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1、2022/11/16,机电设备故障诊断,1,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承故障诊断滚动轴承的故障形式与故障原因滚动轴承故障的检测方法滚动轴承故障的振动检测,2022/11/16,机电设备故障诊断,2,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轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，旋转机械的故障约有30是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,第5章 滚动轴承故障诊断,2022/11/16,机电设备故障诊断,3,滚动轴承的典型结构,第5章 滚动轴承故障诊断,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,2022/
2、11/16,机电设备故障诊断,4,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承优点：运转精度高对润滑剂粘度不敏感，不需要提供复杂的供油系统低速下也能承受载荷可承受径向及轴向载荷标准化：大批量生产、成本低廉、互换性好,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,滚动轴承缺点：抗冲击能力差滚动体上载荷分布不均匀，导致内圈和外圈各点所受应力及应力循环次数不同，对轴承损坏有很大影响,2022/11/16,机电设备故障诊断,5,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承损坏形式：,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,轴承转速n1r/min时：疲劳剥落（点蚀）磨损或擦伤锈蚀和电蚀断裂,轴承转速n1r/min时：损坏形式：塑性变
3、形损坏特征：滚道上凹痕，运转时产生很大振动及噪声,2022/11/16,机电设备故障诊断,6,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承损坏形式：,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,轴承转速n1r/min时：疲劳剥落（点蚀）磨损或擦伤锈蚀和点蚀断裂,轴承转速n1r/min时：损坏形式：塑性变形损坏特征：滚道上凹痕，运转时产生很大振动及噪声,滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的剪应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表层金属呈片状剥落，形成剥落凹坑，称为疲劳剥落。疲劳剥落是轴承失效的主要原因。,2022/11/16,机电设备故障诊断,7,第5章
4、滚动轴承故障诊断,滚动轴承损坏形式：,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,轴承转速n1r/min时：疲劳剥落（点蚀）磨损或擦伤锈蚀和电蚀断裂,轴承转速n1r/min时：损坏形式：塑形变形损坏特征：滚道上凹痕，运转时产生很大振动及噪声,直接原因：滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入。润滑不良，装配不正确加剧磨损或擦伤。磨损量较大时，不仅降低轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声。磨损量是限定精密机械用轴承使用寿命的主要因素。,2022/11/16,机电设备故障诊断,8,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承损坏形式：,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,轴承转速n1r/min时：疲劳剥
5、落（点蚀）磨损或擦伤锈蚀和电蚀断裂,轴承转速n1r/min时：损坏形式：塑形变形损坏特征：滚道上凹痕，运转时产生很大振动及噪声,锈蚀是空气或外界水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作密封不严引起化学腐蚀。锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，电流击穿油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成凹坑,2022/11/16,机电设备故障诊断,9,第5章 滚动轴承故障诊断,滚动轴承损坏形式：,5.1 滚动轴承的故障形式与故障原因,轴承转速n1r/min时：疲劳剥落（点蚀）磨损或擦伤锈蚀和电蚀断裂,轴承转速n1r/min时：损坏形式：塑形变形损坏特征：滚道上凹
6、痕，运转时产生很大振动及噪声,轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。转速过高、润滑不良、轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂,2022/11/16,机电设备故障诊断,10,第5章 滚动轴承故障诊断,5.2 滚动轴承的故障检测方法,滚动轴承虽然结构简单，但是损伤形态却是多种多样，振动信号的频带非常宽广，故目前广泛采用振动信号分析技术来诊断滚动轴承故障。,*检测方法的适用性：有效；有可能性；不适用。,2022/11/16,机电设备故障诊断,11,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,引起滚动
7、轴承振动和噪声的原因外部激励原因：转子不平衡、不对中、结构共振等,自身内部原因：有三种类型第一类：由于轴承自身结构引起的振动滚动体通过载荷方向产生的振动套圈的固有振动轴承弹性特性引起的振动第二类：由于轴承形状和精度引起的振动套圈、滚道、滚动体波纹度引起的振动滚动体大小不均和内、外圈偏心引起的振动第三类：由于轴承使用、装配不正确引起的振动滚道接触表面局部性缺陷引起的振动润滑不良，由摩擦引起的振动装配不正确，轴颈倾斜产生的振动,2022/11/16,机电设备故障诊断,12,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征1.轴承结构本身滚动体通过载荷方向
8、产生的振动,轴承在外载荷作用下，最下面的滚动体受力最大，最上面的滚动体受力最小。,在旋转过程中，最下面的滚动体从载荷中心线下面向非载荷中心线位置滚动，其接触力由大变小，引起轴颈中心微小位移。,每个滚动体通过载荷中心线时，就发生一次力的变化，对轴颈或轴承座产生激励作用，这个激励频率就称为通过频率，可表示为：,为保持架转速频率,为轴承内滚动体个数,2022/11/16,机电设备故障诊断,13,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征1.轴承结构本身套圈的固有振动,套圈的固有振动主要表现在外圈上，外圈与轴承壳体为动配合，外圈可在壳体内自由活动。当轴
9、承受到任何冲击性激励力时，均可激起外圈固有频率，其振动形态主要由如下四种：,2022/11/16,机电设备故障诊断,14,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征1.轴承结构本身轴承弹性特性引起的振动（滚动体）,滚动体在轴承旋转过程中也会像“弹簧”一样产生弹性变形,滚动体振动的固有频率：,滚动体半径,分别为弹性模量和密度,滚动体频率可达nx100kHz。轴承接触面的缺陷所产生的冲击力，能够激起轴承元件的频率振动，一般在2060kHz范围内总有其振动响应，故很多振动诊断方法是利用这一频段作为检测频带,2022/11/16,机电设备故障诊断,15
10、,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征2.齿轮形状及精度问题套圈、滚道和滚动体波纹度,只有当内、外圈的加工波纹峰数为nz+1或nz-1时，才会产生外圈的径向移动，而当波纹峰数为nz时，外圈不产生径向位移,当加工波纹峰数为nz+1或nz-1时，对称位置上的2个滚动体存在内圈波峰不对称情况，从而使外圈（或内圈）在轴旋转一周过程中，受到滚道波纹度产生的冲击频率影响。当加工波纹峰数为nz时，各个滚动体几乎同时与波峰或波谷相遇，外圈（或内圈）基本不产生位移，故不振动,2022/11/16,机电设备故障诊断,16,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚
11、动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征2.齿轮形状及精度问题滚动体大小不均匀和内外圈偏心引起的振动,滚动体大小不均匀，不仅使大的滚动体受到较大的应力，过早产生疲劳剥落，而且轴承在工作中容易发生颤振，发出噪声。大小不同的滚动体运转后的磨耗程度是不相同的。小球的磨耗反而大于大球，而且球的大小相差愈大，磨耗愈明显，结果使轴承游隙增大，运转精度降低，振动和噪声增加。滚动体大小不均匀时，转轴上的振动频率既有滚动体的公转频率fc，又有转轴的转速频率f，两者的组合效应产生的振动频率为nfcf。,2022/11/16,机电设备故障诊断,17,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动
12、诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征2.齿轮形状及精度问题滚动体大小不均匀和内外圈偏心引起的振动,内、外圈偏心，一般可能是：轴承游隙过大转子的不平衡加工后内、外圈滚道本身存在偏心产生内、外圈偏心，会引起转轴轴心的甩转运动。其振动频率为轴的转速频率及其多倍频成分nf,2022/11/16,机电设备故障诊断,18,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征3.使用不当或装配不正确滚道接触表面局部性缺陷引起的振动,当滚动体通过一个缺陷时，就会产生一个微弱的冲击脉冲信号，轴承内产生的冲击能量可激起轴承和轴承座各零部件的固有振动，振动能量随着机械结
13、构的阻尼而衰减。,其频率成分：反映轴承故障特征的间隔频率；反映轴承元件自振频率的高频成分。,2022/11/16,机电设备故障诊断,19,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征3.使用不当或装配不正确滚道接触表面局部性缺陷引起的振动,外圈滚道缺陷冲击波形。由于外圈固定不动，故各滚动体通过缺陷区时具有相等的冲击强度，每个脉冲幅值基本相等，各脉冲波之间的间隔时间：1/fe，fe外圈间隔频率,滚动体与缺陷间的冲击波形：每个最高峰之间的间距为故障间隔频率的倒数；冲击后产生的衰减振荡波形中，相邻两峰的间距为元件固有频率的倒数,内圈滚道缺陷冲击波形。各
14、滚动体通过缺陷区时冲击强度周期变化，形成了对内圈间隔频率fi脉冲信号的幅值调制，调制频率为滚动体公转频率fc或轴的转速频率f,滚动体上有缺陷冲击波形。所产生的波形与内圈上缺陷相类似，因为滚动体缺陷与滚道相接触的位置在变动，在各个位置上的接触力不同，脉冲幅值也将周期性变化，其间隔频率f0的脉冲波幅值将为滚动体的公转频率fc所调制,2022/11/16,机电设备故障诊断,20,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征3.使用不当或装配不正确润滑不良、摩擦引起的振动,滚动轴承发生摩擦主要由：滚动体与滚道之间的滚动与滑动（差动滑动）摩擦滚珠轴承的滚动
15、体端面与套圈挡边之间的滑动摩擦滚动体与保持架之间的滑动摩擦保持架与套圈引导面之间的滑动摩擦润滑剂、空气对轴承运动元件的摩擦密封装置的滑动摩擦,2022/11/16,机电设备故障诊断,21,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承发生振动的各类故障原因和特征3.使用不当或装配不正确装配不正确、轴颈偏斜引起的振动,如果轴承在轴上装歪或者旋转轴发生歪曲，轴在旋转时相当于转子的角度不对中现象，将表现出以转速频率f为特征的振动频率但在滚动轴承中，由于轴的弯曲使轴承单侧面受力，因此又具有滚动体通过频率fe的特征两者合成为fef，成为这种故障振动的主要频率成分,2022/11/16,
16、机电设备故障诊断,22,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,频率“窗口”的选择,滚动轴承存在故障时，由故障所引发的激振力可以分成三种类型。 第一类是由于磨损、腐蚀、润滑不良和混入异物等原因而产生表面粗糙样的损伤。 激励力的波形是随机的，杂乱无章的。 第二类是由于剥落、压痕、裂纹等局部缺陷所引起的冲击性激励。 激励力为尖峰形的脉冲波。 第三类是由于滚道面几何形状偏差（如内外圈波纹，滚动体不圆）、滚动体大小不均匀、内圈和外圈偏心、轴颈装配偏斜等原因所产生的激励 激励是稳态的，基本上呈正弦波形状。,2022/11/16,机电设备故障诊断,23,第5章
17、滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,频率“窗口”的选择,实际上，通常同时存在几种激励力。如果轴承的振动系统看成为线性系统，则在轴承外圈上测得的振动响应，应为不同激励力所产生的线性叠加。,2022/11/16,机电设备故障诊断,24,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,频率“窗口”的选择,从轴承箱体上测得的振动信号往往不同于轴承本身振动信号，主要由于：,轴承元件的振动产生一系列离散频率,轴承振动引发轴承支撑结构共振（可由实验法或有限元法进行排除）,机器其他零部件的振动传递到轴承箱，属于外部的干扰振动,轴承内高
18、应力区的塑性变形、剥落和裂纹扩展等产生的声发射信号,2022/11/16,机电设备故障诊断,25,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,频率“窗口”的选择,滚动轴承振动信号中，从频率域上具有两个特点：,频谱具有宽频带特征，并且随着缺陷的种类、形状、轴承尺寸和转速而变化,转子、轴承的故障特征频率,轴承其他元件的固有频率,轴承外圈1阶固有频率,传感器固有频率,轴承某元件的固有振动,声发射区域,缺陷产生的声发射,A,B,C,D,2022/11/16,机电设备故障诊断,26,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法
19、,频率“窗口”的选择,滚动轴承振动信号中，从频率域上具有的特点：,轴承故障引起的冲击很大一部分能量集中在高频段（20kHz）,因此特别要注意高频成分的变化,利用冲击脉冲法诊断轴承故障时，滤波器带通频率“窗口”一般要大大超过轴的转频，以避开转速谐波频率和滚动体的通过频率,利用低频信号接收法诊断轴承故障时，要求频率“窗口”设置的足够低，用以捕捉轴承缺陷间隔频率的前几次低阶谐波信号,2022/11/16,机电设备故障诊断,27,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,传感器安装位置的选择,滚动轴承在运转时，滚道接触面上的高低不平和局部缺陷所产生的冲击性振动
20、，将以压缩波形式从接触点出发呈半球形波面向外传播。当遇到材料转折、尖角形状或两零件配合界面时，灵敏度将衰减很快，故应选择适当位置安装传感器（接收方向指向负载方向&尽可能减少中间界面）,径向轴承,止推轴承,2022/11/16,机电设备故障诊断,28,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,传感器安装位置的选择,一个中间界面,多个中间界面,传感器位置较远,脉冲激励,2022/11/16,机电设备故障诊断,29,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,故障波形的评定指标,当滚动体接触点进入缺陷区时，就会发生机械
21、冲击，冲击脉冲幅度与损伤程度成正比,常用的评定滚动轴承故障波形的指标有：有效值峰值峰值因素峭度,2022/11/16,机电设备故障诊断,30,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,故障波形的评定指标,常用的评定滚动轴承故障波形的指标有：有效值峰值峰值因素峭度,有效值也称为均方根值，反映信号的能量大小，特别适用于具有随机振动性质的轴承测量,滚动轴承故障诊断中，制造精度愈低、轴承磨损程度愈大，则有效值值愈高，对晚期故障很有效,对于正常轴承及表面发生点蚀的轴承， Xrms值很稳定，有效值对冲击振动波形不敏感,2022/11/16,机电设备故障诊断,31,
22、第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,故障波形的评定指标,常用的评定滚动轴承故障波形的指标有：有效值峰值峰值因素峭度,峰值是波形中的最大值，峰值大小可以用来反映轴承某一局部故障点的冲击力大小,冲击力愈大，峰值愈高，适用于检测由裂纹、剥落等原因所致的冲击性振动,2022/11/16,机电设备故障诊断,32,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,故障波形的评定指标,常用的评定滚动轴承故障波形的指标有：有效值峰值峰值因素峭度,描述波形尖峰度的一个指标，是峰值对有效值的比值,适用于描述轴承元件上的局部剥落、擦伤
23、、刻痕和凹痕等一类离散型缺陷,峰值不高,有效值较高,可能原因：轴承表面粗糙,峰值很高,有效值较小,可能原因：轴承表面离散型缺陷,正常轴承Cf：4-5局部缺陷Cf：10Cf为比值，受干扰小,2022/11/16,机电设备故障诊断,33,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,故障波形的评定指标,常用的评定滚动轴承故障波形的指标有：有效值峰值峰值因素峭度,峭度是描述波形尖峰度的一个导出函数,峭度对大幅值的信号最为敏感（将幅值进行了4次方处理），当大幅值出现的概率增加时，峭度值将明显变大,离散,无量纲,峭度指标：,峭度指标对早期的脉冲激励故障特别敏感，优于
24、其他任何指标；对故障晚期，由于 值和有效值的平均增长幅度相差不大，因此Kv指标不明显,轴承振动信号的 值一般在3-45之间，当该值大于4时，即预示着轴承有一定程度损伤,2022/11/16,机电设备故障诊断,34,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,滚动轴承不同于其他机械零件，其振动信号频率范围很宽，信噪比低，信号传递路径上衰减量大，提取其特征信息需要采用一些特殊检测技术和处理方法，主要有：,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法光纤传感器技术电涡流传感器技术,2022/11/16,机电设备故障诊断,35,第5章 滚动轴
25、承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,低频信号接收法是将轴承上由传感器检测到的宽频带信号直接进行频谱分析，或者信号经过低通滤波，去除高频成分后再做频谱分析，从频谱上观察主要谱峰,适用于低频成分能量较大，外来干扰较小的信号。,但实际运行中，轴承故障的冲击能量较小，而由工艺误差诱发的振动能量很大，因此，直接利用低频信号接收法得到的谱图往往谱线密集，模糊不清，很难鉴别故障信号,通常，仅用该方法确定轴承元件的固有频率,2022/11/16,机电设备故障诊断,36,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承
26、故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,滚动轴承在运转中，当滚动体接触点进入表面的缺陷区（剥落、裂纹、凹坑、粗糙区），将发生低频冲击,冲击脉冲持续时间短，故频带宽广，容易激发轴承元件或结构的固有频率（共振）,当轴承出现故障时，其产生的冲击脉冲信号，会激起谐振体（轴承或传感器检测系统）的共振，共振的高频波包含了低频冲击和随机干扰的幅值调制波，经过窄带滤波和包络检波后的信号幅值大小就反映了冲击力的大小，由此即可反映故障状况,2022/11/16,机电设备故障诊断,37,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴
27、承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,共振解调法也称为包络检波频谱分析法，是当前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一,共振解调法与冲击脉冲法原理类似，其不仅能给出轴承损伤程度的指标（冲击脉冲法），还可给出损伤部位,利用轴承或检测系统作为谐振体，把故障冲击产生的高频共振响应波放大，通过包络检测法变为具有故障特征信息的低频波形，然后利用频率分析法找出故障的特征频率，从而确定故障的类型及故障发生的部位,2022/11/16,机电设备故障诊断,38,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低
28、频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,图a)为原始信号，脉宽极窄，故频率成分丰富虽然这种脉冲周期为T，但是在频谱中确很难反映出对应于1/T成分,2022/11/16,机电设备故障诊断,39,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法光纤传感器技术电涡流传感器技术,图b)为原始信号经高频谐波振荡器后的振荡信号振荡频率即为谐振器谐振频率fn振荡信号重复频率与原始故障冲击重复频率相同,2022/11/16,机电设备故障诊断,40,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动
29、轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,图c)为振荡信号经绝对值处理后的上半部信号虽具有冲击脉冲周期对应的频率，但还不是完全的周期信号,2022/11/16,机电设备故障诊断,41,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,对图c)信号取包络，即可得到图d)该包络将高频成分及其他机械干扰剔除掉，成为纯低频信号,2022/11/16,机电设备故障诊断,42,第5章 滚动轴承故障诊断,5.3 滚动轴承故障振动诊断,滚动轴承故障振动的诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法冲击脉冲法（SPM）共振解调法,对图d)信号进行频谱分析，得图e)包含了冲击频率及其谐波成分,2022/11/16,机电设备故障诊断,43,THE END,
