（机械电子工程专业论文）滚动轴承在线故障诊断冲击脉冲计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代设备日趋大型化、复杂化、 自动化和一体化。设备一旦发生故障，给生产和质量以至人们的生命财产安全造 成的影响往往大得难以估算；为使设备保持正常运行状态所花的维修费用在企业 经营费用中也占了很大的比重。因此，保证设备的安全运行，消除事故，降低成 本，是十分迫切的问题，设备故障诊断正是为了解决这一迫切问题而出现的。 滚动轴承是机器中的易损零件，许多机械的故障都与滚动轴承的状态有关。 据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约3 0 的机械故障是由于滚动轴承而 引起的。可见，滚动轴承的好坏对机器工作状况的影响极大。因此，对滚动轴承 的诊断技术，国内外都很重视，近年来发展很快，其中最常用方法为振动信号分 析法。 本论文主要对滚动轴承在线故障诊断冲击脉冲法进行研究。滚动轴承在运转 过程中必然会产生振动，一般来说，由于制造误差、装配原因及其他部件的影响 等产生的振动信号一般都是平稳的随机信号。当轴承出现故障时，振动将会加剧， 并产生冲击作用，导致轴承系统的瞬时高频共振。故障轴承信号的突出特点是非 平稳时变信号，并且这种瞬时频率突变信号的持续时间极短，常常被轴承的正常 振动信号淹没。因此本文通过信号放大、滤波、包络等一系列信号处理把机械正 常振动信号滤除，提取出冲击脉冲信号。然后通过单片机控制系统对冲击脉冲信 号进行采集算法处理，得出滚动轴承的损坏程度。 关键字：滚动轴承，故障诊断，振动信号，时域分析，冲击脉冲法 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n gi st h eb r i t t l ep a r to fam a c h i n e ，al o to fm e c h a n i c a lf a i l u r ei s r e l e v a n tt ot h es t a t eo fr o l l i n gb e a r i n g i ti se s t i m a t e dt h a ta b o u t3 0p e r c e n to f m e c h a n i c a lf a i l u r ei sc a u s e db yr o l l i n gb e a r i n gi nt h er o l l i n gm a c h i n e s i ti so b v i o u s l y t h a tt h eq u a l i t yo fr o l l i n gb e a r i n gh a sag r e a ti m p a c to nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，t h et e c h n o l o g yo ft e s t i n gr o l l i n gb e a r i n gi sp a i dag r e a ta t t e n t i o nt oi nh o m e a n da b r o a da n dh a sag r e a tp r o g r e s si nt h er e c e n ty e a r s t h em o s tc o m m o nm e t h o di s d i a g n o s i n gt h ew o r k i n gs t a t i o no fr o l l i n gb e a r i n gw i t ht h ea n a l y s i so fo s c i l l a t i n g s i g n a l s i nt h i sp a p e r , t h ef a u l tm e c h a n i s ma n dv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o l l i n gb e a r i n g a res u m m a r i z e d ，a n dt h et r a d i t i o n a lv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d a n daf a u l td i a g n o s i so fr o l l i n gb e a r i n ga p p a r a t u sb a s eo ns h o c kp u l s em e t h o di s i n t r o d u c e d t h ep r o c e s so f r o l l i n gb e a r i n gi no p e r a t i o ni sb o u n d t og e n e r a t ev i b r a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h ev i b r a t i o ns i g n a l sp r o d u c e db ym a n u f a c t u r i n ge l t o r ，a s s e m b l y a n dt h ei m p a c to fo t h e rc o m p o n e n t sa r eg e n e r a l l ys t a t i o n a r yr a n d o ms i g n a l w h e nt h e b e a r i n gf a i l u r e ，v i b r a t i o nw i l lb ei n t e n s i f i e d ，a n dt h er o l e o fi m p a c t , r e s u l t i n gi n t r a n s i e n th i g h f r e q u e n c yb e a r i n gs y s t e mr e s o n a n c e t h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co f b e a r i n gf a i l u r es i g n a li san o n - s t a t i o n a r yt i m e v a r y i n gs i g n a l ，a n dt h ei n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c yo fm u t a t i o ns i g n a le x i s tv e r ys h o r td u r a t i o n , a n di ti sa l w a y ss u b m e r g e db y t h en o r m a lb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s t h e r e f o r e ，a n a l o gs i g n a l sp r o c e s s i n gi n c l u d i n g s i g n a la m p l i f i c a t i o n 、f i l t e r i n g 、e n v e l o p ea n ds oo ni su s e di nt h ep a p e rt oe x t r a c tt h e s h o c kp u l s es i g n a lf r o mt h en o r m a lb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l s a n db yu s i n gm c u s y s t e mt oc o l l e c ta n dd e a lw i t hs h o c kp u l s es i g n a l ，t h ed e g r e eo fr o l l i n gb e a r i n g d a m a g ec a nb ec a l c u l a t e d k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，v i b r a t i o ns i g n a l ，t i m ed o m a i na n a l y s i s ， s h o c kp u l s em e t h o d v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：逊造e l 期：型! 垒望：2 y 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：i 沁艘导师签名：韭日期： n 伽0 3 ，了沙 上海大学硕：t 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代设备日趋大型化、复杂化、 自动化和一体化。设备一旦发生故障，给生产和质量以至人们的生命财产安全造 成的影响往往大得难以估算；为使设备保持正常运行状态所花的维修费用在企业 经营费用中也占了很大的比重【1 1 。因此，保证设备的安全运行，消除事故，降低 成本，是十分迫切的问题，设备故障诊断正是为了解决这一迫切问题而出现的。 滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，它的运行状态 是否正常往往直接影响到整台机械的性能( 包括精度、可靠性及寿命等) 。据统计， 现场实际故障中的是3 0 是由于滚动轴承的故障而引起的。因此，对滚动轴承的 故障诊断和预测己经成为各国研究的热点【1 】【2 】【3 】【4 】【5 1 。与别的机械零部件相比，滚 动轴承有一个很大的特点，这就是其寿命离散性很大，即用同样的材料，同样的 加工工艺，同样的生产设备，同样的工人加工出一批轴承，其寿命相差很大。由 于轴承的这个特点，在实际使用中就出现这样一个情况，即有的轴承已大大超过 设计寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就各种故障。所以， 如果按照设计寿命对轴承进行定时维修，则势必出现以下情形：一方面，对超过 设计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理，造成浪费；另一方面，未达到 设计寿命而出现故障的轴承或者坚持到定时维修时间就出现严重故障，导致整个 机械出现严重事故。由此看来，对重要用途的轴承来说定时维修是很不科学的， 要进行工况监视与故障诊断，改传统的定时维修( t b m ：t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) 为视情维修( c b m ：c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 或预知维修( p l w ：p r e d i c t i v e m a i n t e n a n c e ) 【1 0 1 ，这不但可以防止机械工作精度下降，减少或杜绝事故发生， 而且可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支。因此对滚动轴承的运行状 态进行在线故障诊断，及时发现故障隐患，不但能预防大量事故的发生，同时也 能带来巨大的经济效益【6 1 【7 】【8 】具有十分重要的意义。 上海大学硕士学位论文 1 2 滚动轴承故障诊断的研究现状 对机械设备状态进行监测与诊断，可以说从人类使用机械那一天就已经开始 了。只不过早期的监测与诊断主要是依靠人体的感官和人的经验，或者借助于某 些简单的工具来进行。随着科学技术的不断发展，工业化程度的不断提高，机械 设备的精密程度、复杂程度和自动化程度等越来越高，如现代传感技术、信号分 析与处理技术及微机技术为一体的机械设备诊断技术应运而生。滚动轴承作为机 械设备的一个组成部分，其故障诊断也是如此。为了能卓有成效地进行滚动轴承 的故障诊断，有必要对其诊断的一般过程及各个环节有一个比较系统的了解。 早期人们对滚动轴承的故障诊断是依靠听觉来加以判断的，虽然熟练的技术 员工能觉察到轴承刚发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。真 正意义上的滚动轴承的监测与诊断开始于2 0 世纪6 0 年代，人们用振动位移、速 度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这样减少了对人为经验的依 赖。随着科学技术的不断发展，各种方法和技巧不断产生、发展和完善；应用的 领域不断扩大；监测与诊断的有效性也不断提高。现在在工业发达国家，滚动轴 承工况监测与故障诊断技术己经实用化和商品化。总的说来，滚动轴承工况监测 与故障诊断技术的发展可以分为四个阶段【9 】【1 0 】【1 1 1 。 第一阶段利：用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代中期，由 于快速傅利叶变换技术的出现和发展，振动信号的频谱分析得到了很大的发展。 人们根据对滚动轴承元件有损伤时产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱 分析仪实际分析得到的结果进行比较来判断滚动轴承是否有故障。 第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。在2 0 世纪6 0 年代末期，首先 由瑞典s p m 仪器公司开发出冲击脉冲计，根据冲击脉冲的最大幅值来诊断轴承 故障。这种方法能比较有效的监测到轴承的早期损伤类故障。 第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，美国波音公司的 d r h a e t i n g 故障状况评价决策故障诊信号提信号测取取断发明了一项叫做“共 振解调分析系统 的专利。共振解调技术与冲击脉冲技术相比，对轴承早期损伤 类故障更有效。共振解调技术不但能诊断出轴承是否有故障，而且可以判断出故 障发生在那个轴承元件上以及故障发生的大致严重程度。 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承监视与故障诊断系统。2 0 世纪9 0 2 上海大学硕士学位论文 年代以来，随着微机技术迅猛发展，开发以微机为中心的滚动轴承故障诊断系统 引起了国内外研究者的重视。微机信号分析和故障诊断系统不但具有灵活性高， 适应性强，易于维护和升级的特点，而且易于推广和应用。随着信号检测技术、 计算机技术、数字信号处理技术、人工智能技术的迅速发展，滚动轴承故障诊断 己成为融合学科。与传统的诊断方法相比，目前的研究方向主要表现在以下几个 方面【1 2 】 1 3 】【1 4 】【1 5 】【16 】【1 7 1 。 ( 1 ) 小波变换 从上世纪年代后期开始，作为应用数学的一个分支，小波变换得到了迅速的 发展。由于小波变换在时、频域的局部化和可变时频窗的特点，与传统的傅利叶 变换相比，小波变换更适合分析非稳态信号。因为滚动轴承的损伤故障信号是典 型非稳态信号，所以用小波变换处理轴承振动信号，可更为有效地获得故障特征 信息。 ( 2 ) 专家系统 近年来随着人工智能技术的发展，专家系统技术得到了迅速的推广。所谓的 专家系统就是一个智能的计算机程序，它能模拟专家在处理问题时的一些推理方 法，利用已有的知识和经验建立模型，解决问题。将基于知识的专家系统技术应 用于故障诊断领域可以使滚动轴承诊断分析和决策分析更加准确可靠。 ( 3 ) 模糊诊断 由于滚动轴承振动信号中故障特征振动与故障类型不存在绝对的对应关系， 一种故障能引起多种特征。而一种故障特征可能对应多类故障，因此近年来，模 糊理论被引进到轴承故障领域。轴承故障模糊诊断中的概念是模糊概念，可以用 模糊集合来表示，而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的。 ( 4 ) 神经网络 轴承故障诊断的目的是，从故障定位到确定故障性质，进而确定故障发生的 程度。由于神经网络具有处理复杂多模式及进行联想、推测和记忆的功能，因而 今年来在故障诊断领域引起了广泛的研究。 1 3 滚动轴承故障诊断的方法 关于滚动轴承故障诊断方法，传统上人们主要是根据监测与诊断所采用的状 上海大学硕士学位论文 态量来分类的，即按照测取信号的性质来分类的。按照这一分类方法，滚动轴承 工况监测与故障诊断方法有温度法、油样分析法、振动法、声学测量法和声发射 法等【1 0 】【1 8 】【1 9 1 ，其中振动法得到了最为广泛的应用。 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 处的温度来判断轴承工作是否正常。温度 监测对轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引 起的轴承过热现象很敏感。所以，用于这个场合比较有效。但是，当轴承出现诸 如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反映， 只有当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能监测到。所以，温度监测不 适合与点蚀、局部剥落等所谓的局部损伤类故障。 油样分析法是一种从轴承所使用的润滑油中取出油样，通过收集和分析油样 中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工况和故障的方法。这种方法只适合用于油 润滑轴承，而不适合与脂润滑轴承。另外，这种方法易受其他非轴承损坏掉下的 颗粒的影响。所以，这种方法具有很大的局限性。 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴振动信号， 并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。由于振动法具有( 1 ) 适用 于各种类型各种工况的轴承；( 2 ) 可以有效地诊断出早期微小故障；( 3 ) 信号测试 与处理简单、直观；( 4 ) 诊断结果可靠等优点，所有在实际中得到了极为广泛的 应用。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承监测与诊断仪器和系统中大都是根 据振动法的原理制成的，有关轴承监测与诊断方面的文献8 0 以上讨论的是振动 法。这种方法基于包络分析分析方法，可以有效提取振动信号中微弱的冲击成分， 能够有效诊断出滚动轴承的故障，文献 2 0 3 11 介绍了包络分析法的应用。从适用、 实用、有效的观点看，目前没有比振动法更好的滚动轴承监测与诊断方法了。文 献 3 2 3 8 对此方法进行了改进，并引用了小波分析的方法，小波分析法是一种新 的时频分析工具。与振动法密切相关的是噪声法，即通过滚动轴承在运行过程中 的噪声来判断其故障。由于所监测到的噪声信号中混有大量的非轴承原因产生了 噪声，要把轴承噪声与其它噪声分离出来十分困难，所以这种方法用得较少。 声学测量法，与振动法有着密切的关系，即通过滚动轴承在运行过程中的噪 声来判断其故障，通常有两种途径：声压和声强。t a n d o n 和n a k r a 证实了声强 测量法作为一种轴承诊断技术的有效性，并且得出结论【3 9 】：对滚动轴承进行诊断， 4 上海大学硕士学位论文 声强测量法是一种比声压测量法更有效的方法。用声学法进行轴承的故障检测， 优点是不必接触受测轴承即可得到检测信号；其弊端就是很难从周围环境的各种 杂音中分离出轴承异常的声音信号，因此，噪声法一般很少被采用。成功的例子 也是有的，就是在方向性强的抛物线型音响器上安装传声器，收集轴承发出的声 音信号，并用反向滤波器排除其它杂音，检测出轴承异剖加1 。 声发射) 属超声波信号，是一种弹性波，一般在轴承刚开始受损时，随裂 纹扩展而产生。声发射法就是运用声发射原理对轴承故障进行检查和预测的方 法，它是一种非常重要的无破坏性的检测方法。a e 测量仪由传感器( 多为压电型) 、 一个前置放大器和一个信号处理单元组成。传感器的固有频率很高，具有谐振型 频率特性。声发射法是通过发射频率的时间变化及频率分布来进行分析研究的， a e 信号频谱信号较宽，而振动信号相对较低，用声发射的高频信号特性( 几十千 赫以上) 可有效抑制干扰，提高检测正确率。声发射法与振动法进行比较优点是： 前者可以检测到表面下裂纹的生成和扩展，而后者只有在裂纹扩展到表面后才能 检测到。从声发射的产生原理来看，研究对象多是滚动疲劳，但无法从声发射率 上看出剥落的产生，这说明声发射法有一个使用限度，通过对a e 信号的解调也 许可能打破这个限度。 随着科学技术的不断发展，一些新的监测技术不断出现并应用于滚动轴承的 工况监测与诊断中，例如声发射技术、光纤技术等等。但是由于种种原因和局限 性，这些技术真正普及应用于实际的滚动轴承诊断还有一段距离。 1 4 课题的主要研究内容 本文基于冲击脉冲法研制了一款滚动轴承在线故障诊断仪，本论文各章内容 的描述如下： 第一章是绪论，简要介绍了本文研究的意义、滚动轴承故障诊断的过程和方 法、滚动轴承振动监测与故障诊断技术发展概况以及主要的工作内容。 第二章介绍滚动轴承的故障特征分析。分析滚动轴承故障的主要形式和原 因，分析计算滚动轴承的理论特征频率和固有振动频率，研究滚动轴承的振动信 号特征。 第三章介绍滚动轴承的振动信号分析处理方法，包括时域方法、频域方法， 5 上海大学硕士学位论文 对各种方法的特点进行了比较，并深入研究了冲击脉冲法的基本理论及其在滚动 轴承故障诊断中的应用。 第四章介绍本文设计的滚动轴承在线故障诊断冲击脉冲计系统硬件部分，包 括传感器得到的模拟信号处理部分和单片机控制系统部分。 第五章介绍本文设计的滚动轴承在线故障诊断冲击脉冲计系统软件部分，包 括a d 采样模块、数字信号处理模块、l c d 界面显示模块以及按键扫输入模块 矗盘 守。 第六章介绍滚轴轴承在线故障诊断冲击脉冲计的计算方法，并对做得试验数 据进行了计算和分析。 第七章总结了本论文的工作，并给出一些结论、建议和展望。 6 上海大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障机理及故障分析 2 1 滚动轴承的故障机理 滚动轴承作为各类旋转机械中最常用的通用零部件之一，也是旋转机械易损 件之一。据统计，旋转机械的百分之三十的运行问题是由轴承故障造成的。它的 好坏对机器的工作状况影响极大。轴承的缺陷会导致机器剧烈振动和产生噪声， 甚至会引起设备的损坏。因此，对重要用途的轴承进行工况监测与故障诊断是非 常必要的。 滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联接，固定或相对固定； 内圈与机器的传动轴相联接，随轴一起转动。在机器运转时，由于轴承本身的结 构特点，加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴土其它 零部件的运动和力的作用等外部因素，当轴以一定的速度并在一定载荷下运转时 对轴承和轴承座或外壳组成的系统产生激励，使该系统振动。 总的来说，一个典型的滚动轴承所产生的振动来自于六个主要的动态力。下 面将简单地叙述这六种类型的振动。 1 滚道表面的不规则及故障 第一类型的振动即由此原因产生，依赖于哪个表面不规则( 例如外圈滚道不 平) 或有故障( 例如内圈滚道局部剥落或点蚀) ，会激起轴承以故障特征频率为特征 的振动。 2 轴承元件的刚度变化 第二种振动类似于第一类振动，但它是由于轴承及滚道表面不同部分的刚度 不引起的。最简单的例子是在轴承受载运行中载荷区的滚动体数目周期变化，引 起刚度随之变化。 3 润滑层破坏时发生冲击脉冲 这种周期性的冲击脉冲激发起两种类型的轴承振动。冲击脉冲上升沿激发起 很宽范围内的频率成分：第二种阻尼振荡表现为在自然频率附近的窄带频率。 4 摩擦力激励 这种振动由摩擦力激发。当轴承表面出现磨损时就会使得轴承相互接触的表 7 上海大学硕士学位论文 面间的摩擦力加大。这些摩擦力实质上是一系列在发生时间、持续时间以及形式 上随机分布的短的冲击脉冲。它一般是随着运转过程周期变化的。它激起的频率 范围为2 1 0 k - j - i z ，且随着轴承运动速度的升高而升高。 5 转子自激振荡力 这种轴承振动是由转子自激振荡力作用于轴承而产生的。当轴承间隙过大时 转子自激振荡就出现了。在这种情况下，摩擦力使得轴承偏离它的平衡位置，开 始绕初始位置作摆振运动。自激振荡的频率通常低于转频而决定于转子特征及轴 承间隙的幅值。因此，自激振动的频率往往与己知频率的分倍频相一致。转频的 1 2 或保持架频率的二倍频是典型的例子。 6 与其它组件的交互力 有时候会影响到在机器中其它地方产生的振动力的出现。例如，由轴承表面 的不平衡引起的转子振动导致了转子及定子的间隙变化。这些间隙变化激发了附 加的力与振动电机转子的振动有可能激发起交变的电磁力。这些都增加了信号的 复杂性。 显然，在实际诊断中，人们通过布置在轴承座或外壳适当位置的传感器拾取 的振动信号是内、外因素施加于上述轴承系统而引起的综合振动。轴承无运行故 障与又故障运行引起的振动一般表现出不同的特征。在诊断领域，我们感兴趣的 是运行故障引起的振动。因此，如何有运行故障引起的振动分量从综合振动信号 中提取出来，有效地诊断轴承的潜在故障，即为滚动轴承振动诊断的关键所在。 2 2 滚动轴承故障的主要形式与原因 滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不 良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、 润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和 磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承的主 要故障形式与原斟1 2 1 如下： 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 上海人学硕士学位论文 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。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴 承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试 验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0 5 r a m 2 的疲劳 剥落坑就认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中， 其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴 承故障诊断的重要性。 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，降低了轴承的 运转精度，因而也降低了机器的运转精度，振动和噪声也随之增大；对于精密机 械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命；此外，还有一种微振磨损，在轴承不 旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触面间有微小的反复的相对滑 动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。 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 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 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 近表面的剥落。 4 腐蚀 腐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腐蚀导致精 度丧失而不能继续工作。轴承零件表面的腐蚀有三种类型：第一种是化学腐蚀， 当水、酸等侵入轴承或者使用含酸的润滑剂时，都会产生这种腐蚀；第二种是电 腐蚀，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；第三种是微 振腐蚀，是轴承套圈在机座座孔中或轴颈上的微小相对运动所致，使套圈表面产 生红色或黑的锈斑，轴承的腐蚀斑是以后继续损坏的起点。 5 断裂 过大的载荷会引起轴承零件断裂：磨削、热处理和装配不当都会引起残余应 9 上海大学硕士学位论文 力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂；此外，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， 会振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。 2 3 滚动轴承振动类型 滚动轴承在运转过程中，除正常功能运动以外的其他一切偏离理论位置的都 称为滚动轴承的振动【l o 】【4 1 1 。 滚动轴承的振动按振动方向可分为三种类型： ( 1 ) 径向振动指在轴承套圈径向平面内的振动； ( 2 ) 轴向振动指沿轴承轴线方向的振动： ( 3 ) 角向振动指套圈径向平面相对于直径的摆动。 滚动轴承的振动按产生机理可分为以下三种类型： ( 1 ) 轴承结构的固有振动主要有三种：一是把外圈看作是弹性体引起的固有振 动；二是把外圈看作是刚体引起的固有振动：三是把钢球看作是刚体的固有振动。 ( 2 ) 强迫振动是指当轴承运转时滚动体周期地通过负荷作用线而引起的振 动，以及由于轴承零件制造误差而引起的振动。 ( 3 ) 冲击振动是指滚道表面或滚动体表面上存在划痕、毛刺、锈斑、点蚀、 剥落凹坑等缺陷或有灰尘等存在时，会激励起轴承脉冲型振动。脉冲的周期和转 速成反比，振幅和缺陷的尺寸大小有关。 滚动轴承的振动往往是以上各类振动共同作用的结果。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 3 1 正常轴承的振动信号特征 所谓正常是一个相对的概念，对于一般普通机械是“正常 的轴承，用于航 空或精密机械就可能被视为是“异常 轴承了。即使是正常的轴承由于其本身结 构的特点也会导致运转时产生振动和噪声，同时由于制造、装配及安装等过程中 引入的误差，如滚动体和滚道表面的波纹度、粗糙度以及几何精度误差等，也会 使轴承在运转中产生振动和噪声。 ( a )( b ) 图2 1 滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系 ( 1 ) 由于轴承结构特点引起的振动，如图2 1 所示。滚动轴承在承载时，由于 在不同位置承载的滚子数目不同，因而承载的刚度会随旋转而发生变化，引起轴 心的起伏波动。这种起伏波动有时被称为滚动体的传输振动，其振动的主要频率 为z f 0 ( 其中z 为滚动体的个数，厶为滚动体转动频率) ，为了要减小这种振动 的振幅可以使用游隙较小的轴承或加预紧力来消除游隙。 ( 2 ) 由于轴承刚度非线性引起的振动。滚动轴承是通过滚道与滚动体之间的 弹性接触来承受载荷的，具有非线性弹簧的性质。通常，滚动轴承的轴向刚度常 呈非线性，特别是当润滑不良时，容易产生异常的轴向振动。在刚度曲线呈对称 非线性时，振动频率为z ，2 ，3 ，( 其中丘为轴的旋转频率) ，而当刚 11 度曲线呈非对称非线性时，振动频率就为z ，寺z ，z ，分数谐频。z 二j 引起的振动是一种自激振动，常发生在深沟槽的球轴承上，而自调心球轴承及滚 柱轴承则不太会发生这种振动。 ( 3 ) 由于轴承制造及装配等原因引起的振动 1 ) 由于加工面波纹度引起的振动。由轴承零件的加工面( 内圈、外圈滚道及 上海大学硕士学位论文 滚动体面) 的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见，这些缺陷引起的振动 为高频振动( 比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍) 。高频振动及轴心的振摆不 仅会引起轴承的径向振动，在一定条件下还会引起轴向振动。表2 1 为振动频率 与波纹度峰数的关系。表中，r l 为正整数，z 为滚动体数，无为单个滚动体在 内圈滚道上的通过频率，z 为保持架旋转频率，丘为滚动体相对于保持架的转 动频率。 有波纹度波纹峰数振动频率 的零件径向振动轴向振动径向振动轴向振动 内圈 n z 1n zn z f , t 主静 以现。 外圈n z in z刀犰刀职 滚动体 2 j |2 n2 吮正2 吮 表2 1 振动频率与波纹峰数的关系 2 ) 由于轴承偏心引起的振动。当轴承游隙过大或滚道偏心时，都会引起轴 承振动，其振动频率为从t f r ，k - - 1 ，2 ，3 00 ，f r 为轴的旋转频率。 3 ) 由于滚动体大小不均匀引起的轴心摆动。由于滚动体大小不均匀会导致 轴心变动，以及支承刚性的变化。其振动频率为z 和铣f r ，通常频率数值 在1 姚以下，其中k = 1 ，2 ，3 ，0 0 0 009 正为保持架旋转频率，f r 为轴的旋转频 率。 4 ) 由于轴弯曲导致轴承偏斜而引起的振动。轴的弯曲将引起轴上所安装轴 承的移，因此轴在转动时就会引起轴承振动，其振动频率为玩，其中婷1 ， 2 多，丘为保持架旋转频率，f r 为轴的旋转频率。 5 ) 由于装配过紧或过松引起的振动。在装配过紧或过松的情况下，当滚动 体通特定位置时，就会产生频率相应于滚动体通过周期的周期振动。综上所述， 即使正常轴承在运转时也会出现十分复杂的振动和噪声。 1 2 上海大学硕上学位论文 2 3 2 故障轴承的振动信号特征 滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号的特征不同可分为两大类： 一类称为磨损类故障；另一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、剥落、擦伤等。 l 磨损 一般来说，在正常使用情况下，滚动轴承工作表面磨损故障经历时间较长， 是一种渐变性故障。轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同的性 质，即两者的波形都是无规则的，随机性较强。但磨损后振动水平( 幅值) 明显高 于正常轴承，这就是磨损类故障引起的振动信号的基本特点。 由于磨损故障引起的振动信号除了振动水平高于正常轴承外没有别的特征 差别，所以诊断这类故障就找不到一种很好的信号处理方法。通常作法是监测振 动的有效值和峰值，如果明显高于正常轴承，即判定为磨损。 由于磨损不会马上引起轴承破坏，其危害程度远小于表面损伤类故障，所以 通常人们最为重视的还是下面要讨论的表面损伤类故障。但是当滚动轴承的内圈 出现严重磨损时，轴承会出现偏心现象，当轴旋转时，轴心( 内圈中心) 便会绕外 圈中心摆动。 2 表面损伤 对于表面损伤类故障，当损伤点滚过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲 力，该脉冲力是一宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频振动频率而引起谐振， 从而产生冲击振动。这就是损伤类故障引起的振动信号的基本特点。损伤类故障 产生的冲击振动成分从性质上可分成两类： 其一，由于轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与它相接触的其它 元件表面而产生的低频振动成分，其发生周期是有规律的，可以从转速和轴承的 几何尺寸求得。并且损伤发生在内、外圈或滚动体上时，该频率不同。利用频谱 分析诊断轴承故障时，其基本原理就是查看轴承振动信号中有无这些故障特征频 率成分，若有，则可根据这些频率成分的大小进一步确定故障发生的部位。滚动 轴承故障特征频率一般在1 k i - - i 以下，这是滚动轴承故障的重要特征信息之一。 其二，由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成分。这里所说 的“高 是相对故障特征频率而言的。轴承系统的高频固有振动很复杂，如轴承 内、外圈的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，甚至测振传感器的固有振动 1 3 上海大学硕士学位论文 等都可由于损伤冲击而产生并反映在轴承的振动信号中。在这些固有振动中，因 为通常测轴承振动时往往把传感器布置在轴承座上测外圈的振动，所以轴承外圈 的径向弯曲固有振动是我们比较感兴趣的。通过检测轴承振动信号中是否存在高 频固有振动是目前滚动轴承振动诊断中所采用的行之有效的包络分析法的基本 出发点。 2 4 本章小结 滚动轴承在其运转过程中必然会产生振动。一般来说，由于制造误差、装配 原因及其它部件的影响等产生的振动信号一般都是平稳的随机信号。当轴承出现 故障时，振动将会加剧，每当损伤点与轴承其它表面发生接触时，都将产生冲击 作用，导致轴承系统的瞬时高频共振，故障轴承信号的突出特点是非平稳时变 信号。 本章分析了滚动轴承故障的主要形式和原因，在此基础上，总结了引起滚动 轴承振动的主要来源及故障性振动的分类。给出了滚动轴承振动的基本参数，计 算了滚动轴承的理论特征频率和固有振动频率，研究了滚动轴承的振动信号特 征，对无故障轴承和有故障轴承的振动信号进行了分析比较，为滚动轴承的故障 诊断奠定了理论基础。 1 4 上海大学硕士学位论文 第三章基于冲击脉冲法滚动轴承故障诊断 滚动轴承的监测诊断技术有很多种，它们各具特点，其中振动信号分析技术 应用最为广泛，这种方法基于包络分析方法，可以有效提取振动信号中微弱的冲 击成分，能够有效诊断出滚动轴承的故障。滚动轴承的故障诊断方法可分为简易 诊断法和精密诊断法两种。简易诊断法的目的是初步判断被列为诊断对象的滚动 轴承是否出现了故障；精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为是出现了故 障的轴承的故障类别及原因。 从运行中的机械设备中采集到的振动信号不仅包含了机械设备状态的信息， 还包含了大量的噪声信号。为了得到与轴承故障有关的信息就必须对原始振动信 号进行进一步的处理，常用的振动信号分析技术有时域分析方法、频域分析方法 以及时频域分析方法等。近年来，时频域分析方法越来越多地被应用于轴承故障 诊断中的振动信号分析，成为轴承故障诊断中的发展趋势。 3 1 滚动轴承的简易诊断 常用工程信号都是时域波形的形式，时域波形有直观、易于理解等特点。由 于是最原始的信号，所以包含的信息量大，但缺点是不太容易看出所包含的信息 与故障的关系。而对于某些故障信号，其波形有明显的特征，这时可以利用时域 波形作出初步诊断。而当故障轻微或信号中混有干扰噪声时，载有故障信息的波 形特征就会被淹没。为了提高信号的质量，往往要对信号进行预处理，消除或减 少噪声及干扰。轴承振动信号时域分析的主要任务是计算振动信号的时域统计特 征参数，再通过和参照值的对比来确定轴承的状态，常用的特征参数可分为有量 纲参数和无量纲参数。 3 1 1 有量纲参数 在轴承故障诊断中，主要的有量纲特征参数有峰值、砌舔有效值、方根幅值、 绝对平均值等。设离散信号砥卢j ，2 ，3 ，加，那么对信号的时域进行统 计分析可以得到的特征参数有：峰值、均值、均方根值、波形因数、峭度系数等。 上海大学硕士学位论文 在实验时采集到的信号是离散的时序数据“卢j ，2 ，3 ，) ，因而只针对 离散时序数据的信号进行讨论。 ( 1 ) 峰值工口：峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于象表面点蚀损 伤之类的具有瞬时冲击的诊断。另外，对于转速较低( 如3 0 0 砌加以下) 的情况，也 常采用峰值进行诊断。峰值讳的公式为： - - m a x x , ) ( 2 ) 均值凰均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测较峰值稳定， 但一般用于转速较高的情况( 如3 0 0 砌伽以上) 。均锄公式为： i = 专喜而 n 。吉 ( 3 ) 均方根值：均方根值由于是有效值，是对时间平均的，它适用于象 磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断，但是对于表面剥落或伤痕等具有 瞬变冲击振动的异常情况是不适用的。均方根值的公式为： = 污善而2 有量纲特征参数随轴承故障的发展而增大，因而可用来表征故障的严重程 度。但是有量纲特征参数与轴承运行工况密切相关，易受载荷、转速等工况条件 的影响在这些有量纲特征参数中，直接用于分析故障情况的一般只有峰值、r m s 和方根幅值等，象绝对平均值、偏度及峭度等参数则用在无量纲参数中。 3 1 2 无量纲参数 为了克服有量纲参数对载荷和转速等的变化比较敏感的缺点，可以采用一些 无量纲参数指标。在轴承故障诊断中，最常用的无量纲参数指标有： ( 1 ) 波形因数跏波形因数定义为峰值与均值之比。该值也是用于滚动轴承易 诊断的有效指标之一。当波形因数值较大时，表明滚动轴承可能有点蚀：而其值 过小时，则有可能发生了磨损。波形因数鳓公式为： 邑= x , 一x = m a ) 【 而 寺而 1 6 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 波峰因数件：波峰因数定义为峰值与均方根值之比。该值用于滚动轴承 简易诊断的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放大 器等一、二次仪表灵敏度变化的影响，适用于点蚀类故障的诊断。通过对波峰因 数值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承的故障进行早期预报，并能 反映故障的发展变化趋势。波峰因数g 的公式为： g = 乃，= - 姒 ，专姜而 一般说来，正常轴承振动的峰值指标为4 5 ，当滚动轴承出现剥落、裂纹、 碎裂时，峰值指标达到1 0 以上，所以用该方法也较容易对滚动轴承的异常作出判 断。 ( 3 ) 裕度指标c l 和峭度指标届：裕度指标定义为峰值与方根幅值之比。峭度 指标定义为峭度与均方根值的四次幂之比。 裕度指标c 己，和峭度指标凰的公式分别为： 吗叫嗾倜) 2 k = ( 专善而4 ) 4 振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3 。随着故障的出现和 发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、 尺寸和载荷无关。裕度指标和峭度指标对于冲击脉冲类故障比较敏感，特别是故 障早期时，它们有明显的增加；但上升到一定程度后，随着故障的逐渐发展，反 而会下降，表明它们对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。 无量纲特征参数对轴承故障足够敏感，而且基本上不受轴承型号、转速和载 荷等因素的影响，无须考虑相对标准值或与以前的数据进行比较；而且它们不受 信号绝对水平的影响，所以即使测点略有变动，也不致对诊断结果产生太大的影 响。 3 2 滚动轴承的精密诊断方法 利用振动信号的时域参数指标可以实现对滚动轴承的简易诊断，即判断轴承 1 7 上海大学硕士学位论文 是否有故障。由于这些指标计算简单、快速，所以常常用于对滚动轴承的在线监 视。一旦监视发现某轴承有故障，要判断到底是什么类型的故障，以及故障的严 重程度等比较精确的信息，就需要对滚动轴承的信号进行频谱分析，根据频谱图 中的频率成分以及有关频率成分处的幅值的大小进行精密诊断，判定故障的类 别，以便采取相应对策。由于滚动轴承的振动信号中含有大量的随机成分，所以 即使对故障轴承，其故障特征频率成分在频谱图中有时反映得也不够明显。 为了能够使频谱图比较清楚地表现出故障特征频率成分的谱线，通常采用两 种办法：一是在频谱分析前首先用模拟的或数字的方法对信号进行滤波、包络检 波等处理，以提高信噪比，突出故障信息：二是进行多次频谱平均，经过平均的 频谱随机成分减弱，周期性的故障特征谱线加强，更容易诊断出故障。 3 2 1 频谱分析 所谓频谱分析是指将周期信号展开为傅里叶级数，研究其中每个正弦谐波信 号的幅值和相位等；或者对非周期信号或各态历经随机信号进行傅里叶变换，变 换后的信号是频率的函数，这些频率的函数的集合称为频域。频域分析是指计算 这些傅里叶级数或频率函数并进行分析，故频域分析也称为傅里叶分析。 3 2 2 功率谱 功率谱是用功率密度来描述信号的频率结构，功率谱密度包括自功率谱密度 ( 简称功率谱) 和互功率谱密度。其中自功率