滚动轴承的故障诊断

1、1,滚动轴承 的 故 障 诊 断,2,内 容 提 要,一、滚动轴承类型及其特点 二、滚动轴承的失效形式 三、轴承故障诊断常用方法 振动、噪声分析法 温度测定法 油液分析法 四、滚动轴承的振动 随机振动 轴承各元件的谐振 元件具有缺陷后的振动,五、轴承故障的振动诊断法 简易振动诊断法 频谱分析法 倒频谱分析法 冲击脉冲法（SPM法） 共振解调法（IFD法） 共振解调信号的特点 六、轴承运转声音的诊断 七、轴承润滑状态的诊断,3,滚动轴承诊断的重要性,滚动轴承是旋转机器中广泛应用的零件之一。 旋转机械的故障中，轴承损坏的故障约占30%。 滚动轴承的状态监测与故障诊断是机械设备故障诊断技术的重要内容

2、。 滚动轴承的故障诊断可以对轴承的安装、维护等工作给以有益指导。,4,一、滚动轴承的类型,0：双列角接触球轴承 1：调心球轴承 2：调心滚子轴承 3：圆锥滚子轴承 4：推力球轴承,5：深沟球轴承 6：角接触球轴承 7：推力调心滚子轴承 8：圆柱滚子轴承 9：滚针轴承,5,内圈与轴颈配合，一般随轴颈回转。 外圈与轴承座配合，一般固定。 滚动体当内外圈发生相对运动时，滚动体在滚道间滚动。 保持架隔离相邻的滚动体。,滚动轴承的组成,6,向心轴承：主要承受径向载荷R 深沟球轴承 圆柱滚子轴承 调心球轴承,推力轴承：只能承受轴向载荷A 推力球轴承,向心推力轴承：R + A 角接触球轴承 圆锥滚子轴承,各

3、类滚动轴承的受力,7,二、滚动轴承的损伤形式,8,轴承失效形式点蚀,现象： 滚道面或滚动体表面上有小坑和片状剥落 原因： 载荷过大 润滑不良 预载过大 间隙过小,9,轴承失效形式压痕,现象： 滚道面上有滚动体的压痕 原因： 装配不当 静载荷过大 冲击载荷过大 异物侵入,10,轴承失效形式烧伤、胶合,现象： 滚道面变色、软化、熔合 原因： 转速过高 润滑不良 装配不当,11,轴承失效形式磨损,现象： 滚道和滚动体磨损 出现红、褐色磨粉 原因： 异物侵入 润滑不良 装配不良 配合面有间隙，造成滑动磨擦,12,轴承失效形式破碎,现象： 座圈开裂、滚动体裂开 出现红、褐色磨粉 原因： 异物侵入 润滑不

4、良 装配不良 配合面有间隙，造成滑动磨擦,13,轴承失效形式腐蚀,现象： 配合面有红黑色锈斑 配合面有搓板状凸凹 原因： 水份、腐蚀介质侵入 电流通过 配合间隙间的微振动,14,三、滚动轴承故障诊断方法,振动分析法 噪声分析 温度测定 油液分析(磨屑分析) 其他物理方法 轴承间隙测定 油膜电阻测定 声发射分析法（AE） 光学纤维测定法,15,各种诊断方法的对比,16,各种诊断方法的灵敏度,17,四、滚动轴承的振动,由于轴承滚动元件的不圆度、粗糙度和波纹度而引起的随机振动。 由于外力激励引起轴承元件的固有频率振动。 轴承元件损伤后，引起的冲击和振动： 以损伤元件特有的频率振动。 以声发射形式释放

5、能量（频率在60kHz以上）。,18,轴承振动的典型时域波形,19,轴承振动的典型频谱,低频 020kHz，各种故障频率范围 中频 20kHz60kHz，元件共振频率范围 高频 60kHz以上，声发射(AE)范围,20,轴承元件的固有频率,钢球的固有频率fbn,E 材料的弹性模量 N/m2 材料的质量密度 kg/m3 r 滚球的半径 m,21,轴承（内外）座圈固有频率frn,a 回转轴线到中性轴半径 m i 共振阶数 I 座圈绕中性轴的惯性矩 m4 M 座圈单位长度的质量 kg/m,轴承元件的固有频率,22,轴承故障的特征频率,外环故障频率 内环故障频率 滚珠故障频率 保持架碰外环 保持架碰内

6、环,D 节圆直径 d 滚珠直径 接触角 z 滚珠数 R 轴的转速频率,23,五、滚动轴承故障的振动诊断法,简易振动诊断法 频谱分析法 倒频谱分析法 冲击脉冲法（Shock Pulse Method） 共振解调法（Incipient Failure Detection） 噪声分析法,24,1. 简易振动诊断法,用某些振动的参数来判定轴承的工作状态。 可用的参数如峰值指标、脉冲指标、峭度指标等。 参数用简易测振表测得，或算得。,25,若干无量纲诊断参数,表中： 平均幅值， 方根幅值， 峭度,26,峰值指标用于轴承诊断,峰值指标Cf不受振动信号绝对大小的影响，适用于检测滚动面剥落与裂纹等故障，但不适

7、于检测磨损。 峰值指标Cf 随故障发展变化趋势 I 初始阶段： Cf 5(变化不大) II 局部故障发展： xmax, Cf 10 III 接近寿命终了： xrms , Cf 5,27,用简易法诊断铁路货车轴承,*下表用正常参数归一化,28,2. 振动频谱分析法,经时域多段平均处理后: 50.65Hz 轴的转频 36.1Hz 保持架通过频率 200.95Hz 外圈通过频率 380.05Hz 滚动体通过频率,轴承振动频谱,时域平均频谱,29,某焦化厂备煤车间破碎机,轴承内圈滚道剥落故障,轴承型号:22232(原3532) 转速 N =740r/min (转频12.33Hz) 外圈故障频率fe=9

8、4.966Hz 内圈故障频率fi=127.033Hz 大修时拆机验证,轴承内圈滚道有一块3015mm,深1mm的剥落坑。,水平测点的频谱图,30,3. 倒频谱分析法,正常滚动轴承,有故障滚动轴承,倒频谱图特征值: q19.470ms(105.60Hz) 滚珠故障频率 q237.90ms(26.39Hz) 内圈故障频率,31,轴承型号:N324(原2324) 转速N=740r/min(转频12.33Hz) 外圈故障频率fo=69.52Hz 内圈故障频率fi=103.15Hz,拆机检查发现外圈滚道内有78条不同程度的压痕,其中四条较严重,约20mm宽,0.2mm深。,某焦化厂备煤车间破碎机,外圈滚

9、道压痕故障诊断,32,4. 冲击脉冲法与共振解调法,冲击脉冲法 Shock Pulse Method 1969年瑞典SPM公司提出 利用共振解调波的幅值信息 诊断轴承的工作状态,共振解调法 (早期故障检测法) Incipient Failure Detection 1974年美国波音公司提出 利用共振解调波的频域信息 诊断轴承的工作状态 精确诊断故障的部位,33,共振解调的原理 (1/4),故障所产生的低频冲击脉冲,频率为数kHz以内,信号很微弱。 激起了传感器/电路的高频共振,频率数十倍于冲击频率，信号大大加强。 用滤波器切去低频的信号。 对高频信号进行绝对值检波、 包络解调。 最后，获得一

10、个频率对应于低频冲击，而又放大并展宽的故障信号，称为共振解调信号。,34,共振解调的原理 (2/4),不平衡微小的冲击,不平衡放大了的冲击,频谱图中难以发现微小的冲击,冲击放大了，频率升高了,冲击加速度计 或共振电路,高频共振(32kHz),35,共振解调的原理 (3/4),36,共振解调的原理 (4/4),37,共振解调信号的特点,提高了故障信息的信噪比S/N。 剔除了低频振动信号的影响。 共振解调波中包含有反映轴承故障的各种信息。,38,几种轴承故障分析仪,SPM 43A 脉冲冲击仪,BEA 52A 电脑轴承分析仪,C70D 轴承故障分析仪,39,轴承工作状态分类,轴承寿命曲线,轴承工作状

11、态分类,35dB损坏 dBM和dBC相差小于10dB，表明轴承润滑不良,冲击强度增加1000倍时，轴承寿命结束,40,轴承状态判断实例,41,某轧钢厂螺杆压缩机 (1/2),轴承大面积道剥落故障,三台压缩机中，三号机的测点振动特别突出。 测得的信号中，机械和流体干扰大。频谱中看不出特征频率。 改用共振解调法，突出滚动轴承故障频率。,各测点振动加速度峰值（g）,42,某钢厂螺杆压缩机 (2/2),2机的共振解调频谱,轴承型号:7315DF 转速N =1480r/min(24.7Hz) D =122.5mm, d =22mm n =11, =10 外圈故障频率fe=108.75Hz 3机测点的共振

12、解调频谱中，看到轴承外圈故障频谱及其谐波；而2机的频谱无特征频率。 拆机验证,轴承外、内圈和钢球均有大面积的剥落坑。,43,共振解调后无故障谱,直接采集的振动信号谱,解体发现在可分离的外环上有2mm长、0.25mm深的小沟槽。,输入轴上轴承型号:7613 输入轴转速:240r/min(4Hz) 滚动体个数:15 轴承平均直径:102.5mm 滚动体平均直径:15mm 压力角:13 外环故障频率：25.72Hz,驱动桥轴承故障的诊断,44,冲击脉冲的测取 (1/4),必须用专用的加速度传感器测量 在受主要轴承力的部件上测量 （一般测轴承座比测轴承盖为好） 测量方向可径向或轴向 （这不同于振动）,

13、45,冲击脉冲的测取 (2/4),测点要尽可能地靠近轴承 经过的界面越少越好,46,冲击脉冲的测取 (3/4),难以接触的重要测点可以预埋测试接棒,制造商预埋 的测试接棒,47,冲击脉冲的测取 (4/4),难以接触的重要测点也可以预埋传感器,48,六、轴承运转声音的诊断,设备运行时，轴承各部分都在运动，必然产生各种声响。 这些声响中，有的属于正常的声响，有的则属于异常声响。异常的声响是轴承故障先兆，或是故障的发展，或故障已经形成。 因此，可以通过各种不同的声响，判断故障的性质和程度。 听声音可用人耳，或用听音棒、电子耳等工具。 诊断准确性很大程度上取决于人的经验。,49,运转平稳、轻快、无停滞

14、现象。 发出“哗哗”声音，声音和谐，均匀连续而无间断，也而无任何杂音。说明轴承工作正常，润滑状态良好。,轴承正常运转声音,50,“咝咝”的声音是轴承内缺少油脂所致。 正确的是油的粘度应高些，填充空隙在1/21/3之间。 润滑油面的高度一般不超过最低的一个钢球的中心线。 (2)“咝咝、沙沙”的声音设备停机时间过长或是轴承径向间隙过小，形成不了良好的润滑油膜，应清洗调整。 (3) “哗哗”的声音中有周期性的“嗬罗，嗬罗”声音表明内外圈滚道出现伤痕、沟槽、锈蚀斑点等。,轴承异常运转声音（1/4）,51,(4) “哽哽”声音，且不连续说明滚动轴承保持架或内外圈有裂纹，经过运转冲击，裂纹加深加大，是润滑

15、不良所致。 (5) “嚓嚓！”的声音，且不规则、不均匀则说明装配时或保养中掉入杂物，如铁屑、砂粒或润滑油不干净、加油时带入的杂质。 (6) “沙沙”连续且不规则的声音有可能是内圈有轴配合过松，或外圈与轴承孔配合过松所致。,轴承异常运转声音（2/4）,52,(7) “刺耳的啸叫”声音，且设备振动也较大是润滑不良，干摩擦，或滚动件局部接触过紧，内外滚道偏斜，轴承外圈配合过紧等引起。 (8) “咯吧、咯吧！”的尖叫声说明滚珠或滚棒破裂，破坏了正常润滑所致。 (9) “哐当、哐当！”的敲击声滑动轴承与轴之间的间隙过大，机器运转时，在交变力的作用下，轴在轴承中跳动，润滑油流失较快，不能形成适当的油膜所致。,轴承异常运转声音（3/4）,53,(8) “咯吧、咯吧！”的尖叫声说明滚珠或滚棒破裂，破坏了正常润滑所致。 (9) “哐当、哐当！”的敲击声滑动轴承与轴之间的间隙过大，机器运转时，在交变力的作用下，轴在轴承中跳动，润滑油流失较快，不能形成适当的油膜所致。 (10) “咣！咣！咣！”的声音滑动轴承停机时间过长，轴承润滑油流失，在启动时未形成完整的油膜，将轴“托”起来，致使轴颈与轴承相互接触碰撞。,轴承异常运转声音（4/4）,54,七、轴承润滑状态的诊断,轴承润滑状态好坏对设备运行状态有很大影响。 轴承润