滚动轴承状态监测

轴承状态监测

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学院：机械工程学院

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专业：测控技术与仪器

摘要：轴承是各类机械设备中的常用部件，也是最易损的部件之一。轴承出现故障而得不到及时更换时，将可能影响整个机械装置的工作，所以要对轴承进行状态监测，以便及时发现轴承的故障。本文对轴承状态监测的流程及各流程的实现进行了较为详细的阐述，说明了进行轴承状态监测的意义及其技术的发展过程，之后介绍了状态监测的基本步骤及各个步骤的实现方法，最终完成对轴承状态的正确判断，并对此项技术进行了总结和拓展。

关键字：滚动轴承；状态检测；时域分析；频域分析；神经网络

目录

第一章研究背景 (3)

1.1 轴承状态监测的意义和重要性 (3)

1.2 常见故障形式 (3)

1.2.1滚动轴承的基本结构

1.2.2 滚动轴承的常见故障形式

1.3 滚动轴承诊断的发展与现状 (5)

1.3.1 滚动轴承诊断的发展

1.3.2 滚动轴承诊断的现状

1.4 常见滚动轴承的方法 (6)

1.4.1 温度监测

1.4.2 油液监测

1.4.1 振动监测

1.4.2 声波发射监测

1.5 常见的故障监测传感器 (7)

1.6 常见的特征参数提取手段 (7)

1.6.1 基于时域和频域特征参数的提取方法

1.6.2 基于AR模型的特征参数提取方法

1.6.3 基于分型理论的特征参数提取方法

1.6.4 基于小波分析的特征参数提取方法

1.7 常见的模式识别手段 (8)

1.7.1 模糊模式识别法

1.7.2 灰色系统理论法

1.7.3 人工神经网络法

1.8 小结 (9)

第二章滚动轴承故障的检测与诊断 (10)

2.1 特征提取 (10)

2.1.1 零均值化

2.1.2 时域特征值得提取

2.2 频域分析法 (13)

2.1.1信号频域分析及特征提取

2.2.2 频域特征提取

2.3 时域与频域信号归一化 (15)

第三章模式识别 (16)

3.1 神经网络识别 (16)

3.2 神经网络测试 (17)

第四章总结 (17)

第一章研究背景

1.1 轴承状态监测的意义和重要性

随着科技的发展，现代工业正逐步向生产设备大型化、复杂化、高速化和自动化方向发展，在提高生产率、降低成本、节约能源、减少废品率、保证产品质量等方面具有很大的优势。

但是，正如文献[1]所述，由于故障所引起的灾难性事故及其所造成的对生命与财产的损失和对环境的破坏等也是很严重的，这就使得人们对诸如航空航天器、核电站、热电厂及其他大型化工设备的可靠性、安全性提出了越来越高的要求。故障诊断理论就是为了满足对系统可靠性和安全性要求的提高，减少并控制灾难性事故的发生而发展起来的。

我们可以从查阅文献[2]中得知：滚动轴承与其他机械零部件相比，有一个很独特的特点，那就是其寿命的离散性很大。由于轴承的这一特点，在实际使用中就会出现这样一种情况：有的轴承已大大超过其设计寿命而依然能正常地工作，而有的轴承远未达到其设计寿命就出现各种故障。因此，如果按照设计寿命对轴承进行定期维修：一方面，会造成将超过设计寿命而仍正常工作的轴承拆下来作报废处理，造成浪费；另一方面，未达到设计寿命而出现故障的轴承没有被及时的发现，直到定期维修时才被拆下来报废，使得机器在轴承出现故障后和报废前这段时间内工作精度降低，或者未到维修时间就出现严重故障，导致整部机器陷于瘫痪状态。因此，进行滚动轴承工作状态及故障的早期检测与故障诊断，对于设备安全平稳运行具有重要的实际意义。

尤其是我国高速发展的列车行业，滚动轴承是列车走行部中应用最为广泛的机械零件，也是最易损坏的元件之一。状态监测可以及时、准确的掌握设备运行状态、延长轴承的工作寿命。

1.2 常见故障形式

1.2.1滚动轴承的基本结构

滚动轴承是广泛应用于各类机械中的基础件。滚动轴承一般由内圈,外圈,滚动体和保持架组成。内圈通常装配在轴上，并与轴一起旋转，外圈通常装在轴承座内或机械部件壳体中起支承作用。但是在某些应用场合，也有外圈旋转，内圈固定或者内，外圈都旋转的。

在推力轴承中，与轴配合的套圈称为轴圈,与轴承座或机械部件壳体相配的套圈称为座圈。

保持架的作用是将轴承中的一组滚动体等距离隔开，保持滚动体，引导滚动体在正确的轨道上运动，改善轴承内部载荷分配和润滑性能，与无保持架的满装球或滚子的轴承相比，

带保持架轴承的摩擦阻力较小，适用于高速旋转。

1.2.2 滚动轴承的常见故障形式

滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件，同时也是最容易产生故障的零件。如文献[3]作者刘维成所述，我们可知滚动轴承的常见故障形式有以下几种。

1. 疲劳剥落（点蚀）：滚动轴承工作时，滚动体和滚道之间为点接触或线接触，在交变载荷的作用下，表面间存在着极大的循环接触应力，容易在表面处形成疲劳源，由疲劳源生成微裂纹，微裂纹因材质硬度高、脆性大，难以向纵深发展，便成小颗粒状剥落，表面出现细小的麻点，这就是疲劳点蚀。严重时，表面成片状剥落，形成凹坑；若轴承继续运转，将形成大面积的剥落。疲劳点蚀会造成运转中的冲击载荷，使设备的振动和噪声加剧。然而，疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式。轴承寿命指的就是出现第一个疲劳剥落点之前运转的总转数，轴承的额定寿命就是指90%的轴承不发生疲劳点蚀的寿命。（利用轴承故障检测仪对轴承进行诊断）

2. 磨损:润滑不良，外界尘粒等异物侵入，转配不当等原因，都会加剧滚动轴承表面之间的磨损。磨损的程度严重时，轴承游隙增大，表面粗糙度增加，不仅降低了轴承的运转精度，而且也会设备的振动和噪声随之增大。

3. 胶合:胶合是一个表面上的金属粘附到另一个表面上去的现象。其产生的主要原因是缺油、缺脂下的润滑不足，以及重载、高速、高温，滚动体与滚道在接触处发生了局部高温下的金属熔焊现象。通常，轻度的胶合又称为划痕，重度的胶合又称为烧轴承。胶合为严重故障，发生后立即会导致振动和噪声急剧增大，多数情况下设备难以继续运转。

4. 断裂:轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种故障形式，这主要是由于轴承材料有缺陷和热处理不当以及严重超负荷运行所引起的；此外，装配过盈量太大、轴承组合设计不当，以及缺油、断油下的润滑丧失也都会引起裂纹和断裂。

5. 锈蚀:锈蚀是由于外界的水分带入轴承中；或者设备停用时，轴承温度在露点以下，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承表面上；以及设备在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承表面产生早期剥落，同时也加剧了磨损。

6. 电蚀:电蚀主要是转子带电，电流击穿油膜而形成电火化放电，使表面局部熔焊，在轴承工作表面形成密集的电流凹坑或波纹状的凹凸不平。

7. 塑性变形（凹坑及压痕）:对于转速极低（n＜1 r/min）的轴承，或间歇摆动的轴承，其故障形式主要是永久性塑性变形，即在滚道上受力最大处形成凹坑。发生塑性变形，主要与过大的挤压应力有关，例如，工作载荷过重，冲击载荷过大，热变形影响等。轴承出现凹坑后，会产生很大的振动和噪声。此外，当硬颗粒从外界进入滚动体与滚道之间时，会在滚道表面形成压痕。

8. 保持架损坏:润滑不良会使保持架与滚动体或座圈发生磨损、碰撞。装配不当所造成的保持架变形，会使保持架与滚动体或座圈之间产生卡涩，从而加速了保持架的磨损。保持架磨损后，间隙变大，与滚动体之间的撞击力增大，以致使保持架断裂。

1.3 滚动轴承诊断的发展与现状

1.3．1滚动轴承诊断的发展

通过查阅文献[4]，可知机械故障诊断技术最早出现于20世纪六十年代的美国。1967年，美国宇航局(NASA)创立了机械故障预防小组(MFPG)。故障诊断在英国的发展也比较早，以R.A.Collacott为首的保健中心与上世纪六年代末七十年代初就开始研究状态监测与故障诊断技术石南安普敦大学与英国钢铁公司首次采用无量纲参数一一峭度来判断滚动轴承的工况。