滚动轴承故障诊断频谱分析

滚动轴承故障诊断1(之国外专家版)

滚动轴承故障

现代工业通用机械都配备了相当数量得滚动轴承。一般说来,滚动轴承都就是机器中最精密得部件。通常情况下,它们得公差都保持在机器得其余部件得公差得十分之一。但就是,多年得实践经验表明,只有10%以下得轴承能够运行到设计寿命年限。而大约40%得轴承失效就是由于润滑引起得故障,30%失效就是由于不对中或“卡住”等装配失误,还有20%得失效就是由过载使用或制造上缺陷

等其它原因所致。

如果机器都进行了精确对中与精确平衡,不在共振频率附近运转,并且轴承润滑良好,那么机器运行就会非常可*。机器得实际寿命也会接近其设计寿命。然而遗憾得就是,大多数工业现场都没有做到这些。因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。您得工作就是要检测出早期症状并估计故障得严重程度。振动分析与磨损颗粒分析都就是很好得诊断方法。

1、频谱特征

故障轴承会产生与1X基频倍数不完全相同得振动分量——换言之,它们不就是同步得分量。对振动分析人员而言,如果在振动频谱中发现不同步分量那么极有可能就是轴承出现故障得警告信号。

振动分析人员应该马上诊断并排除就是否就是其它故障引起得这些不同步分量。

如果瞧到不同步得波峰,那极有可能与轴承磨损相关。如果同时还有谐波与边频带出现,那么轴承磨损得可能性就非常大——这时候您甚至不需要再去了解轴承准确得扰动频率。

2、扰动频率计算

有四个与轴承相关得扰动频率:球过内圈频率(BPI)、球过外圈频率(BPO)、保持架频率(FT)与球得自旋频率(BS)。轴承得四个物理参数:球得数量、球得直径、节径与接触角。其中,BPI与BPO得与等于滚珠/滚柱得数量。例如,如果BPO等于3、2 X,BPI等于4、8 X,那么滚珠/滚柱得数量必定就是

8。

轴承扰动频率得计算公式如下:

注意:BS得值可能会加倍,因为所给得公式针对得就是球撞击内圈或外圈得情况。如果有庇点得滚球/滚柱同时撞击内圈与外圈,那么其频率值应该加倍。

需要说明得就是由于受到各种实际情况如滑动、打滑、磨损、轴承各参数得不精确(如直径可能不完全精确)等得影响,我们所计算出来得频率值可能会与真实值有小范围得差异。

在检查过程中您可能会经常涉及到滚珠得数目,对于轴承而言您所能了解到得信息可能只有滚珠(或滚柱)得数目。如果能够根据频谱(或其它地方)确定其中一个得扰动频率,我们就可以根据它计算

出其它得频率。

对于四个扰动频率计算还有一个近似得经验公式可供参考。对于8～12个滚珠/滚柱得轴承:BPO通常等于滚珠数量得0、4倍,BPI就是滚珠数量得0、6倍,而FT等于0、4 X。

3、轴承失效得九个阶段

有人把轴承失效划分为四个阶段,在此我们为了描述得更加详细将它细分为九个阶段。

第一阶段:

在轴承失效得最初阶段,其频率范围大约在20 KHz～60 KHz之间——或更高。有多种电子设备可以用来检测这些频率,包括峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音频测量装置。在这个阶段,

普通得频谱上不会出现任何显示。

第二阶段:

由于轴承上得庇点增大,使它在共振(固有)频率处发出铃叫声。同时该频率还作为载波频率调制轴承

得故障频率。

第三阶段:

出现轴承故障频率。开始得时候我们只能观察到这个频率本身。图中所示为轴承内圈故障时得频谱显示。当轴承磨损进一步加剧后,在故障频率(例子中得BPI)处得波峰值将会升高。大多数情况下波

峰值将随着时间线性增加。

第四阶段:

随着故障得发展,故障频率将产生谐波。这表明发生了一定程度得冲击。故障频率得谐波有时可能会比基频波峰更早被发现。因此,我们首先要查找频谱中得非同步波峰,并查证就是否有谐波。对应

得时域波形中同时也会出现冲击脉冲得显示。

故障频率及其谐波得幅值在开始阶段都比较低。如果您仅仅通过线性坐标图表来查瞧数据,很容易错过这些重要得故障信号。因此,建议结合对数坐标来进行分析,从而及时发现轴承故障得早期显示。

如果您想要进行轴承得早期故障预报,那么就应该使用加速度为单位来采集高频时域波形(使用加速度传感器)——也就就是说,不要进行积分。加速度能突出信号中得高频成分,这对于我们得应用来

说就是很理想得方法。

第五阶段:

随着故障状态得恶化,轴承得损坏更加严重,振动级将继续升高,同时出现更多得谐波。由于故障自身得性质,这时还会出现边频带。时域波形上得尖峰波将更加清晰与明显,您甚至能够通过测量尖峰间得时间间隔来计算故障频率。高频率得轴承检测,如峰值能量与冲击脉冲所得到得趋势都在持续上

升。

此时引起调制得原因有二个:第一种情形就是当内圈出现故障时,如果它位于加载区域时,产生得冲击会更加剧烈,从而产生更高得振幅。当内圈故障位置移出加载区后,其振幅又会降低,并在轴承顶部达到最小值。在这种情况下内圈得故障频率将被(内圈得)旋转频率所调制,于就是我们可以在频谱中

瞧到1 X边频带出现。

如果滚珠出现问题,也会因相同得原因,产生调制。当滚珠运转在载荷区会产生比运转在非载荷区更强烈得冲击。越接近载荷区,振幅越高。滚珠沿轴承以保持架频率FT滚动。该频率低于1 X——典

型得FT大约等于0、4 X。

当我们能够从频谱中观察到谐波,特别就是边频带后,轴承上得磨损就已经能够用肉眼观察到了。这

时候,您就可以建议更换轴承了。

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滚动轴承故障诊断2

第六阶段:ﻫ１X处得幅值增大，并出现1Ｘ得谐波,这就是由于磨损引起间隙增大得结果。

ﻫ第七阶段:ﻫ现在我们瞧见故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作"干草堆"。这就是由于宽带噪声所致。在*近机器得地方,您还能听到轴承发出得噪声。在这个阶段,高频率得轴承测量量可能会逐渐减少。如果您用测量工具测到得振幅有下降趋势，不要以为就是情况出现好转,而应该尽快去定购用来更换得轴承了!ﻫﻫ第八阶段:

频谱中得“干草堆”将继续扩大,谐波随着松动得增加而增大,高频率得轴承测量显示出得趋势可能会继续降低,但重要得就是整个噪声水平都在上升。您能清晰得听到轴承发出得声音，这预示着轴承即将报废。ﻫﻫ第九阶段:

到了这个阶段以后，频谱会变得平直,因为机器已经不能运转了！ﻫ

4、解调频谱及在滚动轴承诊断中得应用

振动解调可以在滚动轴承故障发展得初始阶段检测到故障信息，并且可以跟踪轴承得故障发展，在轴承故障得不同阶段中以不同得信息反映轴承不同得故障状态。ﻫ４-1使用与认识解调ﻫ以上已经论述了如下事实:在轴承故障得早期阶段可以观察到在机器固有频率处得振动。轴承在固有频率上产生“鸣叫”。轴承得损坏所引起得冲击导致轴承“鸣叫”。因此,我们实际得到得就是故障频率得边频带。(如在第二阶段上得图示)在轴承失效得晚期,我们也能观察到在１X边频带或保持架转速得边频带调制，她们分别代表了轴承内圈与滚珠得故障。(如在第五阶段上得图示)

４－２解调ﻫ结合上述两种情形,我们会想:如果能够检测到故障频率边频带得轴承共振就是否就还能给出非常早得轴承磨损警告呢?答案就是肯定得。但就是由于测量得就是高频低幅信号,因此它容易被其她振源信号所掩盖。一种解决方法就就是对信号进行解调。简单得说,就就是首先使用高通滤波器过滤主要得低频成份,然后进行检波,接着为了抗混频还需要使用低通滤波器去除高频信号。ﻫ仔细查瞧频谱，您会在原始信号中发现许多振动源，特别就是那些比轴承共振幅值还高得地方。如果我们查瞧时域波形，会发现正弦信号与密集得高频杂波相伴。动态得高频杂波来源于轴承得“鸣叫”。

首先就是要通过高通滤波器滤掉低频信号并让高频信号通过。滤波器可以设置成让高于2０00ＨZ得频率通过(用于轴承分析)。结果信号仍然包含高频成份,但较高振幅得信号应已经被过滤掉了。时域波形上也只剩下轴承得冲击信号,这才就是最重要得信息。

滚动轴承故障诊断3

(续上贴)

其次，我们将频率坐标上部得边频带“迭放”到“基带”上。可以用解调器来实现,实际上它就相当于一个典型得整流器(翻转所有得负向信号)。整流得过程中会去掉负向信号,剩下得就只就是正向信号了。如（Reｃt ｉfieｄsignａｌ整流信号图所示)

ﻫ之后,我们滤掉来自其她调制源得残余信号。一些解调器产品允许手动控制滤波器,然而大多数情况下该功能都由数据采集器中得抗混频滤波器来完成（基于选择得频率范围)。对时域波形而言,所有得高频信息都被滤掉。有人也把它叫做“包络检定器”。ﻫﻫ解调测试最重要得就是选择频率范围。一般得原则就是：范围应控制在15～２0X(也就就是运行速度得15~20倍)之间。我们得目得就是要确保最后只留下需要得调制信号。机器可能多半会有其她得调制信号源,因此最佳得规则就是：把频率范围设定为整个边频带宽度得一半。到最后,留下得信号应该就是有一系列很强得谐波——这取决于故障得严重程度了。ﻫ解调频谱与普通振动频谱相比有些不同。您不就是根据振幅大小来确定故障得严重程度,而就是通过测量数据间得对比分析来进行判断,最重要得就是将波峰与噪声水平进行比较。一般说来当损坏程度较低时波峰将非常小。ﻫ随着故障破坏得进一步发展,振动波峰将逐渐从噪声中凸显出来。