机械故障诊断学

机械故障诊断学,第六章 滚动轴承的振动监测技术,6.1 滚动轴承失效的基本形式6.2 滚动轴承振动剖析和监测6.3 光纤检测技术6.4 接触电阻法,6.1 滚动轴承失效的基本形式,磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式。在滚动轴承运转中，滚动体和套圈之间均存在滑动，这些滑动会引起零件接触面的磨损。尤其在轴承中侵入金属粉末、氧化物以及其他硬质颗粒时，则形成严重的磨料磨损，使之更为加剧。另外，由于振动和磨料的共同作用，对于处在非旋转状态的滚动轴承，会在套圈上形成与钢球节距相同的凹坑，即为摩擦腐蚀现象。如果轴承与座孔或轴颈配合太松，在运行中引起的相对运动，又会造成轴承座孔或轴径的磨损。,6.1.1 滚动轴承的磨损失效,1,2,3,4,滚动轴承的磨损失效,6.1.2 滚动轴承的疲劳失效,一种材料在远低于正常强度情况的往复交替和周期的循环应力下，产生逐渐扩展的脆性裂纹，这种失效形式称为疲劳失效。造成轴承剥落的主要原因是疲劳应力，有时是由于润滑不良或强迫安装。疲失效常表现为滚动体或滚动道表面剥落或脱皮，初期是在表面上形成不规则的凹坑，以后逐渐延伸成片。,6.1.3 滚动轴承的腐蚀失效,轴承零件表面的腐蚀分三种类型。a. 化学腐蚀，当水、酸等进入轴承或者使用含酸的润滑剂，都会产生这种腐蚀。b. 电腐蚀，由于轴承表面间有较大电流通过使表面产生点蚀。c. 微振腐蚀，为轴承套圈在机座座孔中或轴颈上的微小相对运动使表面产生红色或黑色的锈斑。,6.1.4 滚动轴承的断裂失效,造成轴承零件的破断和裂纹的重要原因是由于磨削或热处理不当而导致的，也有的是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善而产生过大的热应力。,6.1.5 滚动轴承的压痕失效,压痕主要是由于装配不当，也会由于过载或撞击造成表面局部凹陷。或者由于装配敲击，而在滚道上造成压痕。滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。载荷过大时会在滚道表面形成塑性变形凹坑。,6.1.6 滚动轴承的胶合失效,滑动接触的两个表面，为一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象称为胶合。对于滚动轴承，当滚动体在保持架内被卡住或者润滑不足、速度过高造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子上而形成胶合。其胶合状为螺旋形污斑状。还有的是由于安装的初间隙过小，热膨胀引起滚动体与内外圈挤压，致使在轴承的滚道中产生胶合和剥落。,当轴承元件的工作表面出现疲劳剥落、压痕或局部腐蚀时，机器运行中就会出现周期性脉冲。脉冲作用时间短、形状陡峭。如下图显示：,根据产生缺陷的元件不同，脉冲频率可如下计算：,6.2 滚动轴承剖析和监测,其中z为钢球数；d为钢球直径；E为滚道节径；a为接触角；f为回转频率，等于每秒转数。 目前，直接利用这一频带来进行诊断故障已不多见，主要是因为受到噪声，特别是机器中的流体动力噪声的干扰太大，信号比太低。,为了避开流体动力噪声的干扰，提高诊断信号的信噪比，目前多采用2060 KHZ的频带作为诊断频带。由于轴承元件的固有频率取决于本身的材料、外形和质量，因此振动和轴的回转频率无关。,下图是一个航空轴承专用的滚动轴承试验台上试验所得到的谱图，可看的三个谱峰。,对于安装在机器中的滚动轴承振动进行监测时，首先要考虑金属结构传递振动信号的通道性质。传递通道中的中间界面越多，对信号的歪曲就越大，最好尽量减少通道中的中间界面数目，只有一个轴承套圈和座孔间的界面。,如下图是锤击安放在座孔内的轴承套圈，在外壳表面用加速度传感器接收到的脉冲响应。图中A、B、C分别为单通道、多通道和混响三种情况。混响是信号在壳体中多次反射后迭加而成，最难识别的。,目前，直接测量轴承损坏出现的脉动频率，仅在简单机器中还采用，称之为低频信号接收法。当前比较普遍的方法是谐振信号接收法。此方法，以3040KHZ为监测频带，其他零件的谐振频率均远离3040KHZ被监测的滚动轴承正常运行时，不会出现共振峰，损坏时监测的谐振信号有传感器接收，经过电荷放大器放大和滤波器滤波，可获得较强的监测信号。,下图是低频信号接收法和谐振信号接收法都是避开传感器的一阶谐振频率区来选择监测频带的。,下图是用包络法对信号分析的过程：,下图是低频信号接收法和包络法的比较： 图a、c为正常情况下分别用两种方法得到的谱图； 图b、d为有缺陷情况下分别用两种方法得到的谱图。,MEGA5270型的测振仪的故障指标：,此公司对炼油的监测程序和状态：,3、光 6.3 光纤检测技术纤,光纤监测技术的原理：光纤纤维束制成的位移传感器包含有发送光纤束和接受光纤束；光线由发送光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙，反射回来，再由接收光纤束接收，经过光电元件转换为电压输出。基本原理如图6-14a所示。间隙量d改变时，导光锥照射在轴表面的面积也会改变。传感器输出电压-间隙量特性曲线如图6-14b所示。,在图6-14b中，刚开始，导光锥照射在轴承表面的面积越来越大，接收光纤束的照度不断增大，直到达到峰值。之后，当间隙量继续增大，接收光纤所接收的照度与间隙量的平方成发比，其输出电压逐渐降低。优点：高灵敏度、外形细长、便于安装。,光导纤维位移传感器的种类：a、随机分布式；b、相间分布式；c、圆环分布式三种分布式中，圆环状分布式最为常用，等间隔分布最为灵敏，但制造起来最为困难。,采用光纤传感器，可以减少或消除前述振动传递通道的影响，从而提高信噪比。可以直接反映滚动轴承的制造质量，轴承的载荷、润滑和间隙的情况以及进行现场动平衡。采用的指标有方根幅值、峰值均方根幅值比、轴承速率比。,方根幅值RMS：轴承由于其零件的制造缺陷，运行时就会产生振动。光纤传感器接收后，即可得到图6-17所示的RMS脉动波形。,理想的轴承RMS脉动波形,精度最低的轴承RMS脉动波形,峰值均方根幅值比PK/RMS:峰值与均方根幅值的比值，不仅可以反映轴承表面的粗糙度，而且也可以将轴承零件上有局部的剥落、凹坑一类缺陷也可以反映出来。当PK/RMS1.5时，则可以认为轴承零件有局部缺陷产生。,轴承速率比BSR：其定义为钢球通过频率与轴的回转频率之比。BSR值取决于轴承的载荷和间隙的大小以及轴承的润滑状况。当BSR值偏高时，可能是载荷过高，润滑不良，或者轴承间隙过大；当BSR值偏低时，可能是载荷不足、润滑过多或者轴承间隙过小。,阴影部分是轴承正常工作时的BSR值,6.4 测接触电阻法,一、接触电阻法：1、基于油膜电阻和剥落、腐蚀、裂纹、磨损后的油膜电阻的差异2、在轴承上加上微弱的电流（约为100mv）3、通过测量轴承接触面间的接触电阻来监测轴承的工作状况。,二、诊断方法的对比1、接触电阻法：磨损、腐蚀等比较敏感2、振动监测法：对剥落、凹坑比较敏感3、两者互补三、其他方法轴承监测是发展的重点，测振、测温、测磨损、测润滑剂都有可能应用。,例如：测温技术：采用热电偶、双金属片、易熔金属以及液晶和温敏涂料等各种手段润滑剂检查：可用目测油标、润滑油成分化验、流量监测以及铁谱、磁塞等方式进行,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因 7.2 齿轮和齿轮箱的振动剖析 7.3 齿轮箱故障诊断 7.4 齿轮传动链的缺陷诊断,第七章：齿轮箱的振动监测技术,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因,造成齿轮箱故障的原因：主要是由于设计不当、制造不良和维护操作不善引起的。提高齿轮箱运行可靠性：改进设计、制造和装配质量提高运行维护水平，对齿轮箱作运行状态的监测，进行故障诊断。,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因,由上图表可知，齿轮本身的失效比重比大，占60%。这说明齿轮箱中齿轮本身的制造和装配质量及其运行维护是关键。,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因,7.1 齿轮和齿轮箱的失效形式和原因,齿轮的啮合的过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。因此齿面的疲劳裂纹是由于两种力综合的效果。在滚动中，齿面接触区内的正压力使表面层深处产生剪应力;齿面的相对滑动，又会使表面产生拉应力。,7.2 齿轮和齿轮箱的振动剖析,齿轮箱产生振动和噪声的机理：由于齿轮具有质量，轮齿可看做是弹簧，因而把齿轮看作是振动系统。由于轮齿的弹簧刚度具有周期变化的性质，制造装配误差的存在以及扭矩的变动所形成激振力的作用，齿轮会产生扭转振动。由于轴、轴承座、轴承的变形以及齿向误差的影响，这一扭转运动将同时诱发径向和轴向的振动。当振动通过轴承和座孔传到箱体时，箱体壁将产生振动并激发空气的振动而转化为噪声。在没有齿轮箱的情况下，齿轮在三个方向的振动将直接激发空气的振动产生噪声。,7.2 齿轮和齿轮箱的振动剖析,7.2 齿轮和齿轮箱的振动剖析,7.2 齿轮和齿轮箱的振动剖析,齿轮振动和噪声分析的一个核心问题，传动误差。定义：一对齿轮副或传动链，在传递恒定的扭矩时，输出轴的实际角位置与理想的、没有误差和变形时输出角位置的差值。影响：是系统振动和噪声的主要激发源，因此，一般情况下齿轮传动在一定频率下的噪声直接与传动误差成正比。如果齿轮的制造和安装能保证在载荷下具有很小的传动误差，则一般就能保证低噪声运行。传动误差的检验效率远比单项误差检验高，在保证低噪声平稳运行的前提下，可以放宽对单项误差指标的要求。,7.3 齿轮箱故障诊断,1.频域诊断：对各种故障在频域中的信号进行分析和判断。（1）均匀磨损：对齿轮的啮合频率及其谐波分量无影响，但会使其幅值改变，高次谐波幅值增大较多。故而需要对多个分量进行分析才可检测出这种磨损。（2）调幅：此现象是由齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。调幅的一个原因是齿轮偏心，调制频率为齿轮的回转频率。,7.3 齿轮箱故障诊断,7-10为齿轮偏 心造成的调幅 现象的频率图。7-11为齿轮缺 陷造成的调幅 现象的频率图。 缺陷越均匀边 频带越高越窄。,6.4,6.4,7.3 齿轮箱故障诊断,（3）调频现象：调幅现象是在假定齿轮的转速恒定且齿距完全均等得到的，若这两个条件有一个不满足，啮合频率就会产生频率调制。实际中，齿面压力波动产生产生调幅现象时也会是扭矩产生波动，而使角速度 发生变化产生调频现 象。这两种现象实际 上是不可分割的，而 得到的频谱是调频和 调幅的综合。,7.3齿轮箱故障诊断,（4）附加脉冲：调幅或调 频得到的时域信号都对称与 零线，但实际中的信号不一 定对称与零线，将信号分解 为两部分，即调幅部分和附 加脉冲部分。在频域中，调 制效应是一系列边频，且以 啮合频率及其谐波为中心； 而附加脉冲是回转频率的低次谐波。（5）鬼线：是功率谱上的一个频率分量，由加工过程中齿轮的周期性缺陷造成的。,7.3齿轮箱故障诊断,鬼线的特点:鬼线一般对应与某个分 度涡轮的整齿数，表现为 一个特定回转频率的谐波。载荷的改变对鬼线的影 响很小。磨损使鬼线分量幅值减 小，啮合频率下的幅值增 大。,7.3 齿轮箱故障诊断,倒频谱：在齿轮箱的频域诊断中，倒频谱方法有很大的优越性，尤其是对边频带的分析。优点：受传输途径的影响很小。倒频谱将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，是监测者便于观察。利用这个优点，可以监测出功率谱中肉眼难以辨识的周期性。,7.3 齿轮箱故障诊断,2.时域诊断：时域平均方法是时域诊断的一个有效方法。原理如图所示。时域平均方法诊断需要获取两个信号：齿轮箱的加速度信号，转轴回转一周的时标信号。时标信号通过扩展或压缩运算，使周期由T变为T，加速度以T为周期进行截断迭加然后进行平均，滤除其它噪声，提取有效信号，接着再进行光滑化滤波，得到被检齿轮的有效信号。,7.3 齿轮箱故障诊断,图中是用时域平均法对不同状态下的齿轮检测得到的信号。a）正常齿轮的时域 平均信号b）齿轮安装错位的 时域平均信号c）齿轮齿面严重磨 损的时域平均信号d）有突跳现象的时 域平均信号,7.3 齿轮箱故障诊断,图中是一个齿轮用时域平均法提取信号的情况。时标提取的位置不同，得到的信号也不同。A处传感器接受时标信号时，由于大齿轮依次与两个小齿轮啮合，在时域平均信号A上有两个脉冲。而B处传感器接受时标信号时，大齿轮每转过一转，大齿轮上有剥落的齿面与小齿轮的齿面啮合一次，在时 域平均信号B 上有两个脉冲。,7.3 齿轮箱故障诊断,频域平均与时域平均的比较：a）频域分析只需用加速度传感器获取一个信号，而时域分析除了加速度传感器外还需获取时标信号。b）频域分析不能消除输入信息中的无关信息，时域分析能消除输入信息中与时标周期无关的信息。c）频域分析依靠边频带来反映个边齿的缺陷，而时域分析