彎曲方向的）為 式中：E彈性模量；I軸承圈橫截面的慣性矩；材料密度；A軸承圈橫截面積；n振動階數。G重力加速度；R鋼球半徑；D軸承圈橫截面中性軸直徑。 此為圓環彎曲方向的振動頻率，還有內外徑半徑方向、扭力方向的振動，式中計此為圓環彎曲方向的振動頻率，還有內外徑半徑方向、扭力方向的振動，式中計算為單體共振

8、頻率，具結構其計算有變化。算為單體共振頻率，具結構其計算有變化。 一般固有頻率在數千一般固有頻率在數千HZ到數十千到數十千HZ，人耳聽不見，人耳聽不見 研究目標Anhui University of Technology.滾動軸承振動信號特征滾動軸承振動信號特征三、滾動軸承振動信號特征滾動軸承振動信號特征（特征頻率成分）特征頻率成分）其中，n為正整數；Z為鋼球數目；fc為保持架頻率；f0為軸承回轉頻率。研究目標Anhui University of Technology.滾動軸承振動信號特征滾動軸承振動信號特征其中，fbi為鋼球在內圓滾道上的通過頻率；f0振動頻率；fc為保持架轉速；fb滾動體

9、相對于保持架的頻率。研究目標Anhui University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法一、簡易診斷法（僅判斷有無異常）一、簡易診斷法（僅判斷有無異常）1、測定部位的選擇、測定部位的選擇注意：（注意：（1）測定部位不要改變，以保證前提一致，最好是軸承座；）測定部位不要改變，以保證前提一致，最好是軸承座； （2）測頭接觸表面光滑牢固；）測頭接觸表面光滑牢固； （3）一般在垂直、軸向兩方向上測量。速度需三個方向，加）一般在垂直、軸向兩方向上測量。速度需三個方向，加速度一個方向即可。速度一個方向即可。軸承座露在外面，測定部位：軸承座；軸承座露在外面，測定部位

10、：軸承座；軸承座在內部，測定部位：軸承座剛性高的部位或基礎。軸承座在內部，測定部位：軸承座剛性高的部位或基礎。 2 2、測定參數、測定參數軸承振動頻率范圍在幾軸承振動頻率范圍在幾HZ到數千到數千HZ。一般一般 小于小于10HZ， 測位移；測位移； 10HZ至至1KHZ（中頻），（中頻）， 測速度；測速度； 大于大于1KHZ（高頻），（高頻）， 測加速度（常用于大于測加速度（常用于大于10KHZ）。）。常用速度和加速度，為去除其它振動信號，用濾波器取所需帶寬。常用速度和加速度，為去除其它振動信號，用濾波器取所需帶寬。3 3、測定周期、測定周期測定時間間隔取決于經濟性，且不漏異常情況，越短越好。測

11、定時間間隔取決于經濟性，且不漏異常情況，越短越好。研究目標4、判別標準、判別標準 絕對值判別標準和相對判別標準，兼用。絕對值判別標準和相對判別標準，兼用。 適用于所有軸承的絕對標準是不存在的，同一種軸承用于不同的場適用于所有軸承的絕對標準是不存在的，同一種軸承用于不同的場合其判別標準也是不同的。所以一定要注意使用場合選擇合適的判合其判別標準也是不同的。所以一定要注意使用場合選擇合適的判別標準。別標準。 低頻部分的絕對值判別標準難以確定，用相對標準或相對判定法，低頻部分的絕對值判別標準難以確定，用相對標準或相對判定法，故對于同時存在高、低頻的軸承振動要用兩個判別標準來判別。故對于同時存在高、低頻

12、的軸承振動要用兩個判別標準來判別。5、簡易診斷、簡易診斷首先檢查潤滑狀態，加油后數小時數天后測量，發現振動明顯增大，首先檢查潤滑狀態，加油后數小時數天后測量，發現振動明顯增大，則要判別是否異常；則要判別是否異常；根據各自情況制定出專門的絕對值標準，測定同條件下的振動初始根據各自情況制定出專門的絕對值標準，測定同條件下的振動初始值，即相對值判別標準；值，即相對值判別標準；確定判定方案，包括：位置、方向、參數、周期等。確定判定方案，包括：位置、方向、參數、周期等。測量振動信號，作出比較判斷或進一步作譜分析。測量振動信號，作出比較判斷或進一步作譜分析。Anhui University of Tech

13、nology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法研究目標二、低頻信號診斷法二、低頻信號診斷法Anhui University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法低頻信號診斷法低頻信號診斷法通過直接測量滾動軸承損壞出現的振動，從振動譜圖上觀察突出通過直接測量滾動軸承損壞出現的振動，從振動譜圖上觀察突出的譜線頻率來診斷軸承故障。的譜線頻率來診斷軸承故障。研究目標Anhui University of Technology頻率成分頻率成分激發頻率激發頻率故障說明故障說明理論值理論值Hz實驗值實驗值Hz保持架回轉頻率保持架回轉頻率fc18.8036.102倍保持

14、回轉頻率，滾倍保持回轉頻率，滾動元件或保持架不規動元件或保持架不規則則轉子回轉頻率轉子回轉頻率f050.0050.65轉子不平衡轉子不平衡內圈軌道頻率內圈軌道頻率FBi206.25200.95內圈不規則內圈不規則滾動體回轉頻率滾動體回轉頻率fb187.50380.002 倍關系，滾動體缺陷倍關系，滾動體缺陷. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法低頻信號診斷法低頻信號診斷法研究目標Anhui University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法包絡法包絡法三、 包絡法（共振解調法包絡法（共振解調法 ） 軸承發生故障時，將引起一系列沖擊脈沖，在頻域中含有基

15、頻及其一系軸承發生故障時，將引起一系列沖擊脈沖，在頻域中含有基頻及其一系列高階諧波，經過傳感器拾取及電路諧振，列高階諧波，經過傳感器拾取及電路諧振，-高頻自由衰減振動，即傳感器高頻自由衰減振動，即傳感器振動被故障脈沖響應調制，此高頻振動的幅值受到軸承缺陷引起的脈動激發振動被故障脈沖響應調制，此高頻振動的幅值受到軸承缺陷引起的脈動激發力的調制力的調制包絡法中，信號先被濾去其他低頻分量（燥聲）而只取經調制的高頻分包絡法中，信號先被濾去其他低頻分量（燥聲）而只取經調制的高頻分量（高頻自由衰減振動），再經放大、濾波后送入峰值跟蹤器解調（或低通量（高頻自由衰減振動），再經放大、濾波后送入峰值跟蹤器解調（

16、或低通濾波器），即可得到原來的低頻脈動信號，在此基礎上進行軸承缺陷的頻譜濾波器），即可得到原來的低頻脈動信號，在此基礎上進行軸承缺陷的頻譜分析。分析。所得解調波與故障脈沖有唯一對應關系，解調波的幅度反映故障嚴重程所得解調波與故障脈沖有唯一對應關系，解調波的幅度反映故障嚴重程度，而解調波的基頻為軸承故障頻率（特征頻率）度，而解調波的基頻為軸承故障頻率（特征頻率） 包絡法的優點是它有效地消除了各種低頻成分的干擾，更為突出地顯示包絡法的優點是它有效地消除了各種低頻成分的干擾，更為突出地顯示故障的頻譜特征，提取有用信息使診斷結果更準確。故障的頻譜特征，提取有用信息使診斷結果更準確。研究目標Anhui

17、University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法包絡法包絡法低頻信號接收法和包絡法拾取信號過程低頻信號接收法和包絡法拾取信號過程研究目標Anhui University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法包絡法包絡法低頻信號接收法和包絡法得到的譜圖低頻信號接收法和包絡法得到的譜圖圖中圖中a、c無故障，無故障， b、d有故障，有故障， a、b低頻信號接收法，低頻信號接收法， c、d包絡法包絡法 研究目標Anhui University of Technology. .滾動軸承故障診斷法滾動軸承故障診斷法聲發射診斷法聲發射

18、診斷法四、聲發射診斷法四、聲發射診斷法原理：原理： 疲勞斷裂疲勞斷裂交變載荷作用，金屬產生錯位運動，首先產生疲勞裂交變載荷作用，金屬產生錯位運動，首先產生疲勞裂紋，再沿著最大切向應力方向擴展（一般是外圈），紋，再沿著最大切向應力方向擴展（一般是外圈），直至斷裂。直至斷裂。疲勞磨損疲勞磨損循環接觸壓應力周期地作用在摩擦表面上，金屬晶格循環接觸壓應力周期地作用在摩擦表面上，金屬晶格的彈性應力達到臨界值就會產生微觀裂紋，進而擴展的彈性應力達到臨界值就會產生微觀裂紋，進而擴展出現麻點、微粒脫落。出現麻點、微粒脫落。這些軸承故障的發生與發展都伴隨著聲發射信號的發出。金屬材料聲這些軸承故障的發生與發展都伴

19、隨著聲發射信號的發出。金屬材料聲發射頻率為幾十到幾百兆赫，信號強度為幾微伏到幾百伏。故障的聲發射發射頻率為幾十到幾百兆赫，信號強度為幾微伏到幾百伏。故障的聲發射明顯強于燥聲的聲發射。所以以聲發射信號作為分析源，來研究其頻譜。明顯強于燥聲的聲發射。所以以聲發射信號作為分析源，來研究其頻譜。 （特別用于初期診斷效果好）（特別用于初期診斷效果好）聲發射：當固體受力的作用時，由于內部缺陷的存在，會產生應力集中，聲發射：當固體受力的作用時，由于內部缺陷的存在，會產生應力集中，使塑性變形加大或形成裂紋及擴展，這時均要釋放彈性波（應變能）。使塑性變形加大或形成裂紋及擴展，這時均要釋放彈性波（應變能）。 當零件多時或系