故障诊断5-滚动轴承的振动监测与诊断

*教学内容0、课程准备1、绪论3、监测与诊断系统2、信号分析及处理基础4、旋转机械的振动监测与诊断5、滚动轴承的故障监测和诊断6、齿轮箱的监测和诊断*教学内容第五章滚动轴承的振动监测与诊断5.1滚动轴承失效的基本形式5.2滚动轴承的振动诊断5.3滚动轴承的其他监测诊断方法*教学内容重点与难点滚动轴承的失效的基本形式及其失效原因；滚动轴承的振动机理；学习目标掌握滚动轴承的故障特征频率的计算方法；了解滚动轴承的几种沉积失效形式及其原因；滚动轴承的振动故障识别。学会用时域分析法、频谱分析法及包络法等分析滚动轴承的各种故障。*滚动轴承失效的基本形式5.1、滚动轴承失效的基本形式认识滚动轴承*滚动轴承应力分析滚动轴承失效的基本形式*5.1.1滚动轴承的磨损失效滚动轴承常见的损坏形式有：磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。滚动轴承失效的基本形式*5.1.2滚动轴承的疲劳失效疲劳失效原因是疲劳应力造成的，有时是由于润滑不良或强迫安装所至。滚动轴承失效的基本形式*5.1.3滚动轴承的腐蚀失效腐蚀失效分化学腐蚀，电腐蚀，微振腐蚀三类。滚动轴承失效的基本形式*5.1.4滚动轴承的压痕失效压痕失效主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。过量时在滚道表面形成塑性变形凹坑。装配不当，或装配敲击也会造成压痕失效。滚动轴承失效的基本形式*5.1.5滚动轴承的断裂失效断裂失效由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不妥等而产生过大的热应力。胶合失效指滑动接触两表面，一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象称为胶合。滚动轴承失效的基本形式*滚动轴承的振动诊断5.2、滚动轴承的振动诊断5.2.1滚动轴承的振动机理1）轴承刚度变化引起的振动振动特点随着滚动体位置不同，其承载状态也不断变化，这将导致内圈、外圈和滚动体产生弹性变形而引起振动。。由于滚动体直径不一致，因刚性不同而引起振动。*2）由滚动轴承的运动副引起的振动轴承滚动表面的微观特征导致滚动体滚动时产生交变的激振力。激振力产生的随机振动和滚动体产生的传输振动的主要频率成分为滚动轴承的特征频率。滚动轴承的振动诊断*内圈旋转频率保持架旋转频率D为轴承的节圆直径；d为滚珠直径；β为接触角。滚珠自转频率保持架通过（内圈）频率滚动轴承的振动诊断*滚珠通过内圈频率滚珠通过外圈频率滚动轴承的振动诊断*3）滚动轴承元件的固有频率钢球的固有频率r为钢球的半径(m)；ρ为材料密度(kg/m3)；E为弹性模量（N/m2)。轴承套圈在圈平面内的固有频率n为固有频率阶数；a为回转轴线到中心轴的半径（m）；M为套圈单位长度内的质量(kg/m)；I为套圈截面绕中心轴的惯性矩。一般轴承元件的固有频率在20~60kHz的频率范围内滚动轴承的振动诊断*4）与滚动轴承安装有关的振动滚动轴承紧固过紧或过松，在滚动体通过特定位置时，即引起振动。其频率与滚动体通过频率相同：滚动轴承的振动诊断*5）滚动轴承故障所产生的振动滚动轴承代表故障有：表面皱裂、表面剥落、轴承烧损等。烧损滚动轴承的振动诊断*剥落滚动轴承的振动诊断*5.2.2滚动轴承振动信号的拾取测定部位：基本思路：选择在离轴承最近、最能反映轴承振动的位置上。测定参数：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，而对要求高频振动小的轴承检测振动加速度信号。测定周期：对于定期检测，为早期发现轴承故障，以免故障继续发展到严重的程度，检测的周期应可能短一些。滚动轴承的振动诊断*5.2.3滚动轴承的振动故障识别滚动轴承的典型结构及其频率特征滚动轴承的振动诊断*（1）内圈旋转频率：（2）一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频率：（3）Z个滚动体通过内圈上一点的频率：（4）一个滚动体（或保持架）通过外圈上的一点的频率：（5）Z个滚动体通过外圈上一点的频率：（6）滚动体上的一点通过内圈或外圈的频率：（7）保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）：以上各特征频率是利用振动诊断滚动轴承的的基础。滚动轴承的频率特征滚动轴承的振动诊断*1）概率密度方法方法要点：基本无故障的滚动轴承的振幅概率密度曲线图形呈高斯分布；而正弦信号则呈鞍形，据此不难分析出图中四种不同状态轴承的工作状况。图a接近高斯分布；图b方差值较大，但无鞍形，可以说无明显故障；图c特点是数据集中成分较大，在均值左右出现较明显的鞍形，低值分散显大，存在划伤现象；图d图形方差值很大，数据非常分散，这是疲劳的明显特征。滚动轴承的振动诊断*2）有效值和峰值判别法有效值反映了振动能量的大小，当轴承产生异常后，其振幅必然增大。因而用有效值作为异常轴承的判断指标。但这对具有瞬变冲击振动的异常是不适用的。因为冲击波峰的振幅大，但持续时间短，用有效值来表示，其特征不明显，对于这种形态的异常，用峰值比有效值更适用。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。滚动轴承的振动诊断*3）波形系数法所谓波峰系数Cf，是指峰值与有效值或均方根值之比（xp/xrms）。特点，是由于它的值不受轴承尺寸、转速、传输通道、及载荷的影响，也不受传感器、放大器一、二次灵敏度变化的影响。对Cf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。滚动轴承无故障时，Cf为一较小的稳定值，滚动轴承的波峰系数约为5；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增大，Cf值增大，可达几十；当故障不断扩展，峰值逐步达到极限后，均方根值开始增大，Cf逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。滚动轴承的振动诊断*4）频谱分析法基频识别图a是一个轴承外环有划伤的轴承振动加速度信号的频谱图，明显可看出其频谱中有较大的周期成分，其基频为184.2Hz，而图b则是与其相同的完好轴承的频谱图。通过比较可以看出，当出现故障后的谱图上有明显较高的高次谐波成分。在此例中出现了184.2Hz的5倍频成分。且在736.9Hz上出现了谐波共振现象。滚动轴承的振动诊断*谐振频率，根据谐频的间距来判别，在分辨率较高的功率谱图时常见到均匀棒线或尖峰，仔细测量其间距大小可以判断什么部位发生故障。边频识别，频率调制的情况总是存在的，在某故障频率附近总是围绕一族频率，习惯称它为边频。滚动轴承的振动诊断*倒频谱法，图a是某滚动轴承内圈轨道上有疲劳损伤和滚动体有凹坑缺陷的轴承的振动加速度信号时域信号；图b则是其功率谱图，该图便识别；而图c是其倒频谱，明显看出有106Hz及26.39Hz成分。经理论计算，轴承的滚动体故障特征频率为106.35Hz及内圈故障特征频率为26.35Hz，由此看出，倒频谱反映出的故障频率与理论几乎完全一样。滚动轴承的振动诊断*包络法，包络法将与故障有关的信号从高频调制信号中取出从而避免了与其他低频干扰的混淆，故有较高的灵敏度和诊断的可行性。其他方法如冲击脉冲法和时序模型参数分析法在轴承诊断中应用也比较多。滚动轴承的振动诊断*滚动轴承的振动诊断杭州轴承测试与试验中心（HBRC）的ABLT-1A轴承试验机ABLT-1A轴承试验机*滚动轴承的振动诊断(a)传感器安装示意图(b)传感器安装实物图*滚动轴承的振动诊断试件参考特征频率(Hz)*滚动轴承的振动诊断实验信号采集示意图*滚动轴承的振动诊断*滚动轴承的振动诊断试件参考特征频率(Hz)*本讲小结掌握滚动轴承诊断的特点；掌握滚动轴承失效的基本形式；掌握滚动轴承振动故障的识别方法。掌握滚动轴承振动机理及其特征频率；小结*