8.典型机器故障振动特征分析(2)
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• d=滚动体直径； D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； φ =径向方向接触角； n=滚动体数目； No=轴承外环角速度； Ni=轴承内环角速度(=轴转速). 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环和轴承内环都旋转.
•
滚动轴承故障频率计算(2)
• 滚动轴承保持架故障频率： FTF=(N/2)［1-（d/D）Cos φ ] • 滚动轴承滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cos φ ］² } • 滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ ] • 滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ ］
第三阶段
第四阶段
解调谱与频谱
• 振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信 息，并且可跟踪轴承故障发展，在第二，三和第四阶段中以 不同的信息反映轴承不同的故障状态。 • 同时采用振动速度或振动加速度检测常规振动频谱可以在滚 动轴 承故障发展的第三阶段有效地检测到轴承的故障频率 (内环故障BPFI，外环故障BPFO，滚动体故障BSF和保持架故 障FTF)等。 • 振动解调和振动速度或振动加速度相结合可以有效地早期检 测滚动轴承的故障。
Detection by Vibration
滚动轴承故障特征频率
BPFO - Ball Pass Frequency Outer Race BPFI - Ball Pass Frequency Inner Race BSF - Ball Spin Frequency FTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency
• 正常疲劳失效 –疲劳失效指滚道和滚动体 上发生碎裂，并随之产生 材料碎片剥落 –这种疲劳为逐渐发生，一 旦开始则迅速扩展，并伴 随明显的振动增加 –更换轴承，和设计有更长 疲劳寿命的轴承
轴承故障原因及其解决
• 反向载荷 –角接触轴承的设计只接受一 个方向的轴向载荷 –当方向相反时，外圈的椭圆 接触区域被削平。。。 –结果是应力增加，温度升高， 并产生振动增大和轴承早期 失效
通常约百分之八十至九十的轴承寿命
滚动轴承四种类型故障频率 1.随机的，超声频率 ,HFD ,SPM； 2.轴承零部件自振频率-500至2000赫兹范围，与转速无关； 3.旋转的故障频率-内环BPFI，外环BPFO，滚动体BSF和保 持架FTF故障频率 4.和频与差频-轴承若干故障频率之间及其它振源频率相加或相减得出的频率
用振动解调谱检测出第一阶段轴承故障
用振动频谱没有检测出第一阶段轴承故障
滚动轴承故障频率计算(1)
• 保持架故障频率： FTF=(1/2){No［1+（d/D）Cos φ ] +Ni ［1-（d/D）Cos φ ]} • 滚动体旋转故障频率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni|{ [1-(d/D)Cos φ ]² } • 外环故障频率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| [1-(d/D)Cosφ ] • 内环故障频率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| [1+(d/D)Cosφ ］ • 其中：
滚动轴承故障发展过程四阶段典型特征
第一阶段：1.噪声正常；2.温度正常；3.可用超声，振动解调谱、声发射测量出来， 轴承外环有缺陷；4.振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰；5.轴承剩余寿命 大于B-10规定的百分之十。 第二阶段：1.噪声略增大；2.温度正常；3.超声，声发射，振动解调谱通频值明显 增大，轴承外环有缺陷；4.振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)；5. 在对数刻度的频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性刻度的频谱上则很难看 到；噪声地平明显提高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之五。 第三阶段：1.可以听到噪声；2.温度略升高；3.非常高的超声，声发射，解调谱通 频值，轴承外环有故障；4.振动加速度总量和振动速度总量大增；5.在线性刻度频 谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率；6.振动频谱的噪声地平明 显提高；7.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之一。 第四阶段：1.噪声的强度改变；2.温度明显升高；3.超声，声发射，振动解调谱通 频值迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态；4.振动速度总 量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小；5.频率较低的轴承故障频率尖 峰占优势，振动频谱中噪声地平非常高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之零 点二。
• 以上符号： n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化； 3.轴承外环固定不旋转.
轴承故障原因及其解决
• 腐蚀
–其征兆是在滚道、滚子、保 持架或其他位置出现红棕色 区域
–原因是轴承接触腐蚀性流体 和气体 –严重情况下，腐蚀引起轴承 早期疲劳失效 –除掉腐蚀流体，尽可能使用
整体密封轴承
轴承故障原因及其解决
• 不对中
–不对中的征兆是滚珠在滚道上产生的磨 痕与滚道边缘不平行 –如果不对中超过0.001in/in，会产生轴 承和轴承座异常温升，和保持架球磨损
滚动轴承类型
滚动轴承为什么会过早损坏？
滚动轴承过早发生故障的主要因素之一是过大的动载荷即振动。如下 为理论计算滚珠轴承寿命所用的设计公式，该公式表明了为什么作用 在轴承上的动载减少了轴承的寿命：
这个公式表明，转速愈高，预期的寿命愈短。重要的是理论的轴 承寿命随轴承承受的的负载的三次方变化。因此，如果设计者只考虑 轴承的静载和如皮带拉伸等其他部件静载。则轴承的理论计算寿命会 大打折扣。
defect’s “fund.” frequency range
defect’s “harmonic” frequency range
Stage 3
defect’s fundamental frequencies also appear and may exhibit sidebands
Stage 4
典型机器故障振动特征分析 （二）
普迪美第一期培训班 2004年10月
典型机器故障振动特征分析 （二）
• 滚动轴承故障 • 齿轮故障
滚动轴承故障
现代工业通用机械都惊人地配备了滚动轴承。一般说 来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常，它们的公 差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，由 于各种原因，只有10％到20％的轴承能达到它们的设计寿 命。
球/滚动体撞击缺陷产生 “冲击波”. 轴承 “像一个鈡响” (共鸣).
解调频谱
滚动轴承故障发展过程的四阶段
灾难性破坏
X
累 积 的 损 伤
1 2 3 4
阶段轴承剩余寿命的百分之十至二十 阶段轴承剩余寿命的百分之五至十 阶段轴承剩余寿命的百分之一至五 阶段一小时至轴承剩余寿命的百分之一
4
1 2 3 时间
轴承故障原因及其解决
• 布氏硬度凹痕 –当负荷超过滚道的弹性极限时产生 –滚道上的凹痕增加振动（噪声） –任何静态过负荷和严重冲击产生布 氏凹痕 • 伪布式凹痕 –在每个滚珠位置产生的椭圆形磨损 凹痕，光滑，有明显边界，周围有 磨削 –表明严重的外部振动 –隔振和使用抗摩添加剂
轴承故障原因及其解决
解调分析原理
解调频谱作为一个早期指示故
障的测量参数
检查正常频谱和解调频谱：
都没有故障频率，状态良好， 作为基线继续监测 只在解调频谱存在故障频率， 早期故障指示，或需要润滑 在两种频谱中都存在谱峰值，
计划下一次维修更换轴承
只在正常频谱中存在峰值， 同时在解调频谱中噪声水平 升高，立即更换
解调频谱的测量
• 以上符号：
d=滚动体直径； D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； φ =径向方向接触角； n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.
滚动轴承故障频率计算(3)-经验公式
• 外环故障频率： BPFOr≌0.4Nn • 内环故障频率： BPFIr≌0.6Nn • 保持架故障频率： FTFr≌0.4N
缩短滚动轴承寿命的因素
举例说明： 有一根重量为2000磅(908公斤)的转子，转速为6000转/分，在直径为3英 尺（半径为18英寸）处的转子上存在一个1盎司(28．35克)的不平衡质量。仅 由此不平衡质量产生的离心力可Fra Baidu bibliotek计算如下：
其它缩短滚动轴承寿命的因素及解决对策
如果转子不只是承受不平衡，还承受由于不对中、松动、气蚀或 其它故障引起的动载荷，轴承的实际寿命可能还要短。 此外，还有一些影响轴承寿命的因素，包括润滑不当、使用错误 的润滑剂、被灰尘和其它污染物污染、不恰当的储存、进入潮气、 出厂运输或使用时嗑碰、刮伤、错用轴承型号、轴承安装不当等。 最重要的解决对策是能够监测滚动轴承的状态，早期发现轴承故 障，监测跟踪其发展趋势，并知道何时需更换轴承； 正确地采集轴承振动特征信号； 分析其振动特征信号完成故障诊断； 还可利用高频包络解调信号处理技术，更有效地监测出轴承故障。
• 以上符号： n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化； 3.轴承外环固定不旋转.
滚动轴承故障频率计算(4)-估算公式
• 外环故障频率： BPFOe≌N(0.5n-1.2) • 内环故障频率： BPFIe≌N(0.5n+1.2) • 滚动体故障频率： BSFe≌N(0.2n-1.2/n) • 保持架故障频率： FTFe≌N(0.5-1.2/n)
轴承故障原因及其解决
• 污染 –污染是轴承失效的主要原因之一 –污染的征兆是在滚道和滚动体表面有 点痕，导致振动加大和磨损 –清洁环境，工具，规范操作。新轴承 的储运。 • 润滑油失效 –滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑 失效的征兆，随之产生滚道、滚子和 保持架磨损，导致过热和严重故障。 –滚动轴承的正常运行取决于各部件间 存在良好油膜失效常常由润滑不足和 过热引起
轴承故障原因及其解决
• 过负荷 –引起过早疲劳，（包括过紧配合， 布氏硬度凹痕和预负荷） –减少负荷或重新设计 • 过热 –征兆是滚道，球和保持架变色，从 金色变为蓝色 –温度超过400F（204℃）使滚道和滚 动体材料退火 –硬度降低导致轴承承重降低和早期 失效 –严重情况下引起变形，另外温升高 会降低和破坏润滑性能
• 配合松动
–配合松动导致配合部件的相对运动，如 果这个相对运动轻微但不间断，则产生 磨损 –这种磨损产生颗粒，并氧化成特殊的棕 色。这导致研磨和松动加大。 –如果松动增大到内圈或外圈的显著运动， 安装表面（孔径，外径和侧面）将磨损 和发热，引起噪声和晃动。
典型的轴承故障发展过程
Detection by Lubricant Analysis Detection by Acoustic Emissions Detection by Listen and Feel
第四阶段
解调demo值开始时减小，卡死前 可能剧增。出现高频随机谱，轴 承寿命成问题。
滚动轴承故障发展的四个阶段
Stage 1
no apparent change on typical velocity spectrum
Stage 2
defect’s harmonic frequencies appear
第一阶段
滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶 段
只是 解调demo值有明显指示
第二阶段
解调demo值明显增大，开始出现 轴承零件共振频率并伴有1X转速 频率边带
第三阶段
A.仅出现滚动轴承故障频率(没有 1X边带频率) B.滚动轴承跑道圆周上出现轻微 磨损时，便出现轴承故障频率的 谐波频率 C.磨损明显时轴承故障频率两侧 出现1X转速边带频率，还可出现 其它的轴承故障频率
defect’s harmonic frequencies develop multiple sidebands (haystack), fundamental freqs. grow and also develop sidebands
滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶 段
第一阶段
第二阶段
•
滚动轴承故障频率计算(2)
• 滚动轴承保持架故障频率： FTF=(N/2)［1-（d/D）Cos φ ] • 滚动轴承滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cos φ ］² } • 滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ ] • 滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ ］
第三阶段
第四阶段
解调谱与频谱
• 振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信 息，并且可跟踪轴承故障发展，在第二，三和第四阶段中以 不同的信息反映轴承不同的故障状态。 • 同时采用振动速度或振动加速度检测常规振动频谱可以在滚 动轴 承故障发展的第三阶段有效地检测到轴承的故障频率 (内环故障BPFI，外环故障BPFO，滚动体故障BSF和保持架故 障FTF)等。 • 振动解调和振动速度或振动加速度相结合可以有效地早期检 测滚动轴承的故障。
Detection by Vibration
滚动轴承故障特征频率
BPFO - Ball Pass Frequency Outer Race BPFI - Ball Pass Frequency Inner Race BSF - Ball Spin Frequency FTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency
• 正常疲劳失效 –疲劳失效指滚道和滚动体 上发生碎裂，并随之产生 材料碎片剥落 –这种疲劳为逐渐发生，一 旦开始则迅速扩展，并伴 随明显的振动增加 –更换轴承，和设计有更长 疲劳寿命的轴承
轴承故障原因及其解决
• 反向载荷 –角接触轴承的设计只接受一 个方向的轴向载荷 –当方向相反时，外圈的椭圆 接触区域被削平。。。 –结果是应力增加，温度升高， 并产生振动增大和轴承早期 失效
通常约百分之八十至九十的轴承寿命
滚动轴承四种类型故障频率 1.随机的，超声频率 ,HFD ,SPM； 2.轴承零部件自振频率-500至2000赫兹范围，与转速无关； 3.旋转的故障频率-内环BPFI，外环BPFO，滚动体BSF和保 持架FTF故障频率 4.和频与差频-轴承若干故障频率之间及其它振源频率相加或相减得出的频率
用振动解调谱检测出第一阶段轴承故障
用振动频谱没有检测出第一阶段轴承故障
滚动轴承故障频率计算(1)
• 保持架故障频率： FTF=(1/2){No［1+（d/D）Cos φ ] +Ni ［1-（d/D）Cos φ ]} • 滚动体旋转故障频率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni|{ [1-(d/D)Cos φ ]² } • 外环故障频率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| [1-(d/D)Cosφ ] • 内环故障频率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| [1+(d/D)Cosφ ］ • 其中：
滚动轴承故障发展过程四阶段典型特征
第一阶段：1.噪声正常；2.温度正常；3.可用超声，振动解调谱、声发射测量出来， 轴承外环有缺陷；4.振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰；5.轴承剩余寿命 大于B-10规定的百分之十。 第二阶段：1.噪声略增大；2.温度正常；3.超声，声发射，振动解调谱通频值明显 增大，轴承外环有缺陷；4.振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)；5. 在对数刻度的频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性刻度的频谱上则很难看 到；噪声地平明显提高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之五。 第三阶段：1.可以听到噪声；2.温度略升高；3.非常高的超声，声发射，解调谱通 频值，轴承外环有故障；4.振动加速度总量和振动速度总量大增；5.在线性刻度频 谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率；6.振动频谱的噪声地平明 显提高；7.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之一。 第四阶段：1.噪声的强度改变；2.温度明显升高；3.超声，声发射，振动解调谱通 频值迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态；4.振动速度总 量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小；5.频率较低的轴承故障频率尖 峰占优势，振动频谱中噪声地平非常高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之零 点二。
• 以上符号： n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化； 3.轴承外环固定不旋转.
轴承故障原因及其解决
• 腐蚀
–其征兆是在滚道、滚子、保 持架或其他位置出现红棕色 区域
–原因是轴承接触腐蚀性流体 和气体 –严重情况下，腐蚀引起轴承 早期疲劳失效 –除掉腐蚀流体，尽可能使用
整体密封轴承
轴承故障原因及其解决
• 不对中
–不对中的征兆是滚珠在滚道上产生的磨 痕与滚道边缘不平行 –如果不对中超过0.001in/in，会产生轴 承和轴承座异常温升，和保持架球磨损
滚动轴承类型
滚动轴承为什么会过早损坏？
滚动轴承过早发生故障的主要因素之一是过大的动载荷即振动。如下 为理论计算滚珠轴承寿命所用的设计公式，该公式表明了为什么作用 在轴承上的动载减少了轴承的寿命：
这个公式表明，转速愈高，预期的寿命愈短。重要的是理论的轴 承寿命随轴承承受的的负载的三次方变化。因此，如果设计者只考虑 轴承的静载和如皮带拉伸等其他部件静载。则轴承的理论计算寿命会 大打折扣。
defect’s “fund.” frequency range
defect’s “harmonic” frequency range
Stage 3
defect’s fundamental frequencies also appear and may exhibit sidebands
Stage 4
典型机器故障振动特征分析 （二）
普迪美第一期培训班 2004年10月
典型机器故障振动特征分析 （二）
• 滚动轴承故障 • 齿轮故障
滚动轴承故障
现代工业通用机械都惊人地配备了滚动轴承。一般说 来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常，它们的公 差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，由 于各种原因，只有10％到20％的轴承能达到它们的设计寿 命。
球/滚动体撞击缺陷产生 “冲击波”. 轴承 “像一个鈡响” (共鸣).
解调频谱
滚动轴承故障发展过程的四阶段
灾难性破坏
X
累 积 的 损 伤
1 2 3 4
阶段轴承剩余寿命的百分之十至二十 阶段轴承剩余寿命的百分之五至十 阶段轴承剩余寿命的百分之一至五 阶段一小时至轴承剩余寿命的百分之一
4
1 2 3 时间
轴承故障原因及其解决
• 布氏硬度凹痕 –当负荷超过滚道的弹性极限时产生 –滚道上的凹痕增加振动（噪声） –任何静态过负荷和严重冲击产生布 氏凹痕 • 伪布式凹痕 –在每个滚珠位置产生的椭圆形磨损 凹痕，光滑，有明显边界，周围有 磨削 –表明严重的外部振动 –隔振和使用抗摩添加剂
轴承故障原因及其解决
解调分析原理
解调频谱作为一个早期指示故
障的测量参数
检查正常频谱和解调频谱：
都没有故障频率，状态良好， 作为基线继续监测 只在解调频谱存在故障频率， 早期故障指示，或需要润滑 在两种频谱中都存在谱峰值，
计划下一次维修更换轴承
只在正常频谱中存在峰值， 同时在解调频谱中噪声水平 升高，立即更换
解调频谱的测量
• 以上符号：
d=滚动体直径； D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； φ =径向方向接触角； n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.
滚动轴承故障频率计算(3)-经验公式
• 外环故障频率： BPFOr≌0.4Nn • 内环故障频率： BPFIr≌0.6Nn • 保持架故障频率： FTFr≌0.4N
缩短滚动轴承寿命的因素
举例说明： 有一根重量为2000磅(908公斤)的转子，转速为6000转/分，在直径为3英 尺（半径为18英寸）处的转子上存在一个1盎司(28．35克)的不平衡质量。仅 由此不平衡质量产生的离心力可Fra Baidu bibliotek计算如下：
其它缩短滚动轴承寿命的因素及解决对策
如果转子不只是承受不平衡，还承受由于不对中、松动、气蚀或 其它故障引起的动载荷，轴承的实际寿命可能还要短。 此外，还有一些影响轴承寿命的因素，包括润滑不当、使用错误 的润滑剂、被灰尘和其它污染物污染、不恰当的储存、进入潮气、 出厂运输或使用时嗑碰、刮伤、错用轴承型号、轴承安装不当等。 最重要的解决对策是能够监测滚动轴承的状态，早期发现轴承故 障，监测跟踪其发展趋势，并知道何时需更换轴承； 正确地采集轴承振动特征信号； 分析其振动特征信号完成故障诊断； 还可利用高频包络解调信号处理技术，更有效地监测出轴承故障。
• 以上符号： n=滚动体数目； N=轴的转速。 • 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化； 3.轴承外环固定不旋转.
滚动轴承故障频率计算(4)-估算公式
• 外环故障频率： BPFOe≌N(0.5n-1.2) • 内环故障频率： BPFIe≌N(0.5n+1.2) • 滚动体故障频率： BSFe≌N(0.2n-1.2/n) • 保持架故障频率： FTFe≌N(0.5-1.2/n)
轴承故障原因及其解决
• 污染 –污染是轴承失效的主要原因之一 –污染的征兆是在滚道和滚动体表面有 点痕，导致振动加大和磨损 –清洁环境，工具，规范操作。新轴承 的储运。 • 润滑油失效 –滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑 失效的征兆，随之产生滚道、滚子和 保持架磨损，导致过热和严重故障。 –滚动轴承的正常运行取决于各部件间 存在良好油膜失效常常由润滑不足和 过热引起
轴承故障原因及其解决
• 过负荷 –引起过早疲劳，（包括过紧配合， 布氏硬度凹痕和预负荷） –减少负荷或重新设计 • 过热 –征兆是滚道，球和保持架变色，从 金色变为蓝色 –温度超过400F（204℃）使滚道和滚 动体材料退火 –硬度降低导致轴承承重降低和早期 失效 –严重情况下引起变形，另外温升高 会降低和破坏润滑性能
• 配合松动
–配合松动导致配合部件的相对运动，如 果这个相对运动轻微但不间断，则产生 磨损 –这种磨损产生颗粒，并氧化成特殊的棕 色。这导致研磨和松动加大。 –如果松动增大到内圈或外圈的显著运动， 安装表面（孔径，外径和侧面）将磨损 和发热，引起噪声和晃动。
典型的轴承故障发展过程
Detection by Lubricant Analysis Detection by Acoustic Emissions Detection by Listen and Feel
第四阶段
解调demo值开始时减小，卡死前 可能剧增。出现高频随机谱，轴 承寿命成问题。
滚动轴承故障发展的四个阶段
Stage 1
no apparent change on typical velocity spectrum
Stage 2
defect’s harmonic frequencies appear
第一阶段
滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶 段
只是 解调demo值有明显指示
第二阶段
解调demo值明显增大，开始出现 轴承零件共振频率并伴有1X转速 频率边带
第三阶段
A.仅出现滚动轴承故障频率(没有 1X边带频率) B.滚动轴承跑道圆周上出现轻微 磨损时，便出现轴承故障频率的 谐波频率 C.磨损明显时轴承故障频率两侧 出现1X转速边带频率，还可出现 其它的轴承故障频率
defect’s harmonic frequencies develop multiple sidebands (haystack), fundamental freqs. grow and also develop sidebands
滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶 段
第一阶段
第二阶段