1、滚动轴承故障诊断概述旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30是因滚动轴承引起的轴承轴承 结构：由内环、外环、滚动体和保持架组成滚动体类型有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子和球面滚子等安装轴承损坏轴承损坏 内环缺陷内环缺陷1 滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，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
2、。滚动轴承的主要故障形式与原因如下：这是滚动轴承常见的一种异常形式。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，首先在表面下一定深度处形成裂纹，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，这种疲劳剥落现象造成运转时的冲击载荷，使得振动和噪声加剧。1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (1).(1).疲劳剥落疲劳剥落0100200300400500600700-2-1.5-1-0.500.511.522.5轻微剥落严重 是滚动轴承另一种常见的异常形式。轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因及杂质异物的侵入引起表面磨损。磨粒
3、的存在是轴承磨损的基本原因，润滑不良会使磨损加剧。磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙，增大振动和噪声。1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (2).(2).磨损磨损 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。这样，载荷的累积作用或短时超载就有可能引起轴承塑性变形。1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (3).(3).塑性变形塑性变形 润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀（化学腐蚀）轴承内部有较大的电流通过造成的电腐蚀以及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(是微动磨损与腐蚀
4、协同作用的结果)1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (4).(4).腐蚀腐蚀 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。1滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (5).(5).断裂断裂 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。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。1 滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (6).(6).胶合胶合 由
5、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。1 滚动轴承异常的基本形式滚动轴承异常的基本形式 (7).(7).保持架损坏保持架损坏 2 滚动轴承的振动类型及其故障特征滚动轴承的振动类型及其故障特征在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：与轴承的弹性有关的振动，其二为与轴承滚动表面的状况（波纹、伤痕等）有关的振动前者与异常状态无关，后者反映了轴承的损伤情况。滚动轴承在运转时，滚动体在内、外圈之间滚动。如果滚动表面损伤，滚动体在损伤表面转动时，便产生一
6、种交变的激振力。由于滚动表面的损伤形状是不规则的，所以激振力产生的振动，将是由多种频率成分组成的随机振动。2 滚动轴承的振动类型及其故障特征滚动轴承的振动类型及其故障特征从轴承滚动表面状况产生振动的机理可以看出，轴承滚动表面损伤的形态和轴的转速，决定了激振力的频率。轴承和外壳，决定了振动系统的传递性。振动系统的最终振动频率，由上述二者决定。即，轴承异常所引起的振动频率，由轴的旋转速度、损伤部分的形态与外壳振动系统的传递特性所决定。通常，轴的转速越高，损伤越严重，其振动的频率就越高；轴承的尺寸越小，其固有振动频率越高。2.1 滚动轴承的滚动轴承的固有振动频率固有振动频率滚动轴承在工作时，滚动体与
7、内环或外环之间可能产生冲击而引起轴承各元件的固有振动。各轴承元件的固有频率与轴承的外形、材料和质量有关与轴的转速无关。轴承元件的固有频率值，受安装状态的影响。一般情况下，滚动轴承的固有频率通常可达数千赫到数十千赫。滚动轴承的几何参数主要有：轴承节径D：轴承滚动体中心所在的圆的直径滚动体直径d：滚动体的平均直径内圈滚道半径rl：内圈滚道的平均半径外圈滚道半径r2：外圈滚道的平均半径接触角a：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角 滚动体个数Z：滚珠或滚珠的数目2.2 滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率 为分析轴承各部运动参数，先做如下假设：(1)滚道与滚动体之间无相对滑动；(2)每个滚道体直径相
8、同，且均匀分布在内外滚道之间 (3)承受径向、轴向载荷时各部分无变形；方法：研究出研究出不承受轴向力不承受轴向力时轴承缺陷特征频率，进而，推导出时轴承缺陷特征频率，进而，推导出承受轴向力承受轴向力时轴承缺陷特征频率时轴承缺陷特征频率2.2 滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率(1)外环固定，内环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于外环的旋转频率：由图(a)可知，内环滚道的切线速度为式中，fr为轴的旋转频率，d为滚动体的直径，Di为内环滚道的直径，Dm为轴承滚道节径，即内外滚道的平均值。因为滚动体滚而不滑，所以滚动体与内环滚道接触点A的速度为)(dDffDVmrriiiAVV 1.不承受轴
9、向力时不承受轴向力时轴承缺陷特征频率轴承缺陷特征频率图(a)图(b)又因外环固定，所以滚动体与接触点C的速度为而滚动体中心B的速度（即保持架的速度）为单个滚动体（或保持架）相对于外环的旋转频率为0CVrmABfdDVV)(221rmmrmmBBofDdDfdDlVf)1(21)(2lm为滚道节圆周长为滚道节圆周长(2)内环固定，外环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于内环的旋转频率：若外环的的旋转频率仍为fr，则保持架相对内环的切向速度从图(b)可知为单个滚动体（或保持架）相对于内环的旋转频率为rmABfdDVV)(221rmmrmmBBifDdDfdDlVf)1(21)(2图(a)图(
10、b)滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率(3)轴承内外环有缺陷时的特征频率：如果内环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的频率为如果外环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的频率为(4)单个滚动体有缺陷时的特征频率：如果单个有缺陷的滚动体每自传一周只冲击外环滚道（或外环）一次，则其相对于外环的转动频率为ZfDdZffrmBii)1(21ZfDdZffrmBoo)1(21dDfDdddDffmrmmBoRS)1(21)(22滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率(5)保持架与内外环发生碰磨的频率：保持架碰外环的频率（等于单滚动体的外环通过频率）保持架碰内环的频率（等于单滚动体的内环通过频率
11、）rmBofDdf)1(21rmBifDdf)1(21滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率2.承受轴向力时轴承缺陷特征频率由于滚动体具有相当大的间隙，在承受轴向力时，轴承内外环轴向相互错开，滚珠与滚道的接触点有移动由A、B点移动到C、E。此时，轴承的节径不变，但内滚道的工作直径变大，外滚道的工作直径变小，就是说滚珠的工作直径由d变为dcosa。只须将不受轴向力时轴承缺陷特征频率计算公式进行替换（轴承特征频率只与轴承节径和滚珠直径有关）滚动轴承的特征频率滚动轴承的特征频率 内圈故障的频率fi为：滚动体故障的频率fRS为 外圈故障的频率fo为：ZfDdfrmi)cos1(21ZfDdfrmo)co
12、s1(21dDfDdfmrmRS)cos1(212222.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征1.滚动轴承的时域波形特征 正常情况下，滚动轴承的振动时域波形。有两个特点：一是无冲击，二是变化慢。2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征轴承元件发生异常时，就会产生冲击脉冲振动：冲击脉冲周期为基阶故障特征频率的倒数冲击脉冲宽度在s数量级，它将激起系统或结构的高频响应（固有振动）响应水平取决于系统或结构的固有频率及阻尼的大小。2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，点蚀部分与滚动体发生冲击接触的位置的
13、不同(内圈和滚动体均滚动)载荷受力不同，则振幅会发生周期性的变化，即发生振幅调制。若以轴旋转频率fr进行振幅调制，这时的振动频率为nZfifr（n1，2）；若以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fm进行振幅调制，这时的振动频率为nZfifm（n1，2，）。内滚道内滚道损伤振动特征损伤振动特征 2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征当轴承外滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，在滚动体通过时也会产生冲击振动。由于点蚀的位置与载荷方向的相对位置关系是固定的（外圈固定），所以，这时不存在振幅调制的情况，振动频率为nZfo(n1,2,），振动波形如图所示。外滚道损伤振动特征 2
14、.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征当滚动体产生损伤时，如剥落、点蚀等，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击振动。在滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为nZfRS（n1，2,）的冲击振动。通常滚动轴承都有径向间隙，因此，同内圈存在点蚀时的情况一样，根据点蚀部位与内圈或外圈发生冲击接触的位置不同，也会发生振幅调制的情况，不过此时是以滚动体的公转频率fm进行振幅调制。这时的振动频率为nzfRSfm，如图所示。滚动体损伤振动情况 2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征轴承偏心引起的振动轴承偏心引起的振动 当滚动轴承的内圈出现严重磨损等情况时，轴承会出现
15、偏心现象，当轴旋转时，轴心（内圈中心）便会绕外圈中心摆动，如图所示，此时的振动频率为nf r（n1,2,）。滚动轴承偏心振动特征 不同轴引起的振动不同轴引起的振动 当两个轴承不对中，轴承装配不良等都会引低频振动。2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其故障特征滚动体的非线性伴生振动：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，因此具有“弹簧”的性质（刚性很大）。当润滑状态不良时，就会出现非线性弹簧性质的振动。轴向非线性振动频率为轴的旋转频率fr，分数谐波1/2fr,1/3fr,，及其高次谐波2fr,3fr,2.3 滚动轴承的振动及其故障特征滚动轴承的振动及其
16、故障特征滚动轴承正常时和发生剥落损伤时的轴承振动信号的幅值概率密度分布如图。从图中可以看出，轴承发生剥落时，幅值分布的幅度广，这是由于存在剥落的冲击振动。这样，从概率密度分布的形状，就可以进行异常诊断。轴承振动的概率密度分布2.幅值域中的概率密度特征3 滚动轴承故障诊断方法滚动轴承故障诊断方法3.1 振动诊断法3.2 其它诊断方法3 滚动轴承故障诊断方法滚动轴承故障诊断方法振动诊断法在轴承故障诊断中的优点（1）可以检测出各种类型轴承的异常现象；（2）在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定；（3）由于振动信号发自轴承本身，所以不需要特别的信号源；（4）信号检测和处理比较容易。3.1 滚动轴承
17、常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法时域：有效值和峰值判断法时域：峰值指标法幅域：振幅概率密度分析法时序模型参数分析法冲击脉冲法包络法高通绝对值频率分析法3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法时域指标：有效值和峰值判断法 滚动轴承振动的瞬时值随时间在不断地进行变化，表现这种振动变化大小的方法广泛使用有效值（振动幅值的均方根值）均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。但对表面剥落或者伤痕等具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。（由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作时间平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来。）峰值反映的是某时刻振幅的最大
18、值，因而它适用于像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。21)(1(02dttxTTx3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法无量纲指标：峰值指标法 峰值指标是指峰值与有效值的比。由剥落或伤痕引起的瞬时冲击振动，峰值比有效值的反映灵敏。一般来讲，正常轴承振动的峰值指标约为5，当轴承发生伤痕时，峰值指标有时会达到10，所以用该方法容易对滚动轴承的异常做出判断。特点 由于峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的的判断可非常单纯地进行；此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器
19、或放大器的灵敏度即使发生变动，也不会出现测定误差。但这种方法对表面皱裂或磨损之类的异常，诊断能力很弱。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法振幅概率密度分析法概率密度分布对正常和有疲劳剥落的轴承可进行定性区分（正常、异常）定量化可用概率密度分布的幅度表示，即概率密度分布的陡度R4（是概率密度分布陡峭程度的度量），把异常的程度数量化，然后根据的R4大小判断轴承异常情况。444)(xdxxpxR 其中，x为瞬时幅值，p(x)为概率密度函数，x为标准偏差。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法振幅概率密度分析法一般来讲，对正常轴承，R4大小为3；当剥落发生时，R4
20、将变大。R4与峰值指标类似，因其与轴承转速、尺寸、负荷等条件无关，因此使用起来对轴承好坏的判定非常简单。缺点：对轴承表面皱裂、磨损等异常缺乏检，主要适用于轴承表面有伤痕的情况。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法时序模型参数分析法 将轴承振动信号采样值看作一个时间序列，并建立数学模型，然后利用模型的参数对轴承故障进行诊断。思路：常用的模型为自回规模型AR(m)，假设根据观测值xk(k=1,2,3,N)，建立的模型为NmkkakmkmkkkaNaxxxx12222111.自回归模型参数j(=1,2,m)表征了被测系统的某些特性，如动态特性、频率结构模式、能量大小等。在建模时，
21、j是通过残差方差 最小而获得的2a3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法时序模型参数分析法 轴承故障或工况的变化导致系统状态相应改变，即表征系统特性的模型参数j也会随之变化。这样，用来真实拟合描述系统的差分方程的阶次m也就相应发生变化。如果系统状态的改变不足以引起模型阶次的变化，则用原来的j值来计算ak，但 值将会增大。可以看出，模型阶次m和残差方差 集中地代表了系统的特性。2a2a3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法时序模型参数分析法 为了消除不同工作条件下的滚动轴承信号强度因素加以排除。为此，引入归一化残差方差指标。2x22xaNRSS为观测数据xk的
22、方差。分析比较滚动轴承在正常和各种异常时m及NRSS的变化规律，实现轴承状态的判断。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法冲击脉冲法 基本原理：当两个不平的表面相互撞击时（滚动体与内滚道缺陷），就会产生冲击波，即冲击脉冲，冲击脉冲激发了轴承元件和结构的共振。基于这个原理，通过测量仪器，检测轴承系统的共振来判断冲击脉冲的大小，来了解轴承的工作状态。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法冲击脉冲法专业仪器：冲击脉冲计，其加速度传感器对振动信号不作宽频率测量，而只是在传感器的固有频率上（30-40kHz）测量。该频带与其他机械结构振动频率相差较远，可排除常规振动影
23、响。轴承的冲击振动经轴承座传递到传感器上，激发其固有频率的减幅振荡，其振幅与故障的严重程度成正比。3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法冲击脉冲法振动加速度的振幅大小是与异常程度成正比例的，因此可以利用冲击波形的最大值xp，或者冲击波形的绝对平均值 进行异常判断。当转速较低时（300r/min），平均值很小，据此进行异常与否判断则很困难，因此用最大值进行诊断。有时也用 来判断异常，大表示轴承有损伤，小则表示发生了润滑不良或磨损异常。/pxxx/px/pxx|x3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法冲击脉冲法特点：由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递
24、一次，其能量损失约80，使原本就十分微弱的故障信号更加微弱，因此，冲击脉冲技术对测点要求高，测点选择满足：传递路径尽可能短传递路线上只能有从轴承到轴承座之间的一个界面测点必须选在轴承的负载区缺点：只能判断正常与否，以及损伤的严重程度，无法判别故障元件3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法包络法包络分析法是利用包络检测和对包络谱的分析，根据包络谱峰识别故障。当滚动轴承元件产生缺陷而在运行中引起脉动时，不但会引起轴承外圈及传感器本身产生高频固有振动，且此高频振动的幅值还会受到上述脉动激发力的调制。步骤：在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入解调器，即可得到原来的低
25、频脉动信号，再经谱分析即可获得功率谱。（与冲击脉冲法相似）包络法基本原理1）理想的故障微弱冲击脉冲信号F(t)2）传感器接收后，产生的高频振荡波3）波形包络4）频谱分析3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法包络法的优势包络法把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免与其它低频干扰的混淆，故有很高的诊断可靠性和灵敏度，是目前最常用、最有效地诊断滚动轴承故障的方法之一。l 不仅可根据某种高频固有振动的出现与否，判断轴承是否异常l 而且可根据包络信号的频率成分识别出产生故障的原件（如内圈、外圈、滚动体）。滚动轴承包络法的实例滚动轴承包络法的实例308型轴承：外圈剥落，采样
26、频率为40k特征：82.05Hz波形幅值谱幅值谱（局部放大）包络解调3.1 滚动轴承常用振动诊断方法滚动轴承常用振动诊断方法高通绝对值频率分析法 将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器放大后，再经过1kHz高通滤波器，只抽出其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行频率分析，即可判明各种故障原因。测试分析原理图3.2 其它诊断方法其它诊断方法 光纤维监测诊断法光纤维监测诊断法振动监测方法，通常是在轴承座上安装传感器，即用传感器测量轴承盖的振动信号。这样所检测的信号中完全接收了外界干扰，轴承的故障信号可能会因为较弱而被淹没。光纤监测技术则直接从轴承套圈的表面提取
27、信号。接触电阻法接触电阻法 所依据的基本原理和振动测量完全不同，它是与振动监测法相互补充的一种监测技术。电子高频谐振器电子高频谐振器现场振动监测及分析诊断的一般步骤现场振动监测及分析诊断的一般步骤问问 诊诊 监监 测测 诊诊 断断 措措 施施问诊问诊：充分收集有关机器的工作原理、结构参数、操作性能、故障历史及检查维修情况。监测监测:测取旋转机械在运行过程中的振动信号。诊断诊断：根据测得的信号进行分析，结合振动特征、故障机理及历史运行情况 对机器状态进行识别、分析故障原因、部位及发展趋势。措施措施：提出诊断结论及操作、维修建议。炼铁厂点检总站炼铁厂点检总站6 6号高炉号高炉1#1#助燃风机助燃风
28、机问诊：结构简图电机电机风机测点1测点测点问诊：问诊：设备参数设备参数电动机转速：n=1450rpm电动机功率：P=110-135Kw叶轮叶片数：8-10个轴承型号：1、2、3、324 深沟球轴承Z=15 D=190mm d=46.7mm 4、6324 调心辊子轴承Z=15 D=190mm d=35mm 问诊：问诊：频率计算频率计算 轴 承1234内 圈225.8217.8外 圈136.8145.2滚动体46.247.6保持架9.019.68轴转频:fr=n/60=1450/60=24.2Hz 叶片通过频率:f=叶片数fr=(8-10)24.2 =193.6-242Hz滚动轴承的频率结构滚动轴
29、承的频率结构 故障特征频率故障特征频率(Hz)1)内圈的故障特征频率：2)外圈的故障特征频率：3)滚动体的故障特征频率：4)保持架的故障特征频率：zfDdfri)cos1(21zfDdfr)cos1(210rbfDddDf22cos12rCfDdf)cos1(21rCfDdf)cos1(21zfDdfri)cos1(21故障特征频率故障特征频率简化公式简化公式 1)内圈的故障特征频率：fi=0.6 fr Z 2)外圈的故障特征频率：fo=0.4 frZ 3)保持架的故障特征频率：fc=0.4 fr 4)滚动体的故障特征频率：0.23fr Z (Z10)fb=滚动轴承的固有频率（滚动轴承的固有频
30、率（1-20KHZ1-20KHZ）滚动轴承内、外圈固有频率按以下公式计算：滚动体固有频率计算公式：1)1(104.92225kkkbhfrfbr/108.44滚动轴承的频率结构back线材厂精轧区域轴承名细表线材厂精轧区域轴承名细表back监测监测测点测点测点 监测监测 本次测试，取3个测点并分别在水平、垂直、轴向三个方向，测量速度、加速度，共18个测量值。测点参数2H2V2A3H3V3A4H4V4A速度mm/s10.48.919.821.921.12813.610.811.5加速度m/s214.48132.5237.4138.4113.257.729.740.514.4back诊断：诊断：滚
31、动轴承振动诊断步骤滚动轴承振动诊断步骤测值分析时域指标分析时域波形分析频谱分析诊断诊断分析振动测量值分析振动测量值测量值（通频）的大小 哪一方向与标准相比较 绝对标准 相对标准 类比标准 与前几次的测试结果相比，做趋势分析。初步判断设备处在何种状态 诊断诊断分析振动测量值分析振动测量值测点参数2H2V2A3H3V3A4H4V4A速度mm/s10.48.919.821.921.12813.610.811.5加速度m/s214.48132.5237.4138.4113.257.729.740.514.4 根据国际ISO2372振动标准，三个测点的振动烈度基本上均处在不允许状态。尤其是测点3的振动烈
32、度都在20 mm/s以上。从振动加速度的幅值可看出测点2和3的加速度幅值较大。测点2轴向加速度幅值达237 mm/s2。相比之下，振动烈度基本上是轴向水平垂直，这就排除了松动故障。怀疑不平衡或不对中等故障。backISO 2372ISO 2372标准标准backA-良好B-允许C-较差D-不允许I I级级-小型小型15KW 15KW 以下电机以下电机IIII级级-中型中型15-15-75KW75KW电机电机IIIIII级级-大型，大型，刚性基础刚性基础IVIV级级-大型，柔大型，柔性基础性基础诊断诊断（2）时域指标分析）时域指标分析波峰因数均方根值峭度系数滚动轴承的时域指标滚动轴承的时域指标波
33、峰因数波峰因数C Cf f（又称峰值系数）：是指峰值与有效值之比。（即XP/Xrms）第一阶段：Cf 5，轴承正常；第二阶段：Cf=5 10，轴承轻微损伤；第三阶段：Cf=1020，轴承严重损伤；第四阶段：Cf减小，轴承损伤加剧；第五阶段：Cf恢复到初始值时，必须更换轴承。滚动轴承的时域指标滚动轴承的时域指标峭度系数峭度系数 无故障轴承，峭度系数 3；如果出现故障，峭度值的变化规律同于波峰因数的变化。均方根值均方根值V Vrmsrms（振动速度有效值或振动烈度）：稳定性较好，但对早期故障信号不敏感。它最能反映振动的烈度。注：为了取得较好的效果，常将与与V Vrmsrms同时应用，以兼顾敏感性和
34、稳定性。诊断诊断（2）时域指标分析）时域指标分析测点2轴向加速度幅值达237 mm/s2。其峭度值达7左右（正常值在3左右）。测点3轴向加速度幅值达138.4 mm/s2。其峭度值达5.47左右。go 诊断诊断（3）时域波形分析时域波形分析信号的时域分析-时域波形分析 信号波形是某种物理量随时间变化的关系。信号在时域内的变换或分析称为时域分析。故障轴承的振动波形故障轴承的振动波形 c内外圈疲劳剥落 d外圈椭圆度超差go a正常轴承b滚道面疲劳诊断诊断（4）频域分析）频域分析方法：方法：频谱分析 动态信号的诸频率成分的幅值、相位、功率、能量与频率的关系表达出来就是频谱。带滚动轴承的机械频谱特点带
35、滚动轴承的机械频谱特点不平衡不对中松动滚动轴承故障滚动轴承的滚动轴承的频谱分析频谱分析 1、方法：方法：由于滚动轴承振动的频带很宽，既有高频振动，也有低频成分。在进行频谱分析时，可以选低频段和高频段两个频段进行分析。低频段：范围1000HZ，覆盖轴承的故障特征频率；高频段：范围1000-10000HZ，主要是轴承的固有频率及其高次谐波。滚动轴承的滚动轴承的频谱分析频谱分析 高频段是否有能量堆积或峰群出现无：没有早中期故障有：存在早期故障在低频段出现轴承的通过频率通过频率的峰值增大，故障恶化 2、诊断思路诊断思路1）轴承疲劳后，加速度谱图上出现高频峰群。2）确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故
36、障，若还有明显的倍频成分，表明故障严重。确认外圈故障特征频率n f0处有峰，表明外圈有故障。确认内圈故障特征频率n fi处有峰，还有间隔为1的边频，表明内圈存在故障。确认滚动体故障特征频率n zfb处有峰，还有边频，边带间隔为保持架故障特征频率，表明滚动体有故障。滚动轴承的滚动轴承的频谱分析频谱分析 3 3、理论依据、理论依据滚动轴承的滚动轴承的频谱分析频谱分析 4 4、滚动轴承的故障频谱特征滚动轴承的故障频谱特征 第 一 阶 段第 二 阶 段第 三 阶 段第 四 阶 段滚动轴承的故障频谱特征滚动轴承的故障频谱特征第 一 阶 段：轴承故障出现在超声段20-60kHz。冲击能量、高频振动（5-2
37、0kHz或更高）和冲击脉冲。第一个信号是10-20倍的轴承基本损坏频率。在此阶段，滚动轴承声音、温度正常，轴承大约还有10-20的使用寿命。滚动轴承的故障频谱特征滚动轴承的故障频谱特征第 二 阶 段：轴承固有频率附近开始有轻微的轴承损坏迹象 频率范围大约是500-2000Hz，末期固有频率附近出现边频。旁波振幅的大小相对于轴承损坏频率的谐波是非常重要的指标。轴承略有噪声、温度有小幅上升，轴承大约还有5-10的使用寿命。滚动轴承的故障频谱特征滚动轴承的故障频谱特征第 三 阶 段：滚动轴承出现磨损故障频率和谐波出现。磨损发展时出现更多故障频率谐波，边带数目增多 轴承有噪声、温度上升，轴承大约还有2
38、-5的使用寿命。滚动轴承的故障频谱特征滚动轴承的故障频谱特征第 四 阶 段：滚动轴承损坏到了最末阶段 引起1倍转速频率的振幅上升，通常还导致2倍、3倍、4倍等倍频分量的上升。滚动轴承故障频率和固有频率“开始消失”。轴承大约还有1的寿命。厚板厂矫直线热矫直机减速机厚板厂矫直线热矫直机减速机 采样时间：2004-03-26 和2004-02-23测 量 值：24.00 m/s 2和21.6 m/s 2测点编号：1Ha 设备简图：两次测量的频谱图两次测量的频谱图87.4Hz87.4Hz 轴承在轴承座内松动或部件配合松动轴承在轴承座内松动或部件配合松动包括如下几方面的故障包括如下几方面的故障 轴承在轴
39、承座内松动 轴承内圈间隙大 轴承保持架在轴承盖内松动 轴承松动或与轴有相对转动轴承在轴承座内松动或部件配合松动轴承在轴承座内松动或部件配合松动振振 动动 特特 征征:常常出现大量的高次谐频,有时10X甚至20X，松 动严重时还会出现半频及谐频(0.5X,1.5X.)成分。半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。振动具有方向性和局部性。振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。诊断诊断（4）频域分析）频域分析原则原则：一般先通看一遍，然后从中找出振动值较大、振动特征明显的测点的时域波形图和频谱图再仔细分析。测点测点2 2轴向加速度轴向加速度back测点测点3 3轴向速度轴向速度测点测点4 4轴向速度
40、轴向速度诊断诊断（4）频域分析）频域分析从测点3水平方向加速度幅值谱可看到，在高频段有能量堆积，尽管峰值普遍不高，但频带较宽。这说明风机靠近联轴器侧的滚动轴承可能存在着早期故障。也有可能电机端故障是原发性故障，而测点3的较大振动是由电机振动引发的。测点4在高频段无能量堆积，且加速度幅值很小。这说明测点4处的滚动轴承目前正处在正常状态。诊断诊断（4）频域分析）频域分析从测点3轴向及测点4水平方向的速度幅值谱可看出，出现了转轴旋转频率25Hz(1450/60)及其倍频。并且基本上高次谐波的幅值大于转频。这是典型的平行不对中故障特征。测点2轴向加速度时域波形，存在着冲击现象。幅值谱图在高频段有能量堆
41、积并有较高的峰值。这说明电机侧测点2处滚动轴承可能存在这着中期故障。诊断诊断 结论结论该设备可能存在着较严重的不对中。它是该设备振动较大的主要原因。电机轴承2 2，风机靠近联轴器侧轴承3 3运行较差，属带病运行。相比之下，电机轴承故障较严重。测点4轴承目前基本处在正常工作状态。措施措施 仔细查找不对中原因，及早排除故障隐患。定期检测，严密注视轴承故障的劣化趋势。注意联轴器的润滑。滚动轴承状态监测方法小结滚动轴承状态监测方法小结滚动轴承故障诊断方法小结滚动轴承故障诊断方法小结测值分析时域指标分析时域波形分析频谱分析 实例实例1 1线材厂增速机滚动轴承故障的分析线材厂增速机滚动轴承故障的分析精轧机
42、增速箱传动示意图奇数架偶数架设备参数设备参数主电机:转速可调，一般在11501250之间波动 当时n=1160r/min。齿轮：斜齿轮，Z1=158，Z2=67，Z3=55轴承：测点处为摩根mcs-140-106型圆柱滚子轴 承，其参数：Z=22,D=260.28mm,d=28.75mm,测点处为U-1228-EMR-C1型圆柱滚子轴承 zfDdfri)cos1(21=0数据采集数据采集 自2002年9月11日开始使用HY-106巡检仪，一直比较稳定，其中10月9日到12月8日因故没测，12月9日发现振动加速度明显增大，见下表。单位:m/s2 测试方向测试方向10月月28日日12月月9日日12
43、月月19日日12月月27日日水平方向水平方向19.734.646.011.6垂直方向垂直方向15.246.638.69.80趋势图与趋势分析趋势图与趋势分析 图1、2分别是垂直方向和水平方向的加速度趋势图；趋势分析法趋势分析法 通频值趋势分析 简单易行，不易发现早期故障 频谱趋势分析o 能早期发现齿轮、轴承等早期故障o 能较快判定故障的部位 目的 监视机器的劣化过程、预测机器的失效时间 方法某厂压缩机滑动轴承的趋势管理某厂压缩机滑动轴承的趋势管理事故发生前后的频谱图对比某厂压缩机滑动轴承的趋势管理某厂压缩机滑动轴承的趋势管理通频值趋势分析通频值趋势分析滚动轴承机械的报警参考值滚动轴承机械的报警
44、参考值故 障 频 率 带频 率 范 围报 警 值单 位通 频(040)R 8.8mm/s pk基 频、亚 同 步(01.2)R 7.6mm/s pk23 倍 频(1.53.5)R 6.3mm/s pk轴 承 带 I(3.515)R 3.3mm/s pk轴 承 带 II(1540)R 3.3mm/s pk叶 片 通 过 频 率叶 片 数 R 2.5mm/s pk很 高 频40 R 20kHz 3.0g pk R 为 机 器 的 转 动 频 率 制定报警值和危险值的方法制定报警值和危险值的方法根据各种标准，ISO、GB、API等 以机器正常状态的振动值，乘一倍数，如X4、X10轴轴 转转 频频:f
45、:fr r=n/60=1160/60=19.33HZ=n/60=1160/60=19.33HZ 轴轴 承承 内内 圈圈:f:fi i =236.00Hz=236.00Hz 轴轴 承承 外外 圈圈:f:fo o=189.32=189.32 Hz Hz 滚滚 动动 体体:f:fb b=87.00 Hz=87.00 Hz 保保 持持 架：架：f fc c=10.73 Hz =10.73 Hz 齿轮啮合频率齿轮啮合频率:f:fm m=f=fr r Z Z1 1=3054.67HZ=3054.67HZ 频率计算zfDdfri)cos1(21zfDdfr)cos1(210rbfDddDf22cos12rC
46、fDdf)cos1(21正常状态的频谱图正常状态的频谱图异常状态下水平方向的频谱图异常状态下水平方向的频谱图异常状态下垂直方向的频谱图异常状态下垂直方向的频谱图异常状态的频谱图182 851频率分析频率分析根据故障诊断理论，高频段信号反映的是滚动轴承故障及严重程度，低频段一般可以诊断故障部位。由此推断增速机的滚动轴承存在故障。从低频段信号分析中发现，其中一高峰值182 Hz对应的频率恰好为滚动轴承外圈的通过频率，而另一高峰值851Hz恰好为轴承滚动体通过频率的10倍（滚动体通过频率fb=87Hz），同时发现这些高振幅的频率间隔都为185Hz，而这个频率恰好是轴承外圈的基本损坏频率（轴承外圈通过
47、频率f i=189Hz）。因此初步判断轴承外圈及滚动体可能存在点蚀等故障。检查验证检查验证12月25日，利用停轧时间对齿轮进行了检查，齿轮啮合正常、润滑良好，排除了齿轮存在故障的可能性,怀疑滚动轴承有问题。打开增速机西侧的轴承端盖，移出铜环，用内窥镜检查，发现滚动体有划痕，其中一个滚动体有点蚀现象、外圈内滚道有一处出现大面积的点蚀，162250B轴承确实已失效了，由此证实了我们的分析判断是正确的。12月26日利用检修时间更换了162250B轴承，振幅值立刻下降，从而避免了一次重大的事故发生。实例实例2 2线材厂吐丝机滚动轴承故障的分析线材厂吐丝机滚动轴承故障的分析吐丝机结构简图 设备参数设备参
48、数电机转速：n=800rpm齿轮：锥齿轮，Z1=63，Z2=41轴承型号：7040UA100 D=255mm，d=33.3mm，Z=21频率计算频率计算fi=243Hzfo=186.7fb=73.8Hz fc=8.9Hzfm=838.5Hz数据采集数据采集2003年4月17日轧制6.5mm线材时，在每日的例行巡检中发现其振动突然增大，其中测点振动值：水平方向为H3=90m/s2，垂直方向为V3=85 m/s2，轴向为A3=89 m/s2，振动值严重超标（标准值38 m/s2），是标准值的2-2.5倍。趋势图趋势图轴向趋势图轴向趋势图垂直方向趋势图垂直方向趋势图检修前的频谱图检修前的频谱图检修前
49、轴向频谱图检修前轴向频谱图检修前垂直方向频谱图检修前垂直方向频谱图检修后的频谱图检修后的频谱图检修后垂直方向频谱图检修后垂直方向频谱图检修后轴向频谱图检修后轴向频谱图频率分析频率分析从频谱图可以看出，在低频区出现了轴承的损坏频率：在748Hz恰好为轴承滚动体通过频率的10倍（滚动体通过频率fb=73.8Hz），250Hz为轴承内圈通过频率（f i=243Hz），同时发现这些高振幅之间的频率间隔都为250Hz，而这个频率恰好是轴承内圈的基本损坏频率（轴承内圈通过频率fi=243Hz）。初步判断轴承内圈及滚动体可能存在点蚀等故障。检查验证检查验证利用早班停机时间，打开侧盖检查，看到箱体底部存在着铁
50、末，表明该设备可能存在磨损、点蚀或剥落，但发生在哪个零件上不清楚，继续查找。看到齿轮齿面完好无损；两个轴承中能看见的那个轴承基本正常；用百分表测轴承间隙与安装时基本一致。用振动杆监听有异音，可以判断增速机内部存在故障隐患。检查验证检查验证在每日的监测中发现，从故障产生开始，虽然振动一直很大（在90 m/s2左右），但劣化趋势曲线基本上变化不太大，没有突然大的增长，一直维持在原有的较高位置，可以继续维持带病运行。该滚动轴承一直持续运行到6月16日大修。大修时拆机，发现怀疑有问题的那个滚动轴承的滚动体基本都存在着严重点蚀，其内圈内滚道已 经出现深沟，与我们当初的诊断基本一致。更换了轴承后，振幅立即
