1、滚动轴承的状态检测与故障诊断一、概述一、概述二、诊断技术和方法二、诊断技术和方法三、故障诊断实例三、故障诊断实例四、结语四、结语一、概述1.基本概念 滚动轴承是旋转机械中的重要零件，它具有摩擦阻力小，启动灵敏，效率高，润滑简便和易于互换等优点，所以在各机械部门中应用最为广泛。2.诊断的目的和意义1）滚动轴承的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能，如精度、可靠性、寿命等。统计表明，旋转类机械大约有30%的机械故障都是滚动轴承引起的，采用故障诊断技术后，事故发生率可降低75%，维修费用可减少25%50%。2）状态故障诊断技术可了解轴承的性能状态并及早发现潜在故障。对可能出现的故障提出预测、
2、估计、判断,可以有效提高机械设备的运行管理水平及维修效能，具有显著的经济效益。二、诊断技术和方法1.1.滚动轴承的失效形式滚动轴承的失效形式2.2.滚动轴承的失效过程滚动轴承的失效过程3.3.故障频率计算故障频率计算4.4.振动特征的分析方法振动特征的分析方法1.滚动轴承的失效形式1）疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。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。2）磨损由于滚道和
3、滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。3）擦伤 由于轴承内外滚道和滚动体接触表面上的微观凸起或硬质颗粒使接触面受力不均，在润滑不良、高速重载工况下，因局部摩擦产生的热量造成接触面局部变形和摩擦焊合，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂。4）断裂 当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。5）锈蚀 水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承内部有轴电流通过时，在滚道和滚动体的接触点
4、处引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。2.滚动轴承的失效过程轴承失效通常划分为四个阶段：1）第一阶段：轴承的超声频率振动阶段轴承最早期的故障是表现在250kHz350kHz范围的超声频率的振动异常，随着故障的发展，异常频率逐渐下降移到20kHz60kHz。2）第二阶段：轴承的固有频率振动阶段 随着轴承的运转，轴承滚动表面会产生轻微的缺陷，这些轻微缺陷引起的振动会激起轴承部件的固有频率(fn)振动或轴承支承结构共振，一般振动频率在500Hz2kHz。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段 随着轴承微小缺陷的进一步扩展，轴承缺陷频率及其倍频开始出现，随着轴承磨损的进一步发展，更
5、多缺陷频率的倍频开始出现，围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带数量也逐步上升。4）第四阶段：轴承随机宽带振动阶段 轴承已经接近完全失效，轴承的寿命已经接近尾声，甚至工频也受其影响而上升并产生许多工频的倍频，而原先离散的轴承缺陷频率和固有频率开始“消失”，取而代之是随机的宽带高频“噪声振动”。3.轴承故障频率计算 内环滚动，外环固定，这是滚动轴承最常见的安装方式。其故障频率分别为：内 环：外 环：滚动体：保持架：02(1cos)ndDBPFIf02)cos1(fBPFODdn2021(cos)dDdDBSFf102(1cos)dDFTFf式中：n滚动体数目d滚动体直径D轴承节径，即外环内径与
6、内环外径的平均值接触角，对于推力轴承，接触角为90。有时难以测量轴承的几何尺寸，在知道滚动体数目的情况下，可以用以下公式估算轴承的故障频率：内 环：外 环：滚动体：保持架：对于滚动体数目在612个的轴承，误差较小。02)2.1(fBPFIn02)2.1(fBPFOn02.1221)(fBPFInn02.121)(fFTFn4.滚动轴承的振动特征分析方法4.1特征参数法 在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。此外,采用特征参数法评定轴承状态时不需要轴承以前的历史记录,这是此技术另一项具有吸引力
7、的特征。在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。但时域和频域参数各有其适用范围,主要用于简易诊断,单独使用某一种指标往往不能得到准确的结果。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果。4.2频谱分析法 利用特征参数可以对轴承进行简易诊断，发现故障后,就应进一步通过振动信号的频率分析,以判明故障的类别和原因。滚动轴承的振动其频率成分十分丰富,既含有低频成分,又含有高频成分。每一种特定的故障都对应特定的频率成分,需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来,从而指出特定故障的存在。轴承信号的频谱分析是最有用的诊断与故障检测方法,但这种方
8、法需要知道关于轴承几何结构和运行状态的细节,其次频谱分析法用于提取在低频和中频带中的轴承故障特征频率及其谐波,但由于部分轴承故障特征频率接近由机器的其它部件激发的频率,从而很难识别。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展
9、而断裂。此外,采用特征参数法评定轴承状态时不需要轴承以前的历史记录,这是此技术另一项具有吸引力的特征。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.每一种特定的故障都对应特定的频率成分,需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来,从而指出特定故障的存在。接触角，对于推力轴承，接触角为90。1）第一阶段：轴承的超声频率振动阶段因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果。外圈故障频率 BPOR=34.在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有
10、效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。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。在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下：保持架 FTF=2.根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下：包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性。4.3包络法 包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性。当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与
11、它接触的表面而产生冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、机器结构及传感器的固有频率,所以必然激起测振系统的共振。因此，测得的振动加速度信号包含着多个载波共振频率,以及调制于其上的故障特征频率和其谐波成分。一般是根据实际情况选取某一共振频率为中心,使微弱的轴承故障信号搭载在高幅值的谐振频段传递出来，否则高频低幅的轴承故障信号在多个界面经过反射、衰减之后，传感器很难拾取。再对所测信号进行绝对值处理，之后采用低通滤波，即可获得调制信号的包络线，然后进行快速傅立叶变换FFT，即可得到包含故障特征频率及其倍频成分的低频包络信号,对包络信号进行频谱分析就可以很容易地诊断出轴承的故障来
12、，这个过程也称为共振解调。包络法适用于局部损伤类故障,对于磨损类故障和间隙增大故障也有一定的效果。但是在大多数情况下,包络法需要人工判断。包络谱有时十分复杂,难以直观识别,对操作者的技术水平要求较高。三、故障检测实例 下图是一台三柱塞注水泵轴承的包络谱。泵转速335rpm，排出压力25MPa，流量16m3/h，驱动电机功率132KW，电机转速985rpm，电机与泵通过皮带传动。泵轴承为双排球面滚子轴承，型号22330。根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下：内圈故障频率 BPIR=49.6Hz 外圈故障频率 BPOR=34.2Hz 滚动体 BSF=14.7Hz 保持架 FTF=2.3Hz 曲轴转频
13、 f0=335rpm/60s=5.58HzFourier Spectrum(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 经
14、过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜动等频率都被滤掉了，只用考虑轴承故障和泵进排液阀冲击。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.58Hz的倍频分量，由此断定故障不是由泵进排液阀窜绕引起的。当轴承跑内圆或轴承磨损使间隙增大时也会在包络谱上产生转频及其谐波分量。经过比对，这些频率分量是滚动体故障频率14.7Hz的3、6、9、18倍频，表明滚动体出现故障，并且很严重。停泵检查发现，轴承外侧内圈滚道已经磨成搓板状。这与包络谱显示的滚动体故障频率不一致，原因是内圈滚道整体剥落，如同滚子损伤。另外，内圈高频
15、振动传递需通过内圈与滚子，滚子与外圈、外圈与轴承座的交界面，振幅衰减为基底噪声。四、结语 了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。掌握轴承故障诊断的分析原理和方法是准确诊断轴承故障的前提。1.滚动轴承的失效形式1）疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。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。2）磨损由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润
16、滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段 随着轴承微小缺陷的进一步扩展，轴承缺陷频率及其倍频开始出现，随着轴承磨损的进一步发展，更多缺陷频率的倍频开始出现，围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带数量也逐步上升。内环滚动，外环固定，这是滚动轴承最常见的安装方式。了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。对于滚动体数目在612个的轴承，误差较小。包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性
17、。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.轴承信号的频谱分析是最有用的诊断与故障检测方法,但这种方法需要知道关于轴承几何结构和运行状态的细节,其次频谱分析法用于提取在低频和中频带中的轴承故障特征频率及其谐波,但由于部分轴承故障特征频率接近由机器的其它部件激发的频率,从而很难识别。当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲力。内 环：在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果
18、。特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。此外,采用特征参数法评定轴承状态时不需要轴承以前的历史记录,这是此技术另一项具有吸引力的特征。对可能出现的故障提出预测、估计、判断,可以有效提高机械设备的运行管理水平及维修效能，具有显著的经济效益。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。滚动轴承是旋转机械中的重要零件，它具有摩擦阻力小，启动灵敏，效率高，润滑简便和易于互换等优点，所以在各机械部门中应用最为广泛。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、机器结构及传感器的固有频率,所以必然激起测振系统的共振。在滚动轴承状
19、态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。保持架：接触角，对于推力轴承，接触角为90。轴承信号的频谱分析是最有用的诊断与故障检测方法,但这种方法需要知道关于轴承几何结构和运行状态的细节,其次频谱分析法用于提取在低频和中频带中的轴承故障特征频率及其谐波,但由于部分轴承故障特征频率接近由机器的其它部件激发的频率,从而很难识别。4.滚动轴承的振动特征分析方法4.1特征参数法 在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。此外,采用特征参数法评定轴承状态时不需要轴承以前的历史记录,这是此技术
20、另一项具有吸引力的特征。在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。但时域和频域参数各有其适用范围,主要用于简易诊断,单独使用某一种指标往往不能得到准确的结果。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果。4.3包络法 包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性。当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、机器结构及传感器的固有频率,所以必然激起测振系统的共振。因此，测得的振动加速度信号包含着多个载波共
21、振频率,以及调制于其上的故障特征频率和其谐波成分。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.但是在大多数情况下,包络法需要人工判断。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。D轴承节径，即外环内径与内环外径的平均值但时域和频域参数各有其适用范围,主要用于简易诊断,单独使用某一种指标往往不能得到准确的结果。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、机器结构及传感器的固有频率,所以必然激起测振系统的共振。在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重
22、要位置。4）第四阶段：轴承随机宽带振动阶段了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。保持架 FTF=2.内圈故障频率 BPIR=49.特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。保持架 FTF=2.在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。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。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段每一种特定的故障都对应特定的频率成分,需要通过适当
23、的信号处理方法将特定的频率成分分离出来,从而指出特定故障的存在。保持架 FTF=2.4）第四阶段：轴承随机宽带振动阶段了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。滚动轴承是旋转机械中的重要零件，它具有摩擦阻力小，启动灵敏，效率高，润滑简便和易于互换等优点，所以在各机械部门中应用最为广泛。4）第四阶段：轴承随机宽带振动阶段内圈故障频率 BPIR=49.滚动轴承的振动特征分析方法1）第一阶段：轴承的超声频率振动阶段2）第二阶段：轴承的固有频率振动阶段滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生
24、疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段对可能出现的故障提出预测、估计、判断,可以有效提高机械设备的运行管理水平及维修效能，具有显著的经济效益。接触角，对于推力轴承，接触角为90。随着轴承微小缺陷的进一步扩展，轴承缺陷频率及其倍频开始出现，随着轴承磨损的进一步发展，更多缺陷频率的倍频开始出现，围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带数量也逐步上升。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好
25、的效果。由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲力。接触角，对于推力轴承，接触角为90。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性。经过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜动等频率都被滤
26、掉了，只用考虑轴承故障和泵进排液阀冲击。3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段但时域和频域参数各有其适用范围,主要用于简易诊断,单独使用某一种指标往往不能得到准确的结果。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。泵轴承为双排球面滚子轴承，型号22330。但是在大多数情况下,包络法需要人工判断。滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，
27、这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。了解轴承故障的形式和轴承故障的发展阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。滚动体 BSF=14.在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。外圈故障频率 BPOR=34.3）第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段轴承信号的频谱分析是最有用的诊断与故障检测方法,但这种方法需要知道关于轴承几何结构和运行状态的细节,其次频谱分析法用于提取在低频和中频带中的轴承故障特征频率及其谐波,但由于部分轴承故障特征
28、频率接近由机器的其它部件激发的频率,从而很难识别。保持架 FTF=2.而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频5.特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态,结果分析简单和方便。外 环：对于滚动体数目在612个的轴承，误差较小。水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。泵转速335rpm，排出压力25MPa，流量16m3/h，驱动电机功率132KW，电机转速985rpm，电机与泵通过皮带传动。而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，
29、不是转频5.但时域和频域参数各有其适用范围,主要用于简易诊断,单独使用某一种指标往往不能得到准确的结果。7Hz的3、6、9、18倍频，表明滚动体出现故障，并且很严重。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。接触角，对于推力轴承，接触角为90。泵转速335rpm，排出压力25MPa，流量16m3/h，驱动电机功率132KW，电机转速985rpm，电机与泵通过皮带传动。包络法的优点是它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,这大大提高了故障识别的确定性。经过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜动等频率都被滤掉了，只用考虑轴承故障和泵
30、进排液阀冲击。保持架 FTF=2.另外，内圈高频振动传递需通过内圈与滚子，滚子与外圈、外圈与轴承座的交界面，振幅衰减为基底噪声。随着轴承微小缺陷的进一步扩展，轴承缺陷频率及其倍频开始出现，随着轴承磨损的进一步发展，更多缺陷频率的倍频开始出现，围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带数量也逐步上升。保持架：滚动体 BSF=14.1）第一阶段：轴承的超声频率振动阶段此外,采用特征参数法评定轴承状态时不需要轴承以前的历史记录,这是此技术另一项具有吸引力的特征。因此,在实际应用中应综合使用,以便获得较好的效果。水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。每一种特定的故障都对应特定的频率成分,需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来,从而指出特定故障的存在。在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征分析中,特征参数法占有重要位置。三、故障检测实例 下图是一台三柱塞注水泵轴承的包络谱。泵转速335rpm，排出压力25MPa，流量16m3/h，驱动电机功率132KW，电机转速985rpm，电机与泵通过皮带传动。泵轴承为双排球面滚子轴承，型号22330。根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下：内圈故障频率 BPIR=49.6Hz 外圈故障频率 BPOR=34.2Hz 滚动体 BSF=14.7Hz 保持架 FTF=2.3Hz 曲轴转频 f0=335rpm/60s=5.58Hz
