滚动轴承的故障机理与诊断PPT(共25页)
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• 关键词：轴承；故障；诊断；包络
一、引言
旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因 滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造 成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的 设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于 晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障， 从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备 监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于 轴承的故障诊断。
三、轴承故障的发展历程
• 第三阶段：轴承故障频率的谐波开始出现，边频带数目逐渐 增多。谐波有时会比基频更早被发现。峰值能量gSE、应力波 PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM所测故障频率幅值显著 升高。加速度频谱图上也可能观察到轴承故障的高次谐波。此 时需要停机检修。
• 第四阶段：在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率 的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所 测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被 随机振动或噪音代替。能明显听到故障轴承产生的噪声。此时 轴承已处于危险状态。
式中： n——滚动体数目 d——滚动体直径 D——轴承节径，即外环内径与内环外径的平均值 θ——接触角 对于推力轴承，接触角θ为90°。
四、轴承故障频率计算
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：BP(F n 21 I.2)f0 外 环：BPF (n 21 O .2)f0 滚动体：BP 1 2F (n 2 I1 n .2)f0 保持架：FT(F 1 21n .2)f0 对于滚动体数目在6～12个的轴承，误差较小。
二、滚动轴承的故障形式
滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨 损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油 变质等因素会加速轴承的损坏。滚动轴承的主要故障形式与原因 如下。 • ⒈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。
二、滚动轴承的故障形式
• ⒉磨损 长时间运转使轴承的内外滚道和滚动体表面不可避免地产生磨损，持
续地磨损使轴承间隙增大，振动和噪声增加。润滑不良和硬质颗粒进入 滚道会加速轴承的磨损。 • ⒊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。 • ⒋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。
五、包络分析原理
轴承故障会产生周明性的冲击振动信号，通常是高频低幅值 信号，在故障的早期和中期，因不平衡、不对中、松动等故障的 幅值较高，在常规速度谱和加速度谱难以观察到轴承的故障频率 。现场使用最多的是带磁座的压电加速度传感器，对常规振动通 常取传感器安装共振频率的1/3，以保证所测谱线幅值在线性范围 之内。包络分析采用带通滤波器，通常选取以加速度传感器安装 共振频率为中心的频带做为载波频率，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，便可得到轴承的包络谱，这 个过程也称为共振解调。
频段。有多种信号处理手段能够检测到这些频率，如峰值能 量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM等。 此时，轴承故障频率在加速度谱和速度频谱图上均无显示。
第二阶段：轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段 ，一般在500～2KHz范围内。同时该频率还作为载波频率调 制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身，后期表 现为在固有频率附近出现边频。此时，轴承仍可安全运转。
二、滚动轴承的故障形式
• ⒌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。
三、轴承故障的发展历程
轴承失效通常划分为四个阶段： • 第一阶段：在轴承失效的初始阶段，故障频率出现在超声
滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
• 摘要：本文介绍了滚动轴承的故障类型和发展历 程，轴承故障频率的计算公式和包络分析的原理 ，并通过实例介绍了滚动轴承的诊断方法。
四、轴承故障频率计算
1969年，Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在 内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，该研究奠 定了这方面的理论基础。
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Байду номын сангаас分别 为：
内 环：BP n 2(1 F D dc I o ) s f0 外 环：BP n 2( F 1 D dO co ) s f0 滚动体：BS 2 D dF [1 (D dco )2]s f0 保持架：FT 1 2(1 F D dco ) sf0
一、引言
振动加速度信号的波峰因数是指时域波形的峰值与均方根值之 比，这种方法只适用于轴承点蚀故障的诊断；冲击脉冲技术 (Shock Pulse Method)是瑞典SKF公司多年对轴承故障机理研究的 基础上发明的，它依据滚动轴承在出现疲劳剥落、裂纹、磨损时 产生的脉冲性振动强弱判断轴承故障，这种方法受使用者经验、 设备干扰因素影响较大。美国Entek-IRD公司的峰值能量(Spike Energy)技术通过检测高频振动的尖峰诊断轴承的故障；CSI公司 的PeakVue技术通过检测轴承产生的应力波诊断轴承故障，对低 速轴承故障信号也有良好的响应；这两种技术诊断准确，但是仪 器价格偏高。包络分析是采用共振解调技术诊断滚动轴承故障， 应用广泛，效果也不错，许多监测仪器采用这一技术。
一、引言
旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因 滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造 成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的 设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于 晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障， 从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备 监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于 轴承的故障诊断。
三、轴承故障的发展历程
• 第三阶段：轴承故障频率的谐波开始出现，边频带数目逐渐 增多。谐波有时会比基频更早被发现。峰值能量gSE、应力波 PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM所测故障频率幅值显著 升高。加速度频谱图上也可能观察到轴承故障的高次谐波。此 时需要停机检修。
• 第四阶段：在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率 的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所 测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被 随机振动或噪音代替。能明显听到故障轴承产生的噪声。此时 轴承已处于危险状态。
式中： n——滚动体数目 d——滚动体直径 D——轴承节径，即外环内径与内环外径的平均值 θ——接触角 对于推力轴承，接触角θ为90°。
四、轴承故障频率计算
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：BP(F n 21 I.2)f0 外 环：BPF (n 21 O .2)f0 滚动体：BP 1 2F (n 2 I1 n .2)f0 保持架：FT(F 1 21n .2)f0 对于滚动体数目在6～12个的轴承，误差较小。
二、滚动轴承的故障形式
滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨 损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油 变质等因素会加速轴承的损坏。滚动轴承的主要故障形式与原因 如下。 • ⒈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。
二、滚动轴承的故障形式
• ⒉磨损 长时间运转使轴承的内外滚道和滚动体表面不可避免地产生磨损，持
续地磨损使轴承间隙增大，振动和噪声增加。润滑不良和硬质颗粒进入 滚道会加速轴承的磨损。 • ⒊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。 • ⒋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。
五、包络分析原理
轴承故障会产生周明性的冲击振动信号，通常是高频低幅值 信号，在故障的早期和中期，因不平衡、不对中、松动等故障的 幅值较高，在常规速度谱和加速度谱难以观察到轴承的故障频率 。现场使用最多的是带磁座的压电加速度传感器，对常规振动通 常取传感器安装共振频率的1/3，以保证所测谱线幅值在线性范围 之内。包络分析采用带通滤波器，通常选取以加速度传感器安装 共振频率为中心的频带做为载波频率，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，便可得到轴承的包络谱，这 个过程也称为共振解调。
频段。有多种信号处理手段能够检测到这些频率，如峰值能 量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM等。 此时，轴承故障频率在加速度谱和速度频谱图上均无显示。
第二阶段：轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段 ，一般在500～2KHz范围内。同时该频率还作为载波频率调 制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身，后期表 现为在固有频率附近出现边频。此时，轴承仍可安全运转。
二、滚动轴承的故障形式
• ⒌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。
三、轴承故障的发展历程
轴承失效通常划分为四个阶段： • 第一阶段：在轴承失效的初始阶段，故障频率出现在超声
滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
• 摘要：本文介绍了滚动轴承的故障类型和发展历 程，轴承故障频率的计算公式和包络分析的原理 ，并通过实例介绍了滚动轴承的诊断方法。
四、轴承故障频率计算
1969年，Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在 内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，该研究奠 定了这方面的理论基础。
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Байду номын сангаас分别 为：
内 环：BP n 2(1 F D dc I o ) s f0 外 环：BP n 2( F 1 D dO co ) s f0 滚动体：BS 2 D dF [1 (D dco )2]s f0 保持架：FT 1 2(1 F D dco ) sf0
一、引言
振动加速度信号的波峰因数是指时域波形的峰值与均方根值之 比，这种方法只适用于轴承点蚀故障的诊断；冲击脉冲技术 (Shock Pulse Method)是瑞典SKF公司多年对轴承故障机理研究的 基础上发明的，它依据滚动轴承在出现疲劳剥落、裂纹、磨损时 产生的脉冲性振动强弱判断轴承故障，这种方法受使用者经验、 设备干扰因素影响较大。美国Entek-IRD公司的峰值能量(Spike Energy)技术通过检测高频振动的尖峰诊断轴承的故障；CSI公司 的PeakVue技术通过检测轴承产生的应力波诊断轴承故障，对低 速轴承故障信号也有良好的响应；这两种技术诊断准确，但是仪 器价格偏高。包络分析是采用共振解调技术诊断滚动轴承故障， 应用广泛，效果也不错，许多监测仪器采用这一技术。