滚动轴承故障振动检测方法.pdf

滚动轴承是机械设备中最重要的零件之一 它 的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性 能 如精度 可靠性 寿命等 从振动信号中提取反 映振动状态的信息和参数是科学研究和工程实际应 用中经常采用的方法之一 在运转的设备中 轴承 承受各种动载荷将引起振动 从而对机组的寿命 可 靠性有重要影响 另外 振动是最重要的信息来源 是机械设备运行状态信息的载体 它蕴含了丰富的 机械设备异常或故障信息 振动特征是机械设备运 行状态特征的本质反映 通过振动测试对机械设备 或结构的运行状态和可能出现的故障提出预测 估 计 判断 并为设备的更换和修复乃至生产过程提供 决策依据 因此本文的研究具有重要的实际意义 1滚动轴承故障信号的特点 滚动轴承最常见的故障是磨损 润滑不良 轴 承超载 异物落入 安装不良 锈蚀等原因通常会引 起工作表面疲劳剥落 压痕 锈蚀 胶合 断裂等离散 型缺陷或局部损伤 统称为表面损伤类故障 1 表面损伤类故障最大的特点就是有冲击脉冲信 号 脉冲的宽度一般很小 大致为微秒级 频谱范围 则可从直流延展到1 0 0 5 0 0 k H z 冲击脉冲的大小与 冲击速度 轴承转速 及疲劳损伤的大小成正比 由 于内圈 外圈 滚动体及保持架出现故障时产生的冲 击脉冲各不相同 因此可根据冲击脉冲的出现及其 频率判断滚动轴承是否有故障及故障元件 磨损类 故障的最大特点是无明显的冲击脉冲信号 但轴承 整体振动能量大幅增加 当内圈 外圈 滚子出现点蚀等故障时 会产生 一定 特征 频率的冲击 引起轴承振动 机器运行会 出现周期性脉冲 这种周期性脉冲作用时间短 形状 陡峭 根据轴承产生缺陷零件的不同 滚动轴承的缺 陷特征频率如表1所示 表1轴承的缺陷特征频率 内滚道缺陷f i 1 2 1 d D m c o s f rZ 外滚道缺陷f o 1 2 1 d D m c o s f rZ 滚珠缺陷f R S 1 2 1 d 2 D m 2c o s 2 f r D m d 保持架碰外圈f B O 1 2 1 d D m c o s f r 保持架碰内圈f B t 1 2 1 d D m c o s f r 其中 Z 滚动体数目 D m 节圆直径 f r 轴的旋 转频率 f i 内圈转动频率 d 滚动体直径 f o 外圈 转动频率 轴承的压力角 当轴承出现故障后 在其振动频谱中会出现其 特征频率的频谱 但在实际应用中 谱峰的频率并不 总是精确地等于理论计算值 这主要是因为滚动体 并非纯滚动等因素 如实际轴承的几何尺寸的误差 轴承安装后的变形 造成的 所以在频谱图上寻找各 种特征频率时 需要在计算的频率值的上下一定范 滚 动 轴 承 故 障 振 动 检 测 方 法 赵 晓 玲 南通职业大学 南通2 2 6 0 0 7 摘 要 滚动轴承最常见的故障是磨损 磨损类故障的最大特点是无明显的冲击脉冲信号 滚动轴承故障振动诊断方法 主要有特征参数法 频谱分析法和包络法 分别就振动诊断方法中的各类诊断技术及其特点进行分析 关键词 滚动轴承 故障诊断 频谱分析 中图分类号 T H 1 3 3文献标识码 A文章编号 1 6 7 3 1 9 8 0 2 0 0 7 0 1 0 0 4 1 0 4 收稿日期 2 0 0 6 1 1 2 7 作者简介 赵晓玲 1 9 6 4 女 江苏南通人 南通职业大学高级讲师 主要研究方向 机械设计与制造 第9卷第1期重庆科技学院学报 自然科学版 2 0 0 7年3月 4 1 围内找与其近似的值来进行诊断判断 2滚动轴承的振动特征分析方法 2 1特征参数法 在滚动轴承状态监测和故障诊断的振动特征 分析中 特征参数法占有重要位置 特征参数法的 优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态 结果 分析简单和方便 此外 采用特征参数法评定轴承 状态时不需要轴承以前的历史记录 这是此技术另 一项具有吸引力的特征 2 在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效 值 峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种 频域参数 下面结合实测数据对各种特征参数进 行分析 2 1 1时域特征参数 a 有效值 R M S V a l u e 有效值又称均方根值 滚动轴承振动的瞬时值随着时间而不断地变化 作 为表示这种振动变化大小的方法 广泛地使用有效 值 有效值是振动振幅的均方根值 定义如下 3 X R M S 1 N N i 1 x 2 i 1 其中 x i 为采集的信号 i 1 N N为采样点数 由于有效值是对时间平均的值 所以对表面磨 损那样的无规则振动波形的异常 其测定值的变动 小 并可以给出恰当的评价 但是 对表面剥落或压 痕那样的具有瞬变冲击振动的异常是不适用的 其 原因是由于冲击波峰的振幅大 但持续时间短 如对 时间平均 那么有无峰值的差异几乎表现不出来 b 峰值 P e a k V a l v e 峰值反映的是某时刻振 动的最大值 其计算方法如下 设利用某一峰值记数法已从 x i 的N个值中找 出n个峰值 X p j j 1 n 则 x i 的峰值为 X P e a k 1 n n j 1 X p j 2 简单的方法还可以把 x i 的N个采样点分成若 干段 在每一段中找出一个绝对值最大的采样点作 为该段的峰值 然后再对各段的峰值取平均值作为 总的峰值 峰值适用于表面点蚀损伤等具有瞬时冲击的 故障诊断 特别是对初期的表面剥落 非常容易由 峰值的变化检测出来 另外 对于转速较低的情况 如3 0 0 r m i n以下 也常采用峰值进行诊断 但它 也有对轴承内部滚动体对保持架的冲击 灰尘等原 因发生的瞬时振动及突发的外部干扰比较敏感的 缺点 所以比起有效值来 测定值的变动可能很大 c 峰值因子 C r e s tF a c t o r 峰值因子定义为 峰值与有效值之比 C XP e a kXR M S 3 峰值因子用于滚动轴承诊断的优点在于它不受 轴承尺寸 转速及负荷的影响 也不受传感器 放大 器等一 二次仪表灵敏度变化的影响 该值适用于点 蚀类故障的诊断 通过对峰值因子值随时间变化趋 势的监测 可以有效地对滚动轴承进行早期预报 并 能反映故障的发展趋势 当滚动轴承无故障时 峰值因子为一较小的稳 定值 一旦轴承出现了损伤 则产生冲击信号 振动 峰值明显增大 但此时有效值尚无明显的增大 故峰 值因子增大 当故障不断扩展时 峰值逐步达到极限 值后 有效值则开始增大 这样峰值因子又逐步减 小 直至恢复到无故障时的大小 峰值因子对表面磨损故障几乎没有检出能力 d 峭度指标K v K u r t o s i s 峭度指标K定义为 归一化的4阶矩 对零均值的振动信号x t 峭度指 标定义为 K v x 4 p x d x x 2 p x d x 2 4 其中p x 为x t 的概率密度分布函数 对于其振幅满足正态分布规律的无故障轴承 其峭度指标值约为3 随着故障的出现和发展 峭度 指标值具有与峰值因子类似的变化趋势 其优点也 在于与轴承的转速 尺寸和负荷无关 但主要适用于 点蚀类故障的诊断 表2表明了某轴承状态与峭度 指标的关系 表2某轴承状态与峭度指标的关系表 e K因子 KF a c t o r K因子定义为峰值和有效 值的乘积 K X R M S XP e a k 5 信号中峰值和有效值的增加都将导致K因子 的增大 因此既可用来检测磨损类故障 也可检测表 面损伤类故障 但由于K因子也是有量纲的参数 因此同均方根值和峰值一样对转速和载荷敏感 f 脉冲指标 脉冲指标定义为峰值与均值的比 值 I XP e a kX 有故障时 故障引起的冲击力或 摩擦力激发起轴承的高频振动 能量向中频段及高 频段转移 信号的功率谱反映了信号的能量随频率 的分布情况 即反映了信号中的频率成分以及各频 率成分的能量大小情况 一方面 当信号中各频率 成分能量比发生变化时 功率谱主能量的谱峰位置 也将发生变化 另一方面 当信号的频率成分增多 时 功率谱上能量分布将表现为分散 当信号中频率 成分减少时 功率谱上能量分布将表现为集中 由 此可以看出 通过描述功率谱中主频带位置的变化 以及谱能量分布的分散程度 可以较好地描述信号 频域特征的变化 4 频域参数主要有以下几个 a 重心频率F C F C 0 f S f d f 0 S f d f 9 b 均方频率M S F M S F 0 f 2 S f d f 0 S f d f 1 0 c 均方根频率R M S F R M S F M S F 1 1 d 频率方差V F V F 0 f F C 2 S f d f 0 S f d f 1 2 e 频率标准差R V F R V F V F当出现局部损伤类故障时 由于冲击引起 的共振 主频区右移 F C增加 上述这些时域和频域参数各有其适用范围 主 要用于简易诊断 单独使用某一种指标往往不能得 到准确的结果 因此 在实际应用中应综合使用 以 便获得较好的效果 5 2 2频谱分析法 利用特征参数可以对轴承进行简易诊断 即判 断轴承是否有故障 发现故障后 就应进一步通过振 动信号的频率分析 以判明故障的类别和原因 滚动 轴承的振动其频率成分十分丰富 既含有低频成分 又含有高频成分 每一种特定的故障都对应特定的 频率成分 需要通过适当的信号处理方法将特定的 频率成分分离出来 从而指出特定故障的存在 6 轴承信号的频谱分析是最有用的诊断与故障检 测方法 但这种方法需要知道关于轴承几何结构和 运行状态的细节 其次频谱分析法用于提取在低频 和中频带中的轴承故障特征频率及其谐波 但由于 部分轴承故障特征频率接近由机器的其它部件激发 的频率 从而很难识别 2 3包络法 目前有数种通过高频振动冲击脉冲来监测和 识别滚动轴承故障的方法 基于对高频冲击激励产 生的信号的包络的频谱分析法经证明极为有效 包 络法的优点包括它能区分同时发生在同一个轴承中 的数种故障特征的特征 这大大提高了故障识别的 确定性 包络法将与故障有关的信号从高频调制信 号中取出 从而避免了与其它低频干扰的混淆 具有 极高的诊断可靠性和灵敏度 当轴承某一元件表面出现局部损伤时 在受载 轴承状态 歪度指标 正常 1 6 0 4 外圈剥落 3 1 7 5 5 内圈剥落 2 2 9 1 滚动体剥落 2 6 2 5 赵晓玲 滚动轴承故障振动检测方法 4 3 S t u d y o nP r o p e r t i e s o f I g n i t i o n p r o o f Ma g n e s i u mA l l o y L O N GZ h i h u i J I A N GH a n x i a n gL I A N GL iL I NL i n C h o n g q i n g U n i v e r s i t y C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 A b s t r a c t S e t t i n g A Z 9 1 Da s a n e x a m p l e t h e p a p e r d i s c u s s e s t h e c h a n g e o nt h e i g n i t i o n p r o o f p r o p e r t i e s p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f m a g n e s i u ma l l o y a f t e r t h e m e t a l l i c e l e m e n t i s a d d e d Me a n w h i l e s o m e s u g g e s t i o n s a n d i t s u s e f u l v a l u e o n t h e r e s e a r c h o f i g n i t i o n p r o o f m a g n e s i u ma l l o y a r e g i v e n a t l a s t K e y w o r d s i g n i t i o n p r o o f m a g n e s i u ma l l o y p r o p e r t i e s 运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲 力 由于冲击脉冲力的频带很宽 包含轴承组件 轴 承座 机器结构及传感器的固有频率 所以必然激起 测振系统的共振 因此 测得的振动加速度信号包 含着多个载波共振频率 以及调制于其上的故障特 征频率和其谐波成分 从而可以根据实际情况选取 某一共振频率为中心 以一定带宽进行带通滤波 去 除不必要的频率成分 然后用软件或硬件方法进行 解调处理 即可得到包含故障特征频率及其倍频成 分的低频包络信号 对包络信号进行频谱分析就可 以很容易地诊断出轴承的故障来 包络法适用于局 部损伤类故障 对于磨损类故障和间隙增大故障也 有一定的效果 但是在大多数情况下 包络法需要 人工判断 包络谱有时十分复杂 难以直观识别 对 操作者的技术水平要求较高 3结语 对滚动轴承的故障预测和诊断技术是近年来 国内外发展的重点 经过数十年的发展 在现有的 各类诊断技术中 振动监测方法仍然是最主要的一 种方法 总体来说 时域特征参数方法比较简便 适宜于 噪声干扰小的场合 是简易诊断的好方法 频域诊断 方法中 包络法最为可靠 而且非常成熟 适宜于轴 承故障的精密诊断 参考文献 1 雷继尧 丁康 轴承故障诊断 M 西安 西安交通大学出版 社 1 9 9 1 2 梅宏斌 滚动轴承振动监测与诊断 M 北京 机械工业出 版社 1 9 9 5 3 李国华 张永忠等 机械故障诊断 M 北京 化学工业出版 社 2 0 0 2 4 万长森 滚动轴承的分析方法 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 6 5 陈进 机械设备振动监测与故障诊断 M 上海 上海交通 大学出版社 1 9 9 9 6 徐敏 设备故障诊断手册 M 西安 西安交通大学出版社 1 9 9 8 7 黄文虎 夏松波 刘瑞岩 设备故障诊断原理 技术及应用 M 北京 科学出版社 1 9 9 6 8 寇惠 原培新 故障诊断中的振动信号处理 M 北京 冶 金工业出版社 1 9 8 9 9 璞良贵 纪名刚 机械设计 M 北京 高等教育出版社 2 0 0 0 赵晓玲 滚动轴承故障振动检测方法 T h e V i b r a t i n g D i a g n o s i s Me t h o df o r R o l l i n g B e a r i n g F a u l t Z H A OX i a o l i n g N a n t o n gV o c a t i o n a l C o l l e g e N a n t o n g 2 2 6 0 0 7 A b s t r a c