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滚动轴承状态检测与故障诊断目 录摘 要1关键词1Abstract1Key words1第1章 绪论2一、滚动轴承的失效形式21滚动轴承的疲劳失效22滚动轴承的胶合失效23滚动轴承的磨损失效24滚动轴承的烧伤失效25滚动轴承的腐蚀失效26滚动轴承的破损失效37滚动轴承的压痕失效3二、设备故障诊断技术的发展概况3第2章 设备故障诊断的技术基础和振动诊断方法4一、设备故障诊断的概述4二、设备故障诊断技术常见方法41时域分析法52频域分析法53时频分析法54智能诊断5第3章 滚动轴承的主要诊断方法6一、振动信号简易诊断法6振幅值诊断法6波形因数诊断法6波峰因数诊断法6概率密度诊断法6二、油液分析诊断7三、温度监测诊断法7四、间隙（游隙）监测诊断法7参考文献8致 谢9摘 要：滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相联的转轴以及安装在转轴上的齿轮乃至整个机器设备的性能。据统计，在使用轴承的旋转机械中，大约有30的故障都是由于轴承引起的。因此，研究滚动轴承的失效机理，提出相应的预防和维护措施，对于降低设备的维修费用，延长设备维修周期，提高经济效益，保证设备的长期安全稳定运行，均有现实的意义。关键词：滚动轴承；故障；振动；诊断Abstract：Rolling bearing is the mechanical equipment is the most common parts, its performance and modes of the direct influence on the shaft and the associated with the gear axis installed in the whole machine equipment performance. According to statistics, in the use of rotating machine, bearing about 30% of the fault is due to bearing cause. Therefore, the study of rolling bearings failure mechanism and corresponding preventive and maintenance measures, for reducing the equipment of the cost of maintenance of the equipment, prolong maintenance cycle, to improve the economic benefit and guarantee the safe and stable operation of the equipments long-term, all have realistic significance. Key words：Bearing；vibration；fault；diagnosis第1章 绪论滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相联的转轴以及安装在转轴上的齿轮乃至整个机器设备的性能。据统计，在使用轴承的旋转机械中，大约有30的故障都是由于轴承引起的。一、滚动轴承的失效形式1滚动轴承的疲劳失效滚动轴承在其接触应力的作用下，通过多次应力循环后，便会出现小片或小块金属从套圈或滚动体工作表面上剥落的情况，形成凹坑，从而引起振动，增大噪声增大，加剧磨损，导致轴承不能正常工作。滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。滚动轴承的疲劳失效损伤结果是：使滚动体或滚幼表面产生剥落坑，并向大片剥落发展导致轴承失效。2滚动轴承的胶合失效所谓胶合是指一个表面的金属粘附到另一表面的现象。在润滑不良，高速重载的情况下，由于摩擦发热，滚动轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面损伤及损坏。滚动轴承的胶合失效损伤结果是：导致表面烧伤，并使金属从一个表面从一个表面粘附到另一个表面。3滚动轴承的磨损失效滚道和滚动体之间的相对运动，以及尘埃异物进入轴承引起表面磨损，再加上润滑不良，这些都会加剧轴承的磨损，使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，导致轴承运转精度降低，进而也使机器的运动精度降低，表现为振动水平及噪声的增大。4滚动轴承的烧伤失效当轴承装配不良，或者润滑不当时，轴承的滚道面或者滚动体面上的微小突起或硬质颗粒使接触面受力不均匀，局部摩擦产生的热量会使局部表面变形，严重时局部表面软化或者熔体，降低轴承的使用寿命。5滚动轴承的腐蚀失效当水分直接进入轴承时，就会引起轴承的腐蚀。当轴承工作时，轴承的温度较高，轴承停止工作时，轴承及其周围的温度降低，周围空气中所含的水分会凝结在轴承表面形成水滴，会引起轴承的锈蚀。另外，当有电流通过轴承内部时，轴承的滚道和滚动体之间的接触点上产生电火花，在加上轴承里薄薄的油膜，会使局部表面熔融，在局部表面上形成凹凸不平的波纹，这将降低高精度轴承的工作精度，使其不能正常工作。6滚动轴承的破损失效过高的载荷会可能引起轴承零件产生裂纹或断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，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。7滚动轴承的压痕失效由于滚动轴承承受的静载荷过大，冲击载荷过大，异物进入引起轴承的压痕失效，装配不当，滚道承受载荷不均匀也是引起滚动轴承压痕失效的主要原因。当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。二、设备故障诊断技术的发展概况当前，我国已高度重视故障诊断技术的发展，加大设备故障诊断技术的开发与应用力度。一些民用工业，比如冶金、石化及电力等流程工业，积极走在前列。例如，宝山钢铁集团公司和太原钢铁公司为开展诊断技术的试点单位，建立丁振动、红外和铁谱三个实验室。国内的部分重点理工类高校也积极培养从事设备故障诊断的博士生、硕士生等高等人才，比如西安交通大学、上海交通大学、东北大学、北京科技大学、南京航空学院、哈尔滨工业大学等等。另外，在重点理工大学设立设备故障检测与分析中心，高校与企业合作，高校为企业提供技术支持与服务。例如，东北大学与唐山钢铁集团公司合作研制了650mm轧机轧制力矩在线监测系统、4650mm轧机工作状态监测系统，又与本钢合作研制了1150mm万能板坯轧机工作状态监测系统，开发出轧钢机工作状态监测系统列入国家“八五”重点科研成果推广计划。在国际上，设备故障诊断技术的研究工作起步较早的美国、日本、英国、德国、瑞典等国在故障诊断某些方面处于领先地位。第2章 设备故障诊断的技术基础和振动诊断方法一、设备故障诊断的概述随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化和智能化，设备在生产中的地位越来越重要，对设备的管理也提出了更高的要求，能否保证一些关键设备的正常运行直接关系到一个行业发展的各个层面。现代化工业生产一旦因故障停机损失将是十分巨大。因此，设备诊断这一技术，日益引起人们的重视，并在理论和实践应用方面得到了迅猛发展。设备诊断技术是伴随科学技术与生产高度发展的，多学科间相互渗透、相互交叉、相互促进，形成的一个新兴学科。设备诊断技术是一种检测和掌握设备在工作过程中的状态，确定其整体或局部是否正常，早期发现故障并查明原因，并能预测故障发展趋势的技术。简单地讲，这是一种给设备“看病”的技术。需要指出的是，这里提到的“设备”通常指机械设备或某些电气设备。设备诊断技术的目的是“保证可靠地高效地发挥设备应有的功能”。具体是指：要保证设备无故障地可靠地工作；要保证设备尽可能地能其最大的作用或效益；还要保证在设备出现故障时，能及时诊断出来设备的故障，并正确维修，减少维修时间，提高维修质量、节约维修费用等。故障诊断的主要意义在于对设备执行计划性状态维修，早期预报设备故障的发展，准确识别和评价故障的原因、部位、危险程度等，迅速查找故障源，提出对策建议，并针对具体情况迅速排除故障，避免或减少事故的发生，以保证生产的顺利进行。随着科学技术与生产的高度发展，机电设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，设备也更加复杂，各部分的关联程度更加密切，从而往往因为一处微小的故障爆发链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏，这些都使设备故障诊断技术日益获得重视与发展。这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。二、设备故障诊断技术常见方法设备故障诊断技术已经发展成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它可简单的划分为传统的诊断方法、数学诊断方法以及智能诊断方法。目前常用的方法有：1时域分析法时域分析法是滚动轴承故障诊断技术发展最早的一种方法。在时域诊断中，通过相关分析和时序分析提取信号特征，普遍采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征进行诊断分析，如均值、有效值、峰值和无量纲因子判别方法等。滚动轴承故障诊断最为常用的一种信号增强方法是时域同步平均法，对滚动轴承振动信号进行采样，再将采样得到的多周期的信号进行同步平均，从而得到时域同步平均信号。这是一种降低其他部件和振动源对信号的干扰，提高信噪比的有效方法。2频域分析法频域分析方法是将时域波形经过快速傅里叶变换（FFT）转换成频谱图，根据振动信号的频谱特征进行诊断分析，其频谱特征如特征频率、幅值、无量纲判别因子等，到达对滚动轴承故障的精密诊断。在滚动轴承诊断技术中常用的频谱图有全息谱、幅值谱、相位谱、功率谱等。需要注意的是，在对滚动轴承振动信号作频谱分析时必须有足够高的频率分辨率，通常采用细化谱分析技术可以提高分辨率。3时频分析法采用普通的时域分析和频谱分析无法同时反映信号的时域特征和频域特征。然而，时频分析法弥补这个不足，既能够反映时域特征又能够反映频域特征，很好的描述了滚动轴承故障特征的全貌，常用的时频分析方法有短时傅立叶变换、小波变换、小波包分析等。4智能诊断智能诊断是将计算机人工智能与诊断理论相结合的一种诊断方法。以知识工程(知识库)为基础，在串行运行的格式中模拟人脑的逻辑思维，实现严格的诊断推理的基于知识的专家系统和以神经网络结构为基础，在大规模并行运算格式中模拟人脑的物理结构的基于网络的智能诊断系统是当前滚动轴承诊断领域中最常用的两类人工智能诊断系统。智能诊断系统与各种现代理论结合起来，充分利用各自的优势，取长补断，处理更复杂的故障诊断问题，获得更佳的诊断结果，如将模糊集理论与专家系统结合起来形成模糊专家系统，将小波用于神经网络可以形成小波神经网络等。第3章 滚动轴承的主要诊断方法利用滚动轴承的振动信号分析故障诊断的方法可分为简易诊断法和精密诊断法两种。简易诊断的目的是为了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出现了故障的轴承的故障类别及原因。一、振动信号简易诊断法振幅值诊断法这里所说的振幅值指峰值XP、均值X（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。这是一种最简单、最常用的诊断法，它是通过将实测的振幅值与判定标准中给定的值进行比较来诊断的。波形因数诊断法波形因数定义为峰值与均值之比（XP/X ）。该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。当XP/X 值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而XP/X 小时，则有可能发生了磨损。波峰因数诊断法波峰因数定义为峰值与均方根值之比（XP/Xrms）。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。该值适用于点蚀类故障的诊断。通过对XP/Xrms值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障时，XP/Xrms，为一较小的稳定值；一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故XP/Xrms增大；当故障不断扩展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，XP/Xrms逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。概率密度诊断法轴承由于磨损、疲劳、腐蚀、断裂、压痕、胶合等因素会使轴承振幅增大，振动谐波增多，高密度区增高，而两旁的低密度区向外扩张。此时利用峭度作为诊断特征量将很有效。二、油液分析诊断油液分析应采用系统的方法，只采用单一手段往往会因其局限性而导致不全面的诊断结论，容易产生漏报或误报。实践证明，由以下五个方面，即理化分析、污染度测试、发射光谱分析、红外光谱分析、铁谱分析构成的油液分析系统在设备状态监测与故障诊断工作中可以发挥重要作用，其诊断结果与现场实际基本吻合，具有显著的经济效益与社会效益。三、温度监测诊断法当滚动轴承产生损伤时，轴承的温度就会发生变化，因此可通过监测轴承温度来诊断轴承故障。但是，这种检测方法不容易检测到较低的温度变化，然而当温度有明显的变化时，故障应经达到了严重的程度，因此无法发现早期故障。另外，温度测量虽然方法简单，但