第7章-滚动轴承故障诊断

胶合
➢ 原因:
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， 使一个表面上的金属粘附到另一个表面上
➢ 后果:
出现压痕，产生剥落区
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保持架损坏
➢ 原因： 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形
➢ 后果： 保持架和滚动体之间的摩擦增大，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 会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损 坏
测到的轴承冲击dBi值与轴承基准值dB0相减（dB0是良好
轴承的测定值）。
dBN = dBi－dB0 冲击脉冲计的刻度就是用dBN值表示的。轴承的状况 分为三个区：
（0～20）dBN 表示轴承状况良好 （20～35）dBN 表示轴承状况已经劣化，属发展中的损 伤期
（35～60）dBN 表示轴承已经存在明显的损伤。
▪ 滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为n×fb的冲击振动 ▪ 有径向间隙时，根据损伤部位与内圈或外圈发生冲击接触
的位置不同，会发生以保持架旋转频率fc 进行振幅调制的 情况。
轴承内圈故障
内滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，若滚动轴
无径向间隙，会产生频率为 n×fi 的冲击振动
通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据损伤 部分与滚动体发生冲击接触的位置不同，振动的振幅会 发生周期性的变化，即发生振幅调制。
分析谱带的选择
➢ 高频段
高频率段指20～80kHz频率范围 轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段 如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的
谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减 振动信号，对故障诊断非常有效 瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国首创的IFD法就是利用这 个频段
断裂
➢ 原因： 过高的载荷可能引起轴承零件断裂 金属材料有缺陷和热处理不良 转速过高，润滑不良
➢ 后果： 轴承出现裂纹，加速劣化
常见故障原因综述
▪ 装配不当 ▪ 润滑不良 ▪ 腐蚀
➢ 水分和异物侵入 ➢ 征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 ▪ 过热 ➢ 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 ➢ 温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火 ➢ 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 ➢ 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能 ▪ 过载 ➢ 引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）
公式计算时假设外圈与轴承座没有相对运动 实际频率与上述理论计算值会有出入，所以在谱图
上寻找各特征频率时应找其近似值来判断
公式是指“一个剥落坑”时，若有n个剥落坑，仍
是此公式 特征频率都是轴工作转速的非同步频率
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr 外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr 滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
图7－5 滚动轴承的振动频谱
故障信号三频段（三座大山）
▪ a). 低频段：在8kHz以下，滚动轴承中与结构和 运动关系相联系的故障信号在这个频率段，少数 高速滚动轴承的信号频段能延展到B点以外。因 为轴的故障信号、齿轮的故障信号也在这个频段 ，因而这也是绝大部分在线故障监测与诊断系统 所监测的频段。
在碰撞点产生很大的冲击加速度(a图和b图)，大小和冲击速 度成正比
构件变形产生衰减自由振动(c图) 振动频率取决于系统的结构，为其固有频率(d图) 振幅的增加量A也与冲击速度成正比
疲劳剥落损伤
➢ 疲劳剥落故障轴承的振动信号 ➢ T取决于碰撞频率，T=1/f碰
7．3 滚动轴承信号分析方法 （测试特征频率）
2．峰值系数法
➢ 正常时，滚动轴承的峰值系数约为5，当轴承有 故障时，可达到几十。
3．峭度指标法 ▪ 峭度指标Cq对信号中的冲击特征
很敏感，正常情况下其值应该在 3左右，如果这个值接近4或超过 4，则说明机械的运动状况中存 在冲击性振动。
▪ 当轴承出现初期故障时，有效值 变化不大，但峭度指标值已经明 显增加，达到数十甚至上百，非 常明显。它的优势在于能提供早 期的故障预报。
5．共振解调 法
共振解调法也 称为包络检波频 谱分析法，是目 前滚动轴承故障 诊断中最常用的 方法之一。
基本原理可用 图7—6所示信号 变换过程中的波 形特征来说明。
图7—6 共振解调法的信号变换过程
频谱分析法与共振解调法的比较
图7－7 两种信号处理方法比较
6．频谱分析法 将低频段测得振动
信号，经低通抗叠混 滤波器后，进行FFT快 速富里叶变换，得到 频谱图。
滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系
轴承的装配制造原因引起的振动
▪ 在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工 面的波纹度
▪ 滚动体大小不均匀引起轴心摆动
2. 由滚动轴承的运动副引起的振动 （计算特征频率）
▪ 滚动轴承的特征频率完全可以根据轴承元件之间 滚动接触速度关系通过计算得到。
▪ 计算特征频率值往往与测量数值十分接近，所以 在诊断前总是先算出这些值，再与测量值比较， 作为诊断的依据。
7．2 滚动轴承的振动机理与信号特征
滚动轴承的时域信号
图7－1 滚动轴承振动的时域信号 (a) 新轴承的振动波形 (b)表面劣化后的轴承振动波形
轴承刚度变化引起的振动 （必振无疑）
▪ 滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载 刚度会有变化，引起轴心的起伏波动
▪ 当滚动体处于载荷下非对称位置时,有水平分力。
➢ B点之后有更频繁的金属之间直接 接触及滑动，润滑剂恶化甚至发生 炭化，直至发生胶合
从图中可以看出，振动值比 温度能更早地预报胶合的发 生，由此可见轴承振动是一 个比较敏感的故障参数
振动 温度
疲劳剥落损伤
➢ 当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后，在轴承运转中会 因为碰撞而产生冲击脉冲
a
➢ 钢球冲击过程
在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲 劳剥落坑就认为轴承寿命终结
同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相 差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故 障可以合理利用轴承的寿命
磨损
➢ 原因 尘埃、异物的侵入 润滑不良
➢ 后果 轴承游隙增大，表面粗糙度增加 轴承运转精度降低，振动和噪声增大
▪ 当轴承故障进入晚期，由于剥落 斑点充满整个滚道，峭度指标反 而下降。也就是对晚期故障不适 应。
4．冲击脉冲法（SPM）
冲击脉冲法是利用轴承故障所激发的轴承元件固有频 率的振动信号，经加速度传感器的共振放大、带通滤波及 包络检波等信号处理，所获得的信号振幅正比于冲击力的 大小。
在冲击脉冲技术中，所测信号振幅的计量单位是dB。
滚动轴承的特征频率
▪ 几何参数 ➢ Z—滚珠个数 ➢ d—滚珠直径 ➢ D—轴承滚道节径 ➢ β—接触角 ➢ r1—内圈滚道半径 ➢ r2—外圈滚道半径
滚动轴承的特征频率
内圈旋转频率
frfifofi
内外圈相对旋转频率
fb 1 2(1-D dcos)fr
滚动体通过内圈一点的频率 滚动体通过外圈一点的频率
测点的选择
➢ 测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中 间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越 好
➢ 应尽量考虑在水平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个 方向上进行振动检测
止推轴承
滚动轴承故障信号分析方法
1．有效值与峰值判别法
1. 有效值：可以用有效值作为轴承异常的判断指 标。
2. 峰值：有效值指标对具有瞬间冲击振动的异常 是不适用的。因为冲击波峰的振幅大，并且持 续时间短，用峰值比有效值更适用。
映故障的频率成分在低频段的能量很小。因此，信噪比低， 故障检测灵敏度差
➢ 中频段
中频段指1k～20kHz频率范围 使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成
分，以消除机械干扰；
用信号的峰值、RMS值或峭度指标作为监测参数
使用带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分， 用通带内的信号总功率作为监测参数
根据各项计算特 征频率，在频谱图中 找出其对应值、观察 其变化，从而判别故 障的存在与部位。
图7－8 故障轴承与完好轴承的频谱图对比 a)故障轴承 b)完好轴承
7.倒频谱分析法 对于一个复杂的振动情况，其谐波成分更加复杂而密集， 仅仅去观察其频谱图，可能什么也辨认不出。 利用倒谱分析方法，对功率谱上的周期分量进行再处理， 找出功率谱上不易发现的问题。 处理过程：
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
3. 滚动轴承早期缺陷所激发的振动特征
第一类振动是以特征 频率进行的冲击振动； 第二类振动是被每一 个脉冲激发的以轴承 元件固有频率的衰减 振荡。
图7－4 滚动轴承内缺陷所激发的振动波形
轴承滚动体故障
▪ 滚动体产生损伤时，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时 会产生冲击振动
foc1 2Z(1D dcos)fr
fi
n 60
滚动体的公转频率
fc 12(1-D dcos)fr
保持架旋转频率
滚动轴承的特征频率
故障频率经验公式
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr
外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr
fc fr
滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
外圈与保持架关系： fo = z×fc 外圈与内圈关系： fo + fi = z×fr
( fr 为转频 ；z为滚动体个数 )
fb fo fi
滚动轴承的特征频率
▪ 关于特征频率的几点说明：
➢ 峰值与RMS值的比值从5左右逐渐增加到5.5～6
轴承磨损时振动加速度
严重磨损导致轴承偏心
➢ 轴承出现偏心，当轴旋转时，轴心便会绕外圈中心摆 动
胶合
➢ 在A点以前，振动加速度略微下降， 温度缓慢上升
➢ A点之后振动值急剧上升，而温度 却还有些下降，这一段轴承表面状 态已恶化
➢ 在B点之前，轴承中已有明显的金 属与金属的直接接触和短暂的滑动
轴承外圈故障
外滚道产生损伤时，在滚动体通过时也会产生冲击振动 由于损伤的位置与载荷方向的相对位置关系是一定的，所 以不存在振幅调制的情况
轴承摩擦
滚动轴承如果存在润滑不良造成的干磨擦故障，在时 域波形中会出现削波现象
轴承磨损
➢ 随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升， 振动信号呈现较强的随机性
疲劳剥落
➢ 原因 内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交 变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂 纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑
➢ 后果 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧
内圈疲劳失效
外圈疲劳失效
疲劳剥落
➢ 是轴承失效的主要形式 ➢ 一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命 ➢ 滚动轴承的额定寿命
第七章 滚动轴承故障诊断
滚动轴承故障诊断的特点
▪ 滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之一， 也是最易损坏的零件；
▪ 滚动轴承有着表面光滑、尺寸精密的滚道，因而 早期故障的振动信号非常微弱。常常淹没在轴与 齿轮的振动信号中；
▪ 因此找出并识别其故障特征就成为滚动轴承诊断 的主要任务。
概述
▪ 滚动轴承的组成
锈蚀
➢ 原因 水分或酸、碱性物质的侵入 轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝 结 电流通过，引起电火花而产生电蚀
➢ 后果 高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常 工作
塑性变形
➢ 原因： 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷 硬度很高的异物侵入
➢ 后果： 运转过程中产生剧烈的振动和噪声 压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面 的剥落
➢ 外圈 ➢ 内圈 ➢ 滚动体 ➢ 保持架
▪ 按承载方向分类
➢ 向心轴承 ➢ 推力轴承 ➢ 向心推力轴承
概述
▪ 滚动轴承的安装
➢ 冷压法和热套法 ➢ 压力机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等
▪ 滚动轴承的拆卸
➢ 使用专门的拆卸工具
7．1 滚动轴承的失效形式
1. 疲劳； 2. 磨损； 3. 腐蚀； 4. 塑变； 5. 断裂； 6. 胶合。
▪ b).高频段：位于Ⅱ区，这个频段的信号是轴承故 障所激发的轴承自振频率的振动。
▪ c). 超高频段：位于Ⅲ区，它们是轴承内微裂纹扩 张所产生的声发射超声波信号。
分析谱带的选择
➢ 低频段
低频率段指1kHz以下的频率范围 一般可以采用低通滤波器（例如截止频率fb≤1kHz）滤去高
频成分后再作频谱分析 此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断 这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反