（载运工具运用工程专业论文）bd1机车轴承智能诊断系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本文钊。对我国滚动轴承检修水平低，专用诊断设备少的现状，研 制开发了一套机车轴承故障渗断系统；成功鼹于段修联场的机车辘承 裣谬工 筝，撬巍了检修豹叠动纯承平帮结暴豹可靠穗。 本文比较了几种不同的滚动轴承故障诊断方法并滤择了振动法来 设计本系统。在系统设计时，选择了功能强大、可靠性高的p c i 0 4 工 按凝主扳积数攥采集卡，劳选择了耀应豹篷奄簧感爨及奄萄放大嚣缌 域硬件系统。系统采用了简易诊断与精细诊断相结合酌方式，使系统 有较高的诊断可靠性和诊断精度并能诊断出轴承的早期故障。 本文还g l 入了国铃故障诊断两个毅的概念与方法：l 、幅域分析的 凝参数穆歪歪痿；2 、键络分幸厅翡新方法豢_ i 夔滤凌嵛零法。 修诈歪度具有和峭度相似的性质，也可以作为幅域诊断参数，并且具 有敏感性小的优点。而带通滤波补零包络方法同传统的h i l b e r t 法相 魄，具有分攒效栗好、诗黪藿小等优点。 本系统络稳紧凑，界谣赢观，揉 乍方便，在段穆观场的使鬣中受 到了检修工人的好评。 必键词：滚动轴承故障诊断 h i l b e r t 变换歪度 包络分析 蛸度 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fb d l i n t e l l i g e n tb e a r i n g d i a g n o s t i cs y s t e m o ft h el o c o m o t i v e a b s t r a c t n o w , t h el e v e lo fd i a g n o s i so f t h er o l l i n g - e l e m e n tb e a r i n g si sl o w , a n d t h es p e c i a l d i a g n o s t i c d e v i c e sa r el a c k e di n c h i n a a c c o r d i n g t ot h i s s i t u a t i o n ，a l li n t e l l i g e n tb e a r i n gd i a g n o s t i cs y s t e mo ft h el o c o m o t i v ei s d e v e l o p e d ，a n dh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h eb e a r i n gd i a g n o s i so f t h el o c o m o t i v ei nt h eo v e r h a u l i n gf a c t o r y t h ea u t o m a t i cl e v e la n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h eo v e r h a u l i n gr e s u l t i s i m p r o v e d w i t ht h eu s eo ft h i s s y s t e m ， s e v e r a ld i f f e r e n tf a u l td i a g n o s i sm e t h o d so f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g si s c o m p a r e di nt h i sp a p e r , a n d t h e nt h em e t h o do fv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i si s c h o s e nt od e s i g nt h i ss y s t e m t h e p o w e r f u lm a i n b o a r do fp c i 0 4 a n dd a t a c o l l e c t i n gc a r da r es e l e c t e dd u r i n gt h es y s t e md e s i g n t h ec o r r e s p o n d i n g p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e ra n dc h a r g ea m p l i f i e ra r ec h o s e nt oc o m p o s et h i s s y s t e m t h es i m p l ed i a g n o s i sm e t h o da n dt h ed e l i c a t ed i a g n o s i sm e t h o d a r ec o m b i n e di nt h i ss y s t e mt oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n dt h ep r e c i s i o n t h e e a r l yf a u l to f t h eb e a r i n gc a n b ed i a g n o s e dw i t ht h i ss y s t e mt o o t w on e w f o r e i g nc o n c e p t sa n dm e t h o d sa b o u tf a u l td i a g n o s i sa r ea l s o i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ef i r s to n ei st h er e c t i f i e ds k e w n e s s ，w h i c hi sa n e ws t a t i s t i c a lm o m e n t t h es e c o n do n ei san e wm e t h o do fe n v e l o p e a n a l y s i s ：b a n d - p a s sr e c t i f i c a t i o nw i t hz e r op a d d i n g a sa l e ws t a t i s t i c a l m o m e n t ，t h er e c t i f i e ds k e w n e s si sa se f f e c t i v ea sk u r t o s i s ，a n di ti sl e s s e r s u s c e p t i b i l i t y t o s p u r i o u s v i b r a t i o nt h a nk u r t o s i s t h e b a n d - p a s s r e c t i f i c a t i o nw i t hz e r op a d d i n gi san e ww a yt oo b t a i nt h ee n v e l o p eo fa s i g n a l t h i s n e wm e t h o dh a st h ev i r t u eo fg o o de f f e c ta n ds m a l l e r c a l c u l a t i o na m o u n t h a b s _ 【r a c t t h i sb e a t i n gd i a g n o s t i cs y s t e mi sv e r yc o m p a c ta n de a s yt ou s e i tw a s p r a i s e db yt h ed i a g n o s t i cw o r k e r sw h e nb e i n gu s e di n t h eo v e r h a u l i n g f a c t o r y k e y w o r d s ： r o l l i n g - e l e m e n tb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s e n v e l 叩ea n a l y s i sh i l b e r t t r a n s f o r m s k e w n e s sk n r t o s i s 1 1 i 北京交通大学顿士学位论文第一章绪论 1 1 立题背景与意义 第一章绪论 铁路车辆的安全运行一直是人们和铁路系统关心的焦点。滚动轴 承作为机车的主要部件，特别是牵引电机、轴箱轴承，其功能对安全 运输起着举足轻重的作用i l l 。滚动轴承运行是否正常直接影响到整台 机车的性能及运行安全，如果在运行中发生故障，轻则会造成列车停 运晚点，重则会导致列车脱轨颠覆，造成国家财产和人民生命的重大 损失。而滚动轴承也是最易损坏的零件之一，在高速重载状态下运行 的滚动轴承，其故障往往会迅速扩大，在短时间内造成热轴、燃轴、 切轴而最终导致列车颠覆等重大行车事故【2 ，”。因此，为了彻底排除因 滚动轴承故障引起的行车事故，在列车进行段修或者定期检修时，要 检查每个轴承的状态，发现故障轴承，立即更换，使其不再投入运行， 避免事故的发生。 当前，机车段修时主要靠搬转轴承外圈凭手感检查这样的人工经 验口】。这种检测方式因其操作强度大、生产效率低、诊断的准确性差， 极易使漏检轴承继续投入运行而危及车辆行车安全，造成严重后果。 特别是近年来铁路运输车辆的运行速度一再提高，列车的构造速度将 达到1 2 0 1 6 0 k m h ，而且货车载重吨位也向7 0 吨以上发展【4 】，这对滚 动轴承的工作状态要求将更加严格。而有关资料表明，我国机车使用 的滚动轴承，每年约有2 5 要经过下车检修，而其中1 3 被更换吼显 然，从检修的质量和数量两个方面来看，传统的人工经验型轴承检测 方式都已不能满足安全运行的需要。各路局、车辆段迫切需要一种现 代化的滚动轴承在线( 段修时) 故障诊断方法来替代人工经验检修， 以防止损伤轴承的误检、漏检，减少或杜绝事故发生【6 l 。 因此，采用先进的传感器和信号分析技术，研制开发用于段修现 场的机车滚动轴承故障诊断系统有重要的理论意义和实用价值。不仅 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 能防止突发事故发生，保障行车安全，而且可以充分地使用轴承，降 低机车维修费用，带柬可观的经济效益。 1 2 文献综述 1 2 1 故障诊断国内外发展情况 滚动轴承的工况监视与故障诊断在国外大概开始于2 0 世纪6 0 年 代【7j 。在其后的2 0 多年的时间里，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，监视与诊断 的有效性也不断提高。在6 0 年代，滚动轴承故障诊断的应用还主要 集中在核电、宇航、航空等尖端工业；7 0 年代发展至冶金、石化、发 电、船舶等工业部门：8 0 年代迅速向各个领域发展吼 总的说来，滚动轴承工况监视与故障诊断技术的发展可以分为四 个阶段。第一阶段，利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。第二阶段， 利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。第三阶段，利用共振解调技术诊断 轴承故障。第四阶段，开发以微机为中心的滚动轴承工况监视与故障 诊断系统一j 。 现在，国外工业发达国家如美国、英国、日本、德国、瑞典、丹 麦、挪威等，都致力于故障诊断技术的研究，并且取得了一定的成果。 特别是美国，滚动轴承工况监视与故障诊断技术已经实用化和商品 化，已经研制出各种滚动轴承故障诊断专用仪器。f l s p m 公司研制开 发的轴承分析仪( b e a r i n ga n a l y s e rb e a 一5 2 ) ，轴承自动分析系统 ( b e a r i n ga u t o a n a i y s i ss y s t e mb a s 系列产品) 等1 9 1 。 运用故障诊断技术可以减少事故，降低维修费用，避免事故的发 生，具有显著的经济性。英国对2 0 0 0 个国营工厂进行调查表明，采 用诊断技术后维修费用每年节省3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅为 o 5 亿英镑，净获益2 5 亿英镑年。日本资料报道采用诊断技术后事 故率可减少7 5 ，维修费用可以降低2 0 一5 0 1 1 0 1 。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 我国在机械设备故障诊断技术方面的研究和应用相对较晚，自8 0 年代中期起才开始设备故障诊断技术的研究i ”。 我国的设备故障诊断技术大致经历了三个阶段：第一个阶段是起 步与准备阶段，这一阶段大约用了十年左右的时间：第二个阶段是发 展阶段，这一阶段中，诊断手段上( 仪器与系统) ，特别是诊断效果 上，相对来说，比过去要成熟，取得了十分明显的经济效益与社会效 益；第三个阶段是高级阶段，或者说是设备诊断技术的完善阶段。 近二十年来，随着科学技术的不断发展，尤其是计算机和传感器 技术的迅速发展，设备诊断技术已形成一门较为完整的新兴边缘综合 学科。目前，我国设备诊断技术正经历从发展阶段向完善阶段过渡的 过程【l i l 。我国的故障诊断技术在一些领域也取得了丰硕的成果，并已 形成高校、研究所及工厂的梯队式研究、开发和应用层次。国内高校 每年都有许多以故障诊断为内容的论文发表【1 2 j 。 我国现在意识到了故障诊断技术在铁路运输业上的重要作用，因 此在这方面投入了较大力量进行研究与实践，初步掌握了诊断技术、 信号处理规律，研制出了一批配套的适用于不同工况和场合的软硬 件。经过了5 6 年现场使用和考验，反复修改、补充，达到了实用化 程度。 但是，总的来说，我国在这方面还是很落后的，全路机车检修水 平还比较低。我国路内现有诊断设备的状况是：l 、产品品种和数量 少。内燃机走行部和辅助部分诊断设备近乎空白，电气部分和柴油机 检测还需进一步开发。电力机车检测设备为数更少。2 、部分产品质 量可靠性差。诊断设备部分元件选择不合理、寿命段、故障率高【i ”。 因此，我们还应加大这方面的力度，研制开发用于段修现场的机车滚 动轴承故障诊断系统。 1 2 2 我国现有的机车轴承诊断系统 铁路部门规定轮对轴承的检修是按每运行一年( 不论运行里程) 检修一次的段修频率来对其进行运行状态质量控制。在各路局、车辆 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 段的检测线上，对滚动轴承的状态检测时主要靠搬转轴承外圈凭手感 检查这样的人工经验f 1 4 l 。随着微机技术高速的发展，融合现代传感技 术、信号分析与处理技术及微机处理技术为一体的机械设备诊断技术 近年来引起了国内外研究者的重视。 目前，国内已经出现了一些专用于机车滚动轴承故障诊断的仪器 设备。如铁道部科学研究院机辆所研制的儿一2 0 l ( j s c 一2 0 6 ) 机车轴 承诊断仪，j l 一2 0 1 l 轴承简易诊断仪+ j l 2 叭2 六路转换器+ 机车状态 检测软件，j s c - 5 2 0 振动强度仪+ j l 一2 0 1 机车轴承诊断仪【1 5 1 ；航空工 业第6 0 8 所与株洲车辆厂合作研制的j k 8 6 4 l l 铁路车辆轮对轴承不分 解试验诊断系统和j k 8 6 4 1 2 铁路客车单个轴承缺陷诊断系统，以及改 进的j k 9 0 4 l l 铁路车辆轮对轴承不分解自动诊断系统。 资料表明，使用j k 9 0 4 11 诊断系统比人工年少退卸轴承1 4 7 2 套，节 约轴承检修费用3 5 万元：少用人工2 人，并可大大减轻职工的劳动强 度；试验中防止了4 3 套严重故障轴承漏检，可大幅度地减少因漏检造 成的行车事故隐患i l ”。 但是，我国现有的诊断设备不但品种和数量少【l3 1 ，并且准确性较 差，且结构复杂，稳定性差，维修保养不便，所以不能很好的推广应 用。 1 2 3 机车轴承故障诊断的难点 目前的各种轴承故障诊断方法各有其优缺点，但使用最多的是振 动法，前面介绍的轴承诊断系统也是基于振动法研制开发的。振动法 的原理是：通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承 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。振动 信号是轴承故障的载体，可通过对传感器拾取信号的分析与处理诊断 出轴承故障。但是实际上，通过安装在轴承座上的传感器拾取的振动 信号除反映有关轴承本身的工作情况的信息外，也包括了大量的机械 中其它运动部件和结构的信息( 如制造误差、装配误差等引起的振动 激励信息) 1 1 7 j 。这些信息对于研究轴承本身的工况与故障来说，属于 4 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 背景噪声。由于实际中背景噪声往往比较大，所以刚刚发生的轻微的 滚动轴承故障所特有的信息往往淹没在背景噪声中，很难被发现和提 取出来。因此，采用什么样的振动检测与信息处理技术来提高信噪比， 突出故障特征信息，抑止背景噪声，从而有效的诊断出轴承故障成为 轴承振动检测与诊断技术的关键所在。 另外，铁路段修现场条件比较恶劣，所以对故障诊断系统的硬件 要求比较高，要能适应现场诊断的环境。 1 3 本文工作与意义 本文的工作与意义可以分为以下三个方面： 1 机理研究 本文研究了滚动轴承的结构与工作原理，列举说明了滚动轴承的 各种不同故障形式。分析比较了几种不同的故障诊断方法及其原理， 并指出振动法是目前故障诊断的最好方法。本文还研究了振动法进行 故障诊断的原理，并从简易诊断和精细诊断两个方面对振动法进行故 障诊断的过程进行详细介绍。 2 引入修正歪度指标与带通滤波补零包络算法 本文参考国外文献，引入了用于轴承故障诊断的修正歪度参数和 带通滤波补零包络算法。修正歪度是新的幅域诊断参数，可同其它参 数一起用于简易诊断中，具有对大幅值干扰振动敏感性小的优点。带 通滤波补零包络算法是国外的一种新的包络方法，可以有效的对滚动 轴承振动信号进行包络分析，具有效率高，计算量小的特点。 3 开发诊断系统用于段修现场 本文根据此振动机理，采用先进的传感器和信号分析技术研制了 一套专用于段修现场的故障诊断系统一b d l 机车轴承智能诊断系 统，经过了实验室分析验证并已经在丰台西电力机务段得到应用，提 高了检修的自动化水平，减轻了工人的劳动强度。 北京交通大学硕十学位论文第二章滚动轴承故障原理 第二章滚动轴承故障原理 2 1 滚动轴承故障形式与诊断方法 2 1 1 滚动轴承结构 滚动轴承是旋转机械主要基础部件之一。它具有效率高、摩擦阻 力小、装配较为方便、润滑易实现等优点。因此，在旋转机械上应用 较为普遍。 滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，如图2 1 所示。 图2 - l 滚动轴承结构 内圈、外圈分别和轴颈以及轴承座孔装配在一起。多数情况下是 内圈随轴旋转，外圈不动，但也有外圈旋转、内圈不动或内外圈分别 按不同转速旋转等使用情况。 滚动体是滚动轴承中的核心原件，它使相对运动表面间的滑动摩 擦变为滚动摩擦。滚动体的形式有球形、圆柱形、锥柱形、鼓形等。 在球轴承内、外圈上都有凹槽滚道，它起着降低接触应力和限制滚动 体轴向移动的作用。 。凰圜配 。凰圜吣 就豪交道太学硬学整论交 第二章滚动糖承敲漳摄理 保持架使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦和磨损。如果 没有保持架，相邻滚动体将直接接触，且相对摩擦速度是表面速度的 两倍，发热和磨损都较大【”i 。 2 1 2 滚动轴承的故障形式 滚动轴承在受载运行过程中，由于装配不当，润滑不良，异物落 入，腐蚀和过载等都可能使轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用 维护都正常的情况下，经过一段时间运转后，轴承也会出现疲劳剥落 和磨损不能正常工作。总之，滚动轴承的故障形式十分复杂多样，表 2 1 列出滚动轴承的主要损伤形式和原因【l 9 。2 0 。 从表中可以看出，滚动轴承故障来自轴承全寿命各个阶段，故障 有多种多样性，而且机车实际运行过程中轴承发生故障的原因，往往 不是单一因素，是两种或多种因素耦合的结果：故障原因与故障征兆 也往往不是一一对应，这轴承故障诊断增加了很大的难度【2 ”。 按振动信号特征，滚动轴承在运行过程中出现的故障也可以分为 两大类：一类称为表面损伤故障，包括点蚀、剥落、擦伤等；另一类 称为磨损类故障【l 。j 。 一般而言，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，即振动波形无规则，随机性较强。但磨损 后振动水平( 幅值) 明显高于正常轴承1 2 “。 磨损故障轴承振动信号除了振动幅值增大外没有别的特征差别， 所以诊断这类故障通常是监测振动有效值与峰值，如果明显高于正常 轴承，即判定为磨损。 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。所以诊断重点是表面损伤故障【l “。 7 北京交通大学硕士学位论文第一二章滚动轴承故障原理 损伤 损伤原因损伤特征损伤结果 _ 形式 1 1 轴向载荷过人 2 1 对中不良滚动体或滚道 疲3 ) 保持架圆度误差过大( 制造原闪)表面产生剥落 4 ) 装配不当，轴弯曲表面剥落坑，并向大面 劳5 ) 润滑不良剥落发展 6 ) 预紧力调整不当 7 ) 轴承间隙过小 胶1 ) 润滑不良润滑脂失效导致表面烧伤并使 2 ) 转速过高，启动速度过快滚动面胶台金属从一个表面 a 口3 ) 装配不当，粘附到另一个表面 磨1 ) 运输过程中受到小振幅摇摆运动类似静压痕磨损轴承 2 ) 配合面间微小间隙造成滑动磨损配合面局部磨损降低运转精度 损3 ) 异物落入、润滑不良 烧装配不当，润滑不良滚道面、滚动体表面软化 伤变色、熔化降低使用寿命 1 ) 内部配合面锈蚀水分腐蚀性介质表面损伤 腐 侵入 蚀2 ) 滚动面出现搓板状凸凹电化学融化丧失精度 3 ) 表面红色或黑色锈班 1 ) 冲击载荷过大外环、内环、滚轴承断裂 破2 ) 装配不当，胶合发展动体产生裂纹失效 3 ) 转速过高，异物落入，润滑不良保持架破裂 损载荷过大 表2 - 1 滚动轴承的主要损伤形式和原因 8 北京交通大学硕l ：学位论文第= 章滚动轴承故障原理 2 1 3 滚动轴承故障诊断方法简介 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一 定的载荷，以一定的转速运转等) 下和一定的工作期间( 一定的寿命) 内可靠有效的运行，以保证整个机械的工作精度。同此目的相适应， 轴承故障诊断就是要通过对能够反映轴承工作状态的信号的观测、分 析与处理来识别轴承的状态。所以，一定程度上可以说，轴承故障诊 断就是轴承状态识别【2 ”。具体来说，完整的轴承故障诊断过程应包含 以下五个环节i ”。 ( 1 ) 信号测取。根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够 反映轴承工作情况或状态的信号； ( 2 ) 特征( 征兆) 抽取。从测取的信号中以一定的信号分析与 处理方法抽取出能够反映轴承状态的有用信息( 征兆) ； ( 3 ) 监视( 状态识别) 。根据征兆，以一定的状态识别方法识 别轴承的状态，即简单判断轴承工作是否正常或者说有无故障。 ( 4 ) 诊断( 状态分析) 。根据征兆，进一步分析有关状态的情 况及其发展趋势：当轴承有故障时，详细分析故障的类型、性质、部 位、产生原因及趋势等： ( 5 ) 决策干预。根据轴承状态及其发展趋势，作出决策，如调 整、控制、维修或继续监视等。 关于滚动轴承监测与诊断方法，传统上人们主要是根据监视与诊 断所采用的状态量来分类的，即按照测取信号的性质来分类。按照这 一分类方法，滚动轴承工矿监视与故障诊断方法有温度法、油液分析 法、声发射法和振动法等f 2 4 1 。 1 温度法 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 出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。当轴承发生故障 时，轴承温度往往会上升。在铁路上，特别是高速重载状态下运行的 9 北京交通大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障原理 滚动轴承，一旦发生故障，往往会迅速扩大，轴温迅速上升，断时间 内造成燃轴等现象。所以，温度法用于这种场合比较有效。 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，温度监测不适用于点蚀、局部剥 落等所谓的局部损伤类故障 1 0 , 2 5 l 。 2 油液分析法 油液分析通过使用铁谱、光谱等分析手段来分析油液中的磨粒成 分形状和含量，从而确定设备部件的磨损部位和磨损状态。这种分析 手段适用于具有油路系统的设备【2 “。 滚动轴承运行时，运动件之间相互摩擦，就会产生磨屑微粒，磨 屑进入润滑油中并呈悬浮状态。当轴承发生表面磨损时，这种现象尤 其严重。因此，从轴承所使用的润滑油中取出油样，通过油液分析就 能检测出滚动轴承是否发生磨损等故障。 但是，油液分析法具有很大的局限性。- 如取样要求过于苛刻，过 于依赖人的经验，数据处理较困难以及从取样到预报的时间较长等缺 点。并且只适用于油润滑轴承，而不适用于脂润滑轴承。另外，这种 方法易受其他非轴承损坏掉下的颗粒的影响【2 7 , 2 8 。 3 声发射法 固体受力时，微观结构的不均匀或内部缺陷的存在均导致局部应 力集中，促使塑性变形加大或发生裂纹的形成与扩展，这时均要释放 弹性波，这种现象称声发射( a c o u s t i ce m i s s o n ) 。声发射法就是运 用声发射原理对轴承异常进行检查及预测的方法，它通过发射频率的 时间变化及频率分布来进行分析研究。声发射法特别适用于现场检测 和例行车检。如果把类似声发射的杂音环境也纳入声发射的统计范 围，那么将难以提高声发射检测法的可信度【2 9 , 3 0 1 。 4 振动法 当轴承发生损伤时，一般都会随之出现振动加大和工作性能的变 化。因此，根据对机械振动信号的测量和分析，不用停机和解体方式， 就可对机械的劣化程度和故障性质有所了解。而振动法是通过安装在 1 0 北京交通大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障原理 轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信号，并对此信号 分析与处理来判断轴承工况与故障的【”1 。 振动法具有以下有点：( 1 ) 适用于各种类型各种工况的轴承；( 2 ) 可以有效的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。所以在实际中，振动法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。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视与诊断方法了j 所以下文以基于振动法的滚 动轴承故障诊断方法为主。 但是在实际运用中，振动法也有其难点。振动信号虽然是轴承故 障的载体理论上可通过对轴承座上的传感器拾取的分析与处理诊断 出轴承的所有类型的故障。但是实际上，通过安装在轴承座上的传感 器拾取的振动信号除反映有关轴承本身的工作情况的信息外，也包括 了大量的机械中其它运动部件和结构的信息( 如制造误差、装配误差 等引起的振动激励信息) 。这些信息对于研究轴承本身的工况与故障 来说，属于背景噪声。由于实际中背景噪声往往比较大所以刚刚发 生的轻微的滚动轴承故障所特有的信息往往淹没在背景噪声中，很难 被发现和提取出来。因此，采用什么样的振动检测与信息处理技术来 提高信噪比，突出故障特征信息，抑止背景噪声，从而有效的诊断出 轴承故障成为轴承振动检测与诊断技术的关键所在。 2 2 滚动轴承振动机理简介 要用振动法进行滚动轴承进行故障诊断，就必须先了解滚动轴承 的振动机理。 2 2 1 滚动轴承振动机理 滚动轴承工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联结，固定或相 北京变通大学硕圭学位论文 第二二章滚秘轴承故障原理 对固定；内圈与机械传动轴相联结。随轴一趣转动。在机械运转时， 鑫予辘承本奏款缝构特点、热王装配误差及遮簿遘程孛爨溪教漳等逸 部凶索，以及传动轴上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的载荷下运转时对轴承和轴承庶等组成的 转动系统产生激獭，镬该系绫掇动瑟2 , 3 蛰，葜缀麓凝瑾壹攀2 - 2 溪示。 图2 - 2 滚动轴承振动产生机理 鼹然，在实际诊断中，通过布置在轴承廉或外壳适当位置的传感 器捻毅菝动售号楚上述吾静舞帮帮终都激赫源施麓于辘承痉齑羚竞 组成的振动系统的综合振动。我们感兴趣的鼹运行故障遮一内部原因 所引起的振动信号，为了能从综合振动中有效提取故障特征，必须研 究轴承内部三耱鞫紊雩| 莛静羰渤信号各塞豹酶征。 2 2 2 滚动轴承运动学分析 以角接触球轴承为鳓，掇攒轴承各元件之闽的相对运劝关系推导 滚动轴承特征频率计算公式1 9 , 3 4 1 。 爨2 _ 3 示出了滚秘辕承各元终之阕懿运旗关系。设辘承羚整匿定， 内圈( 轴) 的旋转频率为，轴承节径d ，滚动体直径d ，接触角， 滚动体个数为z ，滚动体与内外圈之间为纯滚动。 北京变通大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障原理 缆 屺 、i x x 、 凸 窜鬻心 1 嬲 图2 - 3 轴承各元件间运动关系 由于外圈固定，与外圈相接触的滚动体上曰点的速度为零，而a 点的速度吆= 2 = 斫( d d c o s f l ) = 2 a f o d ，由此可得， 丘= 批知卢p p t ， 式中 为滚动体公转频率，及保持架旋转频率。 设滚动体自转频率为五，则，b 可这样求得：给整个轴承加一个转 动角速度“一正”( 相当于站在保持架上看轴承运动) ，则保持架固定 不动，外圈以一工转动，滚动体只以以自转。根据纯滚动关系，此时 b 点的速度，= u d f b = 石( d + d c o s p ) l ，由此可得， 兀= 昙i - 2 c o s 2 ， f 进而有：z 个滚动体与外圈上某一固定点接触频率为： ( 2 - 2 ) j t 束交道大学颤士学证论文 第二章滚动轴承故障原理 厶一现= 务知小 浯， z 个滚动体与内阁上某一固定点接触频率为： 矗瑙五吲= 弘丢e 。s p l z ( 2 - 4 ) 滚动体上某一固筑点与外圈或内圈接触频率为： 厶= 五= 昙f t 一( 暑) 2c o s 2 芦1 c z s ， 厶，z ，工。和工分别称为外圈、内圈、滚动体和保持架的通过频率。 当上述“某一潼定点”是局部损镰点时，。名，矗，东分嶷为鼹部损伤点 撞啬滚动轴承外阐、内圈、滚动体的频率，亦称为外围、内圈、滚动 体的故障特征频率。当保持架破裂时，振动信号中保持架的通过频率 会突漤遗来，成为其鼓障跨簸频率。教簿姆缝频事是刹群提动诊龋滚 动轴承故障的基础。 2 。2 3 滚动轴承援动信号特征 根据振动的机理，滚动轴承在工作过程巾的振动可分为三类，即 与轴承结梅有关的振动，与轴承制造有关的振动，与轴承运行故障有 关豹振动敬秘。 ( 1 ) 与轴承结构宵关的振动 这是类即使没有任何制遗误差和损伤媳会产生的掇淤，包括： 滚动轴承阑有振动 在滚动轴承运转过程中，滚动体与肉圈溅外圈冲击产嫩的振动。 此时的振动频率为滚动辘承元孝# 媳固有频率，一般为数千赫兹到数十 1 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障原理 千赫兹，该频率取决于轴承元件的材料、轴承尺寸以及安装条件，与 工作转速无关。 滚动轴承构造引起的振动 当作用有径向载荷的轴承转动时，各滚动元件的受载状态因滚动 元件的位置不同而不同，滚动体和内圈、外圈由于载荷作用而发生弹 性变形。当轴旋转时，轴心随滚动体位置变化而变化，从而产生周期 性振动，振动频率为 玩。 当转轴发生弯曲或转轴与轴承装配不正，则转轴运转时，会产生 频率为z z 的振动。 当滚动体的直径不一致，如一个滚动体的直径较其它滚动体大 时，轴心位置随滚动体的公转位置变化而变化，从而产生周期性振动， 这时振动频率为工及n f o 工= 1 ，2 ，) 。 ( 2 )与轴承制造有关的振动 加工表面波纹、内外圈圆度误差、滚动体棱圆度误差和保持架不 平衡都会引起周期性振动。 ( 3 ) 与轴承运行故障有关的振动 这一类振动是由于轴承使用过程中轴承元件损伤或异物进入产 生的，这是一类冲击振动。当损伤点滚过轴承元件表面时要产生突变 冲击脉冲力，该脉冲是一宽带信号，必然会激起轴承系统高频固有振 动频率而引起谐振，从而产生冲击振动。冲击振动成分从性质上可分 为两类： 其一，是由于轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与之 相接触的其它元件表面而产生的低频振动成分，称为轴承的“通过振 动”。其发生频率由轴转速和轴承几何尺寸决定，称为轴承的故障特 北京交避大学硕士学位潦文第二章滚动轴承故璋豫理 征频举，频率一般程l k h z 以下。 其二，是鑫予损伤冲击终粥蕊g 发黪疆承系绞寒频潮露摄麓，这 里所说的“高”是相对故障特征频率而言的，通常为数千赫兹至数十 千赫缀。 “逶过援袭”及嚣耷振动麓滚凄辘承藏鼯诊舔戆重螫镶疆。 内圈发生点蚀的振动 当内圈滚道出现点蚀( 如剥落、压痕) ，在滚动体通过时便会产生 冲者搬动。在滚动辘零无径穗潮滁辩，洚毒辩麓频率为t f i r ( n = i ，2 , - - j 。 通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边躐荷，根据点蚀部分与滚 动传发生掉击接触的位置鲍不弼，振动的振幅大小会发生周期性变 化，即被转速频率调制。这对的振动频率为携矗- + f a n = 1 ，2 ，) 。 外圈发生点蚀的振动 警辨圈滚遵表露蹬褒点蚀瓣，叁于点 受佼嚣与薮兹方肉筻秘对位 置是一定的，故不存在振幅调制的情况，冲击攘动频率为 帆( h m l ，2 ，) 。 滚动谘上肖点继露麴缀麓 强滚动体表谢出现点蚀时，若点蚀部分通过内圈或外圈滚道表面 就会产生冲击振动。在滚动轴承无径向间隙时，冲击振动频率为 蜕o = l ，2 ，) 。 通常滚动轴承都有径向间隙，因此同内阐存在点蚀时一样，根据 点蚀部分与内圈鼓终整发生 孛密接艇斡位置熟不同，也会发生幄值调 制酌情况，不过此时是被滚动体公转频率五调制，这时瀚振动频率为 堤，二疋( ”= l ，2 ，一) 。 1 6 北京交通大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障原理 上述分析表明滚动轴承振动信号是非常复杂的。 2 3 机车轴承振动信号测试 机车滚动轴承的振动信号十分复杂。由于机车走行部零件很多， 各零件模态以及大量噪声混入振动信号。因此，必须选用先进的传感 器，测量到真实的轴承振动信号，才能保证监测诊断的有效实施。 根据上述分析，滚动轴承的固有特性、制造条件、使用情况的不 同，所引起的振动频率包含1k h z 以下的低频脉动和频率lk h z 以上， 数千赫兹乃至数十千赫的高频振动。因此，应使压电式加速度传感器 满足上述宽频带的拾振要求。 1 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器在振动检测中用的比较多，它是利用压电效 应来完成测振的。某些晶体材料，如天然石英晶体和人工极化陶瓷等， 在承受一定方向的外力而变形时，内部会产生极化现象，在其表面产 生电荷。在外力去掉后，又回复不带点状态，这种将机械能转换成电 能的现象称为压电效应。利用这种原理制成的传感器称为压电式传感 器。压电感器具有频响宽、动态范围大、自身质量轻等优点，在接触 式振动测量中得到广泛应用i l 。 压电式加速度传感器的结构如图2 - 4 所示。 设被测物体加速度为x ，惯性质量m ，则压电片所受的剪切力为 m x ，传感器的电荷灵敏度为 s 。：旱脚 x 式中9 为压电片极片上产生电荷 d 为压电片压电常数。 ( 2 6 ) l b 京交通大学磺士学位论文 第二摩滚动轴承故蟑原理 基2 - 4 剪穗式匿毫撩速度话感嚣 m ：惯性质量p ：压电片b ：底座 2 毫蔫教大瓣 测振佟感器输出的信号一般都非常微弱，经放大后才能推动记录 设备，所以不能直接作为数据采集卡的采入信号。为了将正比于加速 度熬电萄鬣转变成电压输出，必须设餐专用测量魄路即瞧蘅放大器 ( t o i 。 电荷放大器是种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器， 实际上是个具有电容负反馈的输入阻抗极高的离增益运算放大器， 箕窀薅蒙璎籀鹜2 - 5 繇示。嚣孛q 为获馕电容，乞受毫蕊敦大髅竣 出电压，a 为运算放大器的放大倍数，q 为传感器发出的电荷墩。 而对于理想运算放大器，近似有 五 ，= 一葶 0 7 ) l ， 即输出电压与传感器的电荷量成斑比。比例系数仪取决于电荷放 大器兹爱後泡容( ，霹与晶棼冀电骞，弓l 线电容，输入毫蜜无关。 1 3 ! i 薹茎望查兰堡主鲎垒笙茎 ： 星三堂鎏塑塑至垫登鎏矍 q 广 图2 - 5 电荷放大嚣原理 3 振动信号囊 传感器将非瞧量( 魏强动位移、速度、加速度) 转化为电信号， 邀时信号在时间和幅度都连续的。必须将信号转化为时问和幅度都离 散麴信号后，才能输入计算毒琏处理，如黼2 - 6 。 信号采集融数据采集卡宠成，露数据采集卡对信号进季亍采集的蜜 断图形界面如图2 7 所示。 图2 - 6 采样过穰 1 9 、，一3t上： 耻一 北京交通大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障原理 图2 - 7 信号采集界酝 北京交通大学硕士学位论文 第三章故障诊断原理 第三章故障诊断原理 机车振动伴有各种噪声和干扰，轴承故障信息完全淹没在噪声 中。因此，要检测轴承状况，必须采取有力的信号分析方法，使故障 信号突出出来。信号分析与处理在幅值、时间和频率等域进行，从不 同的角度对信号进行观测与分析。 3 1 轴承故障的简易诊断 简易诊断，就是在振动检测中通过测试某些振动参数的大小，与 标准值( 门限值) 比较来判断轴承的状态【l l 。信号处理的基本方法有 幅值分析、时域分析和频域分析。在幅值上的各种处理通常称为幅域 分析；信号在时间域内的变换或分析称为时域分析；频域分析时确定 信号的频率结构。简易诊断即是对信号数据进行幅域分析，而常用的 幅域参数分为有量纲幅域诊断参数和无量纲诊断参数。 3 1 1 信号幅域分析 在幅域司以对轴承的振动信号进仃简易诊断。幅域分析的方珐通 常是寻找对信号时域波形变化敏感的参数，如峭度、裕度、歪度、峰 值指标、均方根值等【3 5 1 。设信号t ( ，) 为采样一组离散数据。各参数的 定义如下： ( 1 ) 均值：又= 专喜葺 ( 3 - 1 ) ( 2 ) 最大值：x 。= m a x 一0 ( 3 - 2 ) ( 3 ) 最小值：。= m i n x 1 ) ( 3 - 3 ) 北京交通大学硕士学位论文第三章故障诊断原理 ( 4 )均方根值：x = n 2 ( 3 - 4 ) ( 5 ) 歪度偏度：口2 专荟。? ( 3 - 5 ) ( 6 ) 峭度：= 击x ? ( 3 6 ) jv i = l 随着故障的发生和发展，般厶。、口、和峰值。均会 逐渐增大。均方根值和峭度是最重要的两个参数指标。均方根值反映 信号能量，对磨损类故障很敏感。峭度对大幅值很敏感，当大幅值出 现的概率增加时，峭度会迅速增大，这对探测信号中含有脉冲的故障 特别有效。因此，峭度对轴承冲击脉冲类故障( 如异物落入，剥落) 比较敏感，特别当故障早期发生时，峭度明显增加。而歪度反映了随 机信号的幅值概率密度函数对纵坐标的不对称性，如果不对称越厉 害，则歪度口值越大f l n 3 6 1 。 以上参数为有量纲幅域诊断参数，会因工作条件( 如负载、转速、 仪器灵敏度等) 的改变而变化，实际很难加以区分。我们希望幅域诊 断参数对故障足够敏感，而对信号的幅值和频率的变化不敏感，即和 机器的工作条件关系不大，所以就引入了无量纲幅域参数，它们只取 决于概率密度函数p ( 功的形状。常用的有： 波形指标：s ，= 鲁 ( 3 7 ) h 峰值指标：c j = 。r n a x ( 3 8 ) x 啪s 脉冲指标_ ，2 膏 。9 北京交通大学硕士学位论文 第三章故障诊断原理 裕度指标：c l ， x m a x z ， ( 3 一l o ) 峭度指标：k ，= 阜( 3 一1 1 ) x ：。 峭度指标、裕度指标和脉冲指标对冲击型故障比较敏感。当早期 发生故障时，大幅值的脉冲还不很多，均方根值变化不大，上述参数 已有增加。当故障逐步发展时，他们上升较快，但上升到一定程度后 会逐步下降。这些参数对早期故障有较高敏感性，但稳定性不很好； 均方根值则对早期故障不敏感，但稳定性良好，随着故障发展单调上 升。要取得较好的故障监测效果，可以采取以下措施口o j ： ( 1 ) 同时用峭搜指标( 或裕度指标) 与均方根值进行故障监测兼顾 敏感性和稳定性。 ( 2 ) 连续监测可发现峭度指标( 或裕度指标) 的变化趋势，当指标 值上升到顶点开始下降时，就要密切注意故障是否发生。 对于正弦波和三角波，不管幅值和频率为多少，无量纲参数的数 值不变，其值如下表3 1 所示。 信号波形指标峰值指标脉冲指标裕度指标峭度指标 正弦波 1 1 11 4 11 5 71 7 31 5 0 三角波 1 5 61 7 32 0 02 2 51 8 0 正态 3 2 11 2 5 1 4 5 随机 信号 4 5 5 22 s 12 8 9 峰值 0 2 7 1 4 53 3 7 64 3 3 3 概率 6 x l o 一7 46 2 77 2 3 表3 - 1 典型信号的无量纲幅域诊断参数值 由表中可以看出，对于正态随机信号，波形指标和峭度指标为定 值，而对于其余几个指标则随峰值概率减小而上升。 北京交邋大学硬圭学位论文第三章故捧诊新蘸理 3 1 2 修正歪度描标简介 瑟度和峭度的定义为： 歪度偏度：删。专善x ? ( 3 - 5 ) 峭度：卢= 专x ? ( 3 - 6 ) jv t = l 照黍度程嶙度瓣定义霹以麓建，歪度帮螭壤分舅是信譬t ( f ) 静三 阶原点矩和四阶原点矩，并且还能看出，歪艘是关于x 的奇函数，峭 度是关于x 的偶函数。 在过去的磅究孛，媾疫及鹚发接标硬壤鞍多，因袭它 j 鞍磐载反 映了故障信号脉冲的存在及大小。而歪度是x 的奇数阶矩，当信号为 标准正态分布或者旗它对称分布时( 如图3 1 所示) ，其概率密度函数 整线爨关于y 辘辩豫，获以歪囊馕为零。臻蜜枣豹辘承，不营是好翁 轴承还是故障轴承，所产生的振动信号，其概率密度函数，都基本上 是对称的，所以歪度值也基本上