滚动轴承的故障诊断

滚动轴承故障诊断滚动轴承故障诊断滚动轴承故障诊断滚动轴承故障诊断 RollingRollingRollingRolling ElementElementElementElement BearingBearingBearingBearing DiagnosisDiagnosisDiagnosisDiagnosis 0 滚滚 动动 轴轴 承承 故故 障障 诊诊 断断 旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点 而旋转机械的故障有相当大比例与滚 动轴承有关 滚动轴承是机器的易损件之一 据不完全统计 旋转机械的故障约有 30 是 因滚动轴承引起的 由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性 一 滚动轴承故障诊断技术的分类一 滚动轴承故障诊断技术的分类 滚动轴承的故障诊断技术主要有振动诊断技术 铁谱诊断技术 温度诊断技术 声学诊 断技术 油膜电阻诊断技术和光纤监测诊断技术等 其中 振动 铁谱 温度诊断技术应用 最普遍 1 1 振动诊断技术 振动诊断技术 轴承元件的工作表面出现疲劳剥落 压痕或局部腐蚀时 轴承运行中会出现周期性的脉 冲信号 这种周期性的信号可有安装在轴承座上的传感器 速度型或加速度型 来接收 通 过对振动信号的分析来诊断轴承的故障 特点 振动诊断技术应用广泛 可实现在线监测 诊断快 诊断理论已成熟 应用范围 特别适合旋转机械中轴承的故障监测 2 2 铁谱诊断技术 铁谱诊断技术 轴承磨损颗粒与其工作状况有密切的联系 将带有磨损颗粒的润滑油通过一强磁场 在 强磁场的作用下 磨粒按一定的规律沉淀在铁谱片上 铁谱片可在铁谱显微镜上作定性观察 或在定量仪器上测试 据此判断轴承的工作状况 特点 机器无需解体 投资低 效果好 能发现轴承的早期疲劳失效 可做磨损机理研 究 应用范围 适用于用润滑油润滑的轴承的故障诊断 对于用脂润滑的轴承较困难 3 3 油膜电阻诊断技术 油膜电阻诊断技术 润滑良好的轴承 由于油膜的作用 内 外圈之间有很大的电阻 故通过测量轴承内 外圈的电阻 可对轴承的异常作出判断 特点 对不同的工况条件可使用同一评判标准 对表面剥落 压痕 裂纹等异常的诊断 效果差 应用范围 适用于旋转轴外露的场合 4 4 光纤监测诊断技术 光纤监测诊断技术 光纤监测是一种直接从轴承套圈表面提取信号的诊断技术 用光导纤维束制成的位移传 感器包含有发射光纤束和接收光纤束 光线由发射光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的 1 间隙反射回来 由接收光纤束接收 经光电元件转换成电信号 通过对电信号的分析处理 可对轴承工况作出评估 特点 光纤位移传感器灵敏度高 直接从轴承表面提取信号 提高了信噪比 可直接反 映滚动轴承的制造质量 表面磨损程度 载荷 润滑和间隙情况 应用范围 适用于可将传感器安装在轴承座内的机器 5 5 温度诊断技术 温度诊断技术 轴承若产生某种异常 轴承的温度会发生变化 因此 根据温度的变化 可以对轴承故 障进行诊断 但对异常判断的能力很低 特点 诊断简单 对轴承烧伤判断效果较好 应用范围 适用于机器中轴承的简单常规诊断 6 6 声发射诊断技术 声发射诊断技术 金属材料由于内部晶格的位错 晶界滑移或者由于内部裂纹的发生和发展 均需要释放 弹性波 这种现象称为声发射现象 滚动轴承产生剥落或裂纹时 会产生不同类型的声发射 信号 据此可对轴承工况作出评估 特点 诊断快速 简便 可在线监测 应用范围 近几年来发展的新技术 在轴承工况监测中应用较少 二 滚动轴承振动故障诊断技术二 滚动轴承振动故障诊断技术 滚动轴承是机器中最精密的部件 通常它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十 分之一 但多年的实践经验表明 只有 10 以下的轴承能够运行到设计寿命年限 而大约 40 的轴承失效是由于润滑引起的故障 30 失效是由于不对中或 卡住 等装配失误 还有 20 的失效是由过载使用或制造上缺陷等其它原因所致 如果机器进行了精确对中和精确平衡 不在共振频率附近运转 并且轴承润滑良好 那 么机器运行就会非常可靠 机器实际寿命会接近其设计寿命 然而 大多数情况都没有做到 这些 因此有很多轴承都因为磨损而永久失效 振动分析和磨损颗粒分析是很好的诊断方法 1 1 频谱特征 频谱特征 故障轴承会产生与 1X 基频倍数不完全相同 的振动分量 换言之 它们不是同步的分量 对振动分析人员而言 如果在振动频谱中发现 不同步分量那么极有可能是轴承出现故障的警 告信号 振动分析人员应该马上诊断并排除 是否是其它故障引起的这些不同步分量 2 如果看到不同步的波峰 那极有可能与轴承磨损相关 如果同时还有谐波和边频带出现 那么轴承磨损的可能性就非常大 这时候你甚至不需要再去了解轴承准确的扰动频率 2 2 扰动频率计算 扰动频率计算 有四个与轴承相关的扰动频率 球过内圈频率 BPI 球过外圈频率 BPO 保持架 频率 FT 和球的自旋频率 BS 轴承的四个物理参数 球的数量 球的直径 节径和 接触角 其中 BPI 和 BPO 的和等于滚珠 滚柱的数量 例如 如果 BPO 等于 3 2 X BPI 等于 4 8 X 那么滚珠 滚柱的数量必定是 8 轴承扰动频率的计算公式如下 轴承扰动频率的计算公式如下 注意 BS 的值可能会加倍 因为所给的公式针对的是球撞击内圈或外圈的情况 如果 有庇点的滚球 滚柱同时撞击内圈和外圈 那么其频率值应该加倍 需要说明的是由于受到各种实际情况如滑动 打滑 磨损 轴承各参数的不精确 如 直径可能不完全精确 等的影响 我们所计算出来的频率值可能会与真实值有小范围的差异 3 对于四个扰动频率计算还有一个近似的经验公式可供参考 对于 8 12 个滚珠 滚柱 的轴承 BPO 通常等于滚珠数量的 0 4 倍 BPI 是滚珠数量的 0 6 倍 而 FT 等于 0 4 X 3 3 轴承失效的九个阶段 轴承失效的九个阶段 有人把轴承失效划分为四个阶段 在此我们为了描述得更加详细将它细分为九个阶段 第一阶段 第一阶段 在轴承失效的最初阶段 其频率范围大约在 20 KHz 60 KHz 之间 或更高 有多 种电子设备可以用来检测这些频率 包括峰值能量 HFD 冲击脉冲 SEE 等超音波测 量装置 在这个阶段 普通的频谱上不会出现任何显示 第二阶段 第二阶段 由于轴承上的庇点增大 使它在轴承固有频率处发出铃叫声 同时固有频率周围还出现 边频带 4 第三阶段 第三阶段 出现轴承故障频率 开始的时候我们只能观察到这个频率本身 图中所示为轴承内圈故 障时的频谱显示 当轴承磨损进一步加剧后 在故障频率 例子中的 BPI 处的波峰值将会 升高 大多数情况下波峰值将随着时间线性增加 第四阶段 第四阶段 随着故障的发展 故障频率将产生谐波 这表明发生了一定程度的冲击 故障频率的谐 波有时可能会比基频波峰更早被发现 因此 我们首先要查找频谱中的非同步波峰 并查证 是否有谐波 对应的时域波形中同时也会出现冲击脉冲的显示 故障频率及其谐波的幅值在开始阶段都比较低 如果你仅仅通过线性坐标图表来查看数 5 据 很容易错过这些重要的故障信号 因此 建议结合对数坐标来进行分析 从而及时发现 轴承故障的早期显示 一般要进行轴承的早期故障预报 应该使用加速度传感器 能够突出信号中的高频成分 第五阶段 第五阶段 随着故障状态的恶化 轴承的损坏更加严重 振动级将继续升高 同时出现更多的谐波 由于故障自身的性质 这时还会出现边频带 时域波形上的尖峰波将更加清晰和明显 你甚 至能够通过测量尖峰间的时间间隔来计算故障频率 高频率的轴承检测 如峰值能量和冲击 脉冲所得到的趋势都在持续上升 此时引起调制的原因有二个 第一种情形是当内圈出现故障时 如果它位于加载区域时 产生的冲击会更加剧烈 从而产生更高的振幅 当内圈故障位置移出加载区后 其振幅又会 降低 并在轴承顶部达到最小值 在这种情况下内圈的故障频率将被 内圈的 旋转频率所 调制 于是我们可以在频谱中看到 1 X 边频带出现 如果滚珠出现问题 也会因相同的原因 产生调制 当滚珠运转在载荷区会产生比运转 6 在非载荷区更强烈的冲击 越接近载荷区 振幅越高 滚珠沿轴承以保持架频率 FT 滚动 该频率低于 1 X 典型的 FT 大约等于 0 4 X 当我们能够从频谱中观察到谐波 特别是边频带后 轴承上的磨损就已经能够用肉眼观 察到了 这时候 你就可以建议更换轴承了 第六阶段 第六阶段 1X 处的幅值增大 并出现 1X 的谐波 这是由于磨损引起间隙增大的结果 第七阶段 第七阶段 现在我们看见故障频率及其边频带变成峰丘状 经常被叫作 干草堆 这是由于宽带噪 声所致 在靠近机器的地方 你还能听到轴承发出的噪声 在这个阶段 高频率的轴承测量 值可能会逐渐减少 如果你用测量工具测到的振幅有下降趋势 不要以为是情况出现好转 而应该尽快去定购用来更换的轴承了 第八阶段 第八阶段 频谱中的 干草堆 将继续扩大 谐波随着松动的增加而增大 高频率的轴承测量显示 出的趋势可能会继续降低 但重要的是整个噪声水平都在上升 你能清晰的听到轴承发出的 声音 这预示着轴承即将报废 7 第九阶段 第九阶段 到了这个阶段以后 频谱会变得平直 因为机器已经不能运转了 滚动轴承诊断口诀滚动轴承诊断口诀 内圈外圈滚动体 特征频率要牢记 确有轴承故障存 频率成分难再隐 先看频谱低频处 非同步的看有无 若有非同步成分 故障已可定三分 特征频率谐波存 对应故障无疑问 再看频谱高频处 调制存在故障明 外圈特征转频调 松动现象无疑问 内圈故障转频调 亦可作证据成分 特殊情况特殊看 诊断故障有分寸 单一频率若存在 是否轴承需辨认 高频也是很重要 早期故障高频分 低频没有高频有 时常跟踪要勤奋 损坏若是很严重 高频抬起有空洞 及时更换莫侥幸 时刻避免事故生 故障机理把握清 是是非非要分明 润滑状况常检测 调试装配莫放松 诊断轴承有诀窍 相信科学错不了 三 滚动轴承振动分析相关技术三 滚动轴承振动分析相关技术 1 1 解调频谱及在滚动轴承诊断中的应用 解调频谱及在滚动轴承诊断中的应用 8 振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息 并且可以跟踪轴承的故 障发展 在轴承故障的不同阶段中以不同的信息反映轴承不同的故障状态 使用和认识解调 使用和认识解调 前面已经论述了如下事实 在轴承故障的早期阶段可以观察到在机器固有频率处的振动 轴承在固有频率上产生 鸣叫 轴承的损坏所引起的冲击导致轴承 鸣叫 因此 我们 实际得到的是故障频率的边频带 如在第二阶段上的图示 在轴承失效的晚期 我们也能 观察到在 1X 边频带或保持架转速的边频带调制 他们分别代表了轴承内圈和滚珠的故障 如在第五阶段上的图示 解调 解调 结合上述两种情形 我们会想 如果能够检测到故障频率边频带的轴承共振是否就还能 给出非常早的轴承磨损警告呢 答案是肯定的 但是由于测量的是高频低幅信号 因此它容 易被其他振源信号所掩盖 一种解决方法就是对信号进行解调 简单的说 就是首先使用高 通滤波器过滤主要的低频成份 然后进行检波 接着为了抗混频还需要使用低通滤波器去除 高频信号 仔细查看频谱 你会在原始信号中发现许多振动源 特别是那些比轴承共振幅值还高的 地方 如果我们查看时域波形 会发现正弦信号与密集的高频杂波相伴 动态的高频杂波来 源于轴承的 鸣叫 首先是要通过高通滤波器滤掉低频信号并让高频信号通过 滤波器可以设置成让高于 2000HZ 的频率通过 用于轴承分析 结果信号仍然包含高频成份 但较高振幅的信号应 已经被过滤掉了 时域波形上也只剩下轴承的冲击信号 这才是最重要的信息 9 其次 我们将频率坐标上部的边频带 迭放 到 基带 上 可以用解调器来实现 实 际上它就相当于一个典型的整流器 翻转所有的负向信号 整流的过程中会去掉负向信号 剩下的就只是正向信号了 如 Rectified signal 整流信号图所示 10 之后 我们滤掉来自其他调制源的残余信号 一些解调器产品允许手动控制滤波器 然 而大多数情况下该功能都由数据采集器中的抗混频滤波器来完成 基于选择的频率范围 对时域波形而言 所有的高频信息都被滤掉 有人也把它叫做 包络检定器 解调测试最重要的是选择频率范围 一般的原则是 范围应控制在 15 20X 也就是运 行速度的 15 20 倍 之间 我们的目的是要确保最后只留下需要的调制信号 机器可能多 半会有其他的调制信号源 因此最佳的规则是 把频率范围设定为整个边频带宽度的一半 到最后 留下的信号应该是有一系列很强的谐波 这取决于故障的严重程度了 解调频谱与普通振动频谱相比有些不同 你不是根据振幅大小来确定故障的严重程度 而是 通过测量数据间的对比分析来进行判断 最重要的是将波峰和噪声水平进行比较 一般说来 当损坏程度较低时波峰将非常小 随着故障破坏的进一步发展 振动波峰将逐渐从噪声中凸显出来 11 当出现严重故障时 波峰值将高出噪声水平约 20 dB 100 X 当轴承破坏非常严重处于前面所述的第七或第八阶段时 噪声水平将上升到接近波峰处 这 是一个非常糟糕的信号 预示着轴承即将完全失效 该过程也可适用于机器的其它故障分析 齿轮啮合分析 电机电流分析 电动机气隙偏 心分析和其它调制信号源 注 在齿轮箱中经常会发生频率调制 这可能导致分析振幅解 调数据时得到错误的结果 这个问题已超出本讨论的范围 但必须对此有所认识 轴承的解调测试的一个好处是能够帮助你查明具体哪个轴承出现了故障 如果你不知道轴承 的详细参数 也不知道故障频率 或你知道了故障频率 但机器上有多个同样的轴承 那么 我们可以对所有的轴承进行检测 或只取其一个作诊