轴承故障诊断
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P8
• 第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可 利用的固有振动有三种： –（1）轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在（1-8 ） kHz范围类。如离心泵、风机、轴承试验机这类简单机 械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。 –（2）轴承其他元件的固有振动。其频带在（20-60） kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。 –（3）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度 传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常 在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常 选择在10kHz左右。 • 由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与 转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击， 从而激发起各种固有振动，所以利用这些固有振动当中的 某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。 P9
P4
滚动轴承故障诊断
在发生表面剥落等故障时，会产生下图所示的冲击振动， 这种振动从性质上可分成两类： 第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作 面缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的 “通过频率”，其发生周期可以从转速和零件的尺寸 求得。
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滚动轴承故障的特征频率
假设：滚动体为纯滚动 f1：滚动体公转频率 d 2V1=V2 (1) V1=2πf1*D/2 (2) V2= 2πfr*(D-dcosα)/2 (3) (2),(3)代入(1)式： 2f1D=fr(D-dcosα) (4) 当外圈有缺陷时： fo=f1z= fr(1-d/Dcosα )z/2 当内圈有缺陷时： fe=(fr-f1)z = fr(1+d/Dcosα )z/2
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说明：波峰系数Fc=峰值/有效值，轴承使用初期状态正常时， Fc≈5；局部故障产生并逐步发展时，Fc>5，此阶段有冲击现 象，Fc最大可达到10。此后故障达到严重程度，有效值增大 而Fc减小，轴承到了应更换的时候。
图 轴承疲劳时的加速度频谱 a—正常轴承；b—外圈疲劳； c—钢球疲劳；d—内圈疲劳
P23
• （3）验证 • 五天后拆开检修，发现该轴承外滚道、内滚道、 钢球均已大面积剥落，损伤已达非常危险的程 度。 • 本例证明，在同一轴承（齿轮也类似）上有多 个同类故障（内滚道、外滚道、滚子、齿 上……）时，除位于其特征频率处有峰外，还 在特征频率的n倍频成分（n为正整数）处有较 大峰值。它表明损伤程度比只有一处损伤时严 重得多。
P1
• 3.塑性变形 当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起 额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面 上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的 振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会 进一步引起附近表面的剥落。 • 4.锈蚀 锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由 于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱 性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴 承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表 面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电 流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引 起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。
P2
• 5.断裂 过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和 装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引 起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也 可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。 6.胶合 在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热， 轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面 烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘 附到另一个零件部件表面上的现象。 • 7.保持架损坏 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加 它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚 动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损 伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。
P16
• 2、故障分析 • （1）频域
– ①确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障， 若还有明显的倍频成分，表明故障严重。 – ②确认内滚道特征频率处不但有峰，还有间隔为 1×RPM的边频，表明有内滚道故障。 – ③确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明 有滚子故障。 – ④确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。 – ⑤若轴向有负载，则可注意轴向振动。与径向振动 有类似特征。
• （2）时域
– 可能有重复冲击现象，但很小。重复率等于故障特 征频率。
P17
实例
压缩机轴承损伤
• （1）故障情况 • 某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转 速1480r/min，其中，3号机噪音特别响（图724）。用测振仪测得振动加速度值如表7-9。
图 压缩机及测点示意图 1—电机；2—阴螺杆；3—阳螺杆
f 为保持架故障频率
× 2
× 4 1f 2f
× 6
× 8
f f f f
f f f f
f f f f
f f f f
P13
轴承保持架故障特征频谱
x1 x2 x3
x4
P14
诊断特征
• 1、频谱和波形特征 • （1）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分） 及其低倍频处有峰。若有多个同类故障（内滚道、外滚道、 滚子……），则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰。 • （2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1×RPM。 • （3）滚动体故障特征频率处有边带，边带间隔为保持架 故障特征频率。 • （4）在加速度频谱的中高频区域若有峰群突然生出（下 图所示），表明有疲劳故障。 • （5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时， 轴向振动波形与径向相同），或者其波峰系数大于5，表 明故障产生了高频冲击现象。
P24
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表7-9 三台压缩机振动加速度数据
参数 测点 设备 1号机 2号机
平均值（G）
峰值（G）
①H
1.3 0.58
②H
1.9 1.0
④H
1.8 0.67
wenku.baidu.com
①H
②H
④H
7.3~13 2.7
5.1~8.8 12~18 1.8 3.3
3号机
超4.4
2.2
1.8
超40
16
8.7~13
P19
• （2）诊断： • 由表7-9可知，3号机测点①处振动大，比1号机 和2号机相同部位大得多，初步估计测点①处轴 承有问题。 • 对测点①振动波形的包络信号作功率谱分析（图 7-25），分析频率500Hz，400谱线，功率谱。计 算该测点轴承特征频率（R=1480r/min， D=122.5mm，d=22mm，N=11，α=10°）为： – 外滚道：108.75Hz； – 内滚道：162.8Hz； – 保持架：9.9Hz； – 滚 子：48.8Hz。
D
fr
V1 V2
内圈：fe=fr(1+d/Dcosα )z/2 外圈：fo=fr(1-d/Dcosα )z/2 滚动体： fg=fr(1-d2/D2 cos2α )D/d/2
P6
滚动轴承故障频率计算汇总
• • • • • • • • • 滚动轴承保持架故障频率： FTF=(N/2)［1-（d/D）Cosα] 滚动轴承滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cosα ］² } 滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)z[1-(d/D)Cosα] 滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)z[1+(d/D)Cosα ］ 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) – α=径向方向接触角 – z=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.
P3
滚动轴承的故障监测
• 最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部 位，依靠听觉来判断轴承有无故障。后来采用各式测振 仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值 来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故 障诊断仪器）。 • 滚动轴承的监测位置：振动波的传播路径是通过轴-滚动 轴承-轴承座。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承 座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌 握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动 和滚动轴承等故障。
轴承外环故障特征频谱
× 1 × 2 × 3 × 4
P10
轴承外环故障及转子不平衡时特征频谱
× 1 × 2 轴频f × 3 × 4
f f f f
f f f f
P11
轴承内环故障特征频谱
轴频f
× 1
× 2 1f 2f
× 3
× 4
f f f f
f f f f
f f f f
P12
轴承滚动体故障特征频谱
P20
图7-25 3号机①H振动频谱
P21
图3-26 2号机①H振动频谱
P22
• 对照频谱可知，108.75Hz是轴承外滚道 上有一点损伤时的振动频率，它的2、3、 4倍频分别为217.5Hz、326Hz、435Hz。 另外，188.75Hz是内滚道有一点损伤时 的振动频率与转轴频率之和（调制）。 作为对比，2号机①H处频谱（图7-26） 上几乎没有较大峰值。 • 由此，诊断结论为：3号机测点①处轴承 有严重损伤，没尽快检修。
滚动轴承故障的主要形式
• 1.疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动， 由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪 应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落 坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳 剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。 • 2.磨损 由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起 表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游 隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也 降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精 密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。
DR
m
P7
滚动轴承故障频率计算(2)-经验公式
• • • • • • • 外环故障频率： BPFOr≌0.4Nz 内环故障频率： BPFIr≌0.6Nz 保持架故障频率： FTFr≌0.4N 以上符号： – z=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.
• 第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可 利用的固有振动有三种： –（1）轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在（1-8 ） kHz范围类。如离心泵、风机、轴承试验机这类简单机 械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。 –（2）轴承其他元件的固有振动。其频带在（20-60） kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。 –（3）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度 传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常 在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常 选择在10kHz左右。 • 由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与 转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击， 从而激发起各种固有振动，所以利用这些固有振动当中的 某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。 P9
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滚动轴承故障诊断
在发生表面剥落等故障时，会产生下图所示的冲击振动， 这种振动从性质上可分成两类： 第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作 面缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的 “通过频率”，其发生周期可以从转速和零件的尺寸 求得。
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滚动轴承故障的特征频率
假设：滚动体为纯滚动 f1：滚动体公转频率 d 2V1=V2 (1) V1=2πf1*D/2 (2) V2= 2πfr*(D-dcosα)/2 (3) (2),(3)代入(1)式： 2f1D=fr(D-dcosα) (4) 当外圈有缺陷时： fo=f1z= fr(1-d/Dcosα )z/2 当内圈有缺陷时： fe=(fr-f1)z = fr(1+d/Dcosα )z/2
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说明：波峰系数Fc=峰值/有效值，轴承使用初期状态正常时， Fc≈5；局部故障产生并逐步发展时，Fc>5，此阶段有冲击现 象，Fc最大可达到10。此后故障达到严重程度，有效值增大 而Fc减小，轴承到了应更换的时候。
图 轴承疲劳时的加速度频谱 a—正常轴承；b—外圈疲劳； c—钢球疲劳；d—内圈疲劳
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• （3）验证 • 五天后拆开检修，发现该轴承外滚道、内滚道、 钢球均已大面积剥落，损伤已达非常危险的程 度。 • 本例证明，在同一轴承（齿轮也类似）上有多 个同类故障（内滚道、外滚道、滚子、齿 上……）时，除位于其特征频率处有峰外，还 在特征频率的n倍频成分（n为正整数）处有较 大峰值。它表明损伤程度比只有一处损伤时严 重得多。
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• 3.塑性变形 当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起 额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面 上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的 振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会 进一步引起附近表面的剥落。 • 4.锈蚀 锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由 于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱 性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴 承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表 面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电 流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引 起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。
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• 5.断裂 过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和 装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引 起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也 可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。 6.胶合 在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热， 轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面 烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘 附到另一个零件部件表面上的现象。 • 7.保持架损坏 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加 它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚 动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损 伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。
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• 2、故障分析 • （1）频域
– ①确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障， 若还有明显的倍频成分，表明故障严重。 – ②确认内滚道特征频率处不但有峰，还有间隔为 1×RPM的边频，表明有内滚道故障。 – ③确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明 有滚子故障。 – ④确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。 – ⑤若轴向有负载，则可注意轴向振动。与径向振动 有类似特征。
• （2）时域
– 可能有重复冲击现象，但很小。重复率等于故障特 征频率。
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实例
压缩机轴承损伤
• （1）故障情况 • 某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转 速1480r/min，其中，3号机噪音特别响（图724）。用测振仪测得振动加速度值如表7-9。
图 压缩机及测点示意图 1—电机；2—阴螺杆；3—阳螺杆
f 为保持架故障频率
× 2
× 4 1f 2f
× 6
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轴承保持架故障特征频谱
x1 x2 x3
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诊断特征
• 1、频谱和波形特征 • （1）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分） 及其低倍频处有峰。若有多个同类故障（内滚道、外滚道、 滚子……），则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰。 • （2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1×RPM。 • （3）滚动体故障特征频率处有边带，边带间隔为保持架 故障特征频率。 • （4）在加速度频谱的中高频区域若有峰群突然生出（下 图所示），表明有疲劳故障。 • （5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时， 轴向振动波形与径向相同），或者其波峰系数大于5，表 明故障产生了高频冲击现象。
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P18
表7-9 三台压缩机振动加速度数据
参数 测点 设备 1号机 2号机
平均值（G）
峰值（G）
①H
1.3 0.58
②H
1.9 1.0
④H
1.8 0.67
wenku.baidu.com
①H
②H
④H
7.3~13 2.7
5.1~8.8 12~18 1.8 3.3
3号机
超4.4
2.2
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超40
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8.7~13
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• （2）诊断： • 由表7-9可知，3号机测点①处振动大，比1号机 和2号机相同部位大得多，初步估计测点①处轴 承有问题。 • 对测点①振动波形的包络信号作功率谱分析（图 7-25），分析频率500Hz，400谱线，功率谱。计 算该测点轴承特征频率（R=1480r/min， D=122.5mm，d=22mm，N=11，α=10°）为： – 外滚道：108.75Hz； – 内滚道：162.8Hz； – 保持架：9.9Hz； – 滚 子：48.8Hz。
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V1 V2
内圈：fe=fr(1+d/Dcosα )z/2 外圈：fo=fr(1-d/Dcosα )z/2 滚动体： fg=fr(1-d2/D2 cos2α )D/d/2
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滚动轴承故障频率计算汇总
• • • • • • • • • 滚动轴承保持架故障频率： FTF=(N/2)［1-（d/D）Cosα] 滚动轴承滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cosα ］² } 滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)z[1-(d/D)Cosα] 滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)z[1+(d/D)Cosα ］ 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) – α=径向方向接触角 – z=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.
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滚动轴承的故障监测
• 最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部 位，依靠听觉来判断轴承有无故障。后来采用各式测振 仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值 来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故 障诊断仪器）。 • 滚动轴承的监测位置：振动波的传播路径是通过轴-滚动 轴承-轴承座。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承 座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌 握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动 和滚动轴承等故障。
轴承外环故障特征频谱
× 1 × 2 × 3 × 4
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轴承外环故障及转子不平衡时特征频谱
× 1 × 2 轴频f × 3 × 4
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轴承内环故障特征频谱
轴频f
× 1
× 2 1f 2f
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轴承滚动体故障特征频谱
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图7-25 3号机①H振动频谱
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图3-26 2号机①H振动频谱
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• 对照频谱可知，108.75Hz是轴承外滚道 上有一点损伤时的振动频率，它的2、3、 4倍频分别为217.5Hz、326Hz、435Hz。 另外，188.75Hz是内滚道有一点损伤时 的振动频率与转轴频率之和（调制）。 作为对比，2号机①H处频谱（图7-26） 上几乎没有较大峰值。 • 由此，诊断结论为：3号机测点①处轴承 有严重损伤，没尽快检修。
滚动轴承故障的主要形式
• 1.疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动， 由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪 应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落 坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳 剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。 • 2.磨损 由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起 表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游 隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也 降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精 密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。
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滚动轴承故障频率计算(2)-经验公式
• • • • • • • 外环故障频率： BPFOr≌0.4Nz 内环故障频率： BPFIr≌0.6Nz 保持架故障频率： FTFr≌0.4N 以上符号： – z=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.