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1、第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,轴承失效基本形式轴承故障特征频率（故障频率，固有频率）故障轴承的频谱轴承故障的简易诊断法轴承故障的精密诊断法,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.1 滚动轴承失效的基本形式,磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等,1）磨损：最常见的一种失效形式，特别是磨料磨损。磨损较严重时产生游隙噪声并使振动加剧。,2）疲劳：滚动体与套圈之间的接触疲劳，造成表层金属疲劳剥落。,3）腐蚀：化学腐蚀：由水、酸或含酸润滑剂造成；电腐蚀：由轴承表面间有较大电流通过造成；微振腐蚀：由套圈与其它件之间的微小相对运动所至，使套圈表面产生锈斑。,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.1 滚动
2、轴承失效的基本形式,磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等,4）压痕：过大的负荷使滚动体和滚道接触处产生塑性变形而形成凹坑。,）胶合：滚动体在保持架内卡住或润滑不良、速度过高造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子表面而形成胶合。,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.1 滚动轴承失效的基本形式,磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等,）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。,武钢轧板厂立辊轧机轴承保持架和滚动体破断,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.1 滚动轴承失效的基本形式,）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。,武钢二热轧R1轧机主减速机高速轴操作端外侧
3、轴承保持架断裂（发生强烈自激振动）,扭矩记录曲线,轴向力记录曲线,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.1 滚动轴承的典型结构,D轴承节径；d滚动体直径；,Z滚动体个数；,接触角；fr轴承内圈转动频率（假设外圈固定),第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率,滚动轴承的运转模型,图5-6 滚动轴承发生的冲击振动,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率,根据轴承元件之间滚动接触的速度关系可计算出各元件的故障特征频率(假设外圈
4、固定),随着轴承的旋转，轴承表面缺陷每接触一次就会发生一次冲击，其特征频率分别为（一个剥落点）：,1)保持架不平衡(保持架转频),式中 fr轴的转频（即内圈旋转频率）,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率,2)滚动体表面缺陷故障特征频率,3)内圈滚道表面缺陷故障特征频率,4)外圈滚道表面缺陷故障特征频率,5)内圈滚道不圆故障特征频率,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.3 与滚动轴承安装有关的振动特征频率,1)安装滚动轴承的旋转轴系弯曲,或不慎将滚动轴承装歪,图5-4 轴承与轴的歪斜状态
5、,第四章 滚动轴承的故障监测与诊断,4.2 轴承的故障特征频率,4.2.3 与滚动轴承安装有关的振动特征频率,2)滚动轴承紧固过紧或过松(与滚动体表面缺陷故障特征频率相同),图5-5 因紧固过紧等原因引起的振动,第四章滚动轴承的故障监测与诊断,4.2.4 轴承元件的固有频率(一般高达2060kHz),钢球的固有频率,（HZ）,式中：r钢球半径（m）材料密度（kg/m）E材料的弹性模量（N/m2）,第四章滚动轴承的故障监测与诊断,4.2.3 轴承元件的固有频率,轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率,（HZ）,式中：I套圈截面绕中性轴的惯矩（m4)M套圈单位长度的质量（kg/m）a
6、回转轴线到中性轴的半径（m）n套圈在圈平面内径向弯曲自由振动的阶数,第四章滚动轴承的故障监测与诊断,4.2.3 轴承元件的固有频率,轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率,（HZ）,若取E2.0581011N/m2，密度为7.8103kg/m3,则上式可简化为,式中：h套圈的厚度（m）,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.3 故障轴承的频谱,轴承的剥落点一般不止一个，再加上故障频率与转动频率相互调制，常见的轴承有故障时的振动频谱如下：,nfifi内圈故障,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.3 故障轴承的频谱,fo内圈故障,fb滚动体故障,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4
7、.4 轴承故障的简易诊断法,、判定标准,a、绝对判定标准,b、相对判定标准,c、类比判定标准,一般是兼用以上三种判断标准，才能获得准确、可靠的诊断成果。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,（1）测试震动速度有效值（振级）,（2）冲击脉冲法,图5-13 脉冲诊断法示意图,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,（2）冲击脉冲法,仪器：瑞典SPM公司生产的SPM-43A冲击脉冲仪 或 SKF公司生产的TMED-1轴承故障诊断仪,显示参数：冲击峰值dBM（实际的冲击脉冲值与dBi之差。使 dBM仅与轴承损伤
8、程度有关，而与轴承尺寸和转速无关）,设置参数：根据轴承的内径尺寸和转速选择基准脉冲值dBi（用旋钮）,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,(简易)图4-42 CMJ-1型冲击脉冲计结构简图1壳体；2扬声器；3发光二极管；4预置拨盘；5工作拨盘；6探头（加速度传感器）,（2）冲击脉冲法,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4、轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,表盘上划分为绿、黄、红三个示值区域,绿区轴承工作状态良好，无损伤，dBM 20,黄区轴承工作表面有轻微损伤，可能不断扩大，20 dBM 35,红区轴承工作表面严重损伤，dBM 35d
9、BM 50时应检查更换,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,(简易)图4-44 使用CMJ-1测点位置示意图1滚动轴承；2轴承座；3冲击脉冲探头n轴承转速；d轴承内径；A测点,（2）冲击脉冲法,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、使用便携式测振仪,(简易)图7-12 DZ-5振动测量分析仪外形及开关设置,1压电式传感器2加速度、速度、位移选择开关34档按键开关4指示表头5调频开关和频率调节旋钮6量程选择7外接记录插座8输入校正,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4、轴承故障的简易诊断法,、在线监测与故障诊断系统中
10、的状态监测部分,（1）振动值诊断法,峰值P：适用于表面点蚀损伤之类具有瞬时冲击的故障诊断。对于转速低于300r/min的情况也常用。,均值A（经绝对值处理后的平均值）：一般用于转速高于300r/min时。,均方根值Prms：适用于摩擦之类振动值随时间缓慢变化的情况。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（2）波形因素诊断法（P/A）,P/A过大时，表明轴承可能有点蚀,P/A过小时，表明轴承可能发生了磨损,（3）峰值系数（峰值因子）（P/Prms）诊断法,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、在线监
11、测与故障诊断系统中的状态监测部分,（4）概率密度诊断法,采用“峭度”4来诊断,式中：振幅均值 标准差,当 4=3 时，正常；,43时，异常（点蚀，有冲击）,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（4）概率密度诊断法,采用“偏态”3来诊断,式中：振幅均值 标准差,当 3=0 时，正常；,30时，偏离了正态分布，异常。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.4 轴承故障的简易诊断法,、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分,（4）概率密度诊断法,图5-8 几种不同的概率密度函数图(a)正常(b)无明显故障(c)存在划伤(d)疲劳,
12、第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,、低频信号分析法,监测频带：020KHZ，常用01 KHZ,加速度信号积分为速度信号，进行频谱分析（功率谱），与故障特征频率相对照，确定故障类别和原因。,一般的FT功率谱的缺点：低频噪声干扰大，信噪比小。,减少噪声影响的方法：同步平均法（一般取20个以上样本，谱平均）,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,、低频信号分析法,(1)基频识别,图5-9 某有故障的轴承与完好轴承的频谱对比图,(2)谐频识别,(3)边频识别,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5 轴
13、承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,4.5.2 谐振信号分析法,监测频带：3040KHZ（轴承元件的固有频率一般在此频带内）。对应滚动体或内、外圈的自由振动（由轴承故障激发）的固有频率。,优点：压电加速度计的磁座、机壳及邻近零件的谐振频率均 远离这一频带，信噪比高。,缺点：采样频率要求太高，数据量太大。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,包络法（共振解调法）,监测频带：传感器的一阶谐振频带（120KHZ）,优点：可消除各种低频成分的干扰。,共振解调法原理,共振解调法原理,优点：只要存在着缺陷冲击，就会发生高频冲击谐波，就能引起谐振器的共
14、振，即共振解调波与轴承缺陷的存在是对应的。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）,包络法（共振解调法）,用低频信号分析法和包络法得到的谱图,a、b分别用低频信号分析法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图.,c、d分别用包络法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图.,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5.4 倒频谱分析,在滚动轴承故障信号分析中，由于存在明显的调制现象,在频谱图中形成不同族的调制边频带。,由于各运动件在力的相互作用下各自形成特有的通过频率，并且相互叠加与调制，在功率谱图上形成多族谐波成分。,倒频谱分析具有解调功能，因此采用倒频谱分析可以有效地对轴承故障进行诊断。,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5.4 倒频谱分析,有故障滚动轴承的振动信号,正常滚动轴承的振动信号,第四章 滚动轴承的振动监测与诊断,4.5.4 倒频谱分析,有故障滚动轴承的振动信号,倒频谱图上有两根明显的谱线,其倒频率分别是9.47ms和37.9ms，对应的故障特征频率分别是106Hz和26.39Hz。滚动体故障特征频率理论计算值为106.35Hz，内圈故障特征频率理论计算值为26.35Hz。,
