智能化滚动轴承状态监测

智能化滚动轴承状态监测

第一章综述

1.1 状态监测目的及意义

随着现代化生产的日益规模化与自动化，机械设备的故障监测技术愈显重要，机械故障监测也越来越受到重视。某个部件的异常未被及时监测及排除，往往会导致机器的损坏甚至造成人员的伤亡。在生产力高度发达的当今，某一设备的故障也会影响整个工厂的生产、加工，造成巨大的经济损失。因此，设备的状态监测以及故障诊断具有极为重要的意义。

设备状态监测与故障诊断的目的：

（1）及时、准确的监测设备运行状态，及时发现设备发生故障的早期征兆，以便采取措施预防、减少故障的发生，以及降低故障发生所带来的损失。

（2）监测、记录故障发生过程的有效信息，为事后分析故障原因提供有效数据，以防类似故障的下次发生。

（3）基于对设备运行状态的分析，合理地维护、保养设备，以延长设备使用周期，减少设备使用费用。

（4）充分了解设备性能，为设备的优化、改进提供可靠信息。

大量生产实践证实：设备状态监测及故障诊断不仅降低工伤事故的发生率，也能降低设备的运行费用、维修费用，带来可观的经济效益。

机械设备中很大一部分都是旋转机械。由于旋转机械运行速度高，故对于旋转机械的状态监测与故障诊断显得尤为重要。滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的通用部件，它的运行状态是否正常往往影响到整台设备的性能。据统计，旋转机械的故障有30%是由滚动轴承的故障引起的【1】，所以它的状态好坏对设备的运行影响巨大。

滚动轴承中任一元件出现接触疲劳磨损前的运转总转数或在一定转速下的总工作时数，称为轴承寿命。滚动轴承的寿命参差很大，同一批生产的轴承在相同条件下运转，其寿命可相差数倍甚至数十倍。轴承的这个特点必然导致一些轴承使用寿命远超过额定寿命；一些使用寿命远不及额定寿命。所以采用传统的定期检查滚动轴承状态、定时维修的方法，要么是做无用功，造成人力财力的浪费；要么不能及时的排除故障隐患，造成设备损坏甚至人员伤亡。因此，将智能化状态监测与故障诊断运用于滚动轴承上，能弥补传统方法的不足，对降低工伤事故的发生及降低设备运行开支有积极意义。

1.2 滚动轴承常见故障

滚动轴承的故障现象一般表现为两种，一是轴承安装部位温度过高，二是轴承运转中有噪音。

（1）轴承温度过高

在机构运转时，安装轴承的部位允许有一定的温度，当用手抚摸机构外壳时，应以不感觉烫手为正常，反之则表明轴承温度过高。轴承温度过高的原因有：润滑油质量不符合要求或变质，润滑油粘度过高；机构装配过紧(间隙不足)；轴承

装配过紧；轴承座圈在轴上或壳内转动；负荷过大；轴承保持架或滚动体碎裂等。（2）轴承噪音

滚动轴承在工作中允许有轻微的运转响声，如果响声过大或有不正常的噪音或撞击声，则表明轴承有故障。滚动轴承产生噪音的原因比较复杂，其一是轴承内、外圈配合表面磨损。由于这种磨损，破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系，导致轴线偏离了正确的位置，在轴在高速运动时产生异响。当轴承疲劳时，其表面金属剥落，也会使轴承径向间隙增大产生异响。此外，轴承润滑不足，形成干摩擦，以及轴承破碎等都会产生异常的声响。轴承磨损松旷后，保持架松动损坏，也会产生异响。

1.3滚动轴承状态监测与故障诊断概述

滚动轴承最常见的故障时磨损，润滑不良、轴承超载、异物落入、安装不良、腐蚀等原因通常会引起工作表面疲劳剥落、压痕、锈蚀、胶合、断裂等离散型缺陷或局部损伤，统称为表面损伤类故障【2】。

滚动轴承的状态监测与故障诊断有很多，如：振动信号分析诊断、声发射（AE）诊断、轴承润滑状态监测诊断法、油液分析诊断、温度监测诊断法、间隙（游隙）监测诊断法等。

1.3.1振动信号分析诊断

在各种滚动轴承的状态监测与故障诊断方法中，振动信号分析诊断法运用最为广泛。

采用振动信号分析诊断法，通过监测旋转机械运行时轴承处得振动信号，然后进行数据处理、信号分析，就可以判定轴承的工况是否正常，进而诊断其故障。为此，采用提取特征频率和固有频率作为诊断特征【3】。

1.3.2声发射（AE）诊断

振动信号虽然能提供较多滚动轴承的故障信息，但是由于滚动轴承的信号比较复杂，故障信号与正常振动信号混在一起，为了提取滚动轴承的故障信息，不得不采用比较复杂的监测诊断系统，信号处理技术要求较高，这在某种程度上使滚动轴承的故障诊断应用受到了限制。另外，对于工作在低速及超低速的轴承（如起重机和微波天线转盘的支承轴承），用传统的振动监测法（0～20kHz范围内）难于奏效，而采用声发射技术（在100～300kHz范围内）往往可以收到良好的效果。另外，使用声发射技术不但能监视疲劳裂纹的扩展情况，同时还能监测滚动表面间的摩擦状况【4】。

1.3.3轴承润滑状态监测诊断法

当轴承滚动表面的润滑状态发生改变时，例如从完全液体润滑到干摩擦时，金属间直接接触的时间所占比例上升，冲击脉冲值也会上升，油膜电阻会下降。针对这种现象，实际工作中常用油膜厚度法、油膜电阻诊断法两种监测方法。

1.3.4油液分析诊断

滚动轴承失效的主要方式是磨损、断裂和腐蚀等，其原因主要是润滑不当，因此对运行时使用的润滑油进行系统分析，即可了解轴承的润滑与磨损状态，并

对各种故障隐患进行早期预报，查明产生故障的原因和部位，及时采取措施防止恶性事故的发生。

油液分析应采用系统的方法，只采用单一手段往往会因其局限性而导致不全面的诊断结论，容易产生漏报或误报。实践证明，由以下五个方面，即理化分析、污染度测试、发射光谱分析、红外光谱分析、铁谱分析构成的油液分析系统在设备状态监测与故障诊断工作中可以发挥重要作用，其诊断结果与现场实际基本吻合，具有显著的经济效益与社会效益【4】。

1.3.5温度监测诊断法

滚动轴承如果产生了某种损伤，其温度就会发生变化，因此可通过监测轴承温度来诊断轴承故障。该方法应用得很早，在当时在没有其他更好的监测诊断手段的情况下，同时也是由于这种方法简便实用，确实在滚动轴承的巡检中起到了一定的作用。

但这种方法的致命缺点是当温度有明显的变化时，故障一般都达到了相当严重的程度，因此无法发现早期故障。同时对滚动轴承的温度测量虽然简单，误差一般较大，因此这种方法目前已逐步转变为对滚动轴承的辅助监测诊断手段。为了保护重要设备不致发生全面毁坏事故，目前对一些重点设备、大型设备，仍然在现场安装轴承温度显示仪表，有时还将轴承温度测量参数引入控制系统，增设报警功能和自动停机保护功能【4】。

1.3.6间隙（游隙）监测诊断法

除圆锥滚子轴承外，滚动轴承的内圈和外圈中，即使固定了其中的一个，但由于其内部有间隙，未固定的轴承套圈仍可向一侧移动，该移动量就是轴承间隙，又称游隙。

若轴承套圈或滚动体磨损，则轴承间隙会增大，与原始间隙值相比较，即可知道磨损量。但是当轴承在设备中安装好后，特别是在旋转过程中，要直接测定间隙十分困难，因此多采用间接测量法，即用轴的位置测定代替轴承间隙的直接测量，比如测量轴的振摆、轴端移动量和轴心轨迹等。

间隙测定法对轴承磨损、电蚀的诊断比较有效，但由于其测量不直接，影响因素较多，并且当间隙较大时，轴承的故障一般都已经达到了相当严重的程度，也就是说这种方法无法发现早期故障，因此只能作为避免整台机器故障扩大化的方式，而不能提前发现和预报故障，故目前这种方法只在大型机器、低速机器和检修周期很长的设备中采用，而对小型、高速机器不太适宜【4】。