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1、 峭度系数诊断法诊断滚动轴承故障 机械1202 3120301052 马也 摘要：滚动轴承是机械设备中最常见零部件，其性能和工况好坏直接影响到和之相联转轴以及安装在转轴上齿轮乃至整个机器设备性能。据统计，在使用轴承旋转机械中，大约有30故障都是由于轴承引起。因此，研究滚动轴承失效机理，提出相应预防和维护措施，对于降低设备维修费用，延长设备维修周期，提高经济效益，保证设备长期安全稳定运行，均有现实意义。滚动轴承振动诊断方法有：振动信号简易诊断法,美国恩泰克公司开发g/SE诊断法等。还有其他诊断方法，如：光纤维监测技术、油污染分析法（光谱测定法、磁性磁屑探测法和铁谱分析法等）、声发射法、电阻法等，
2、重点研究傅里叶变换。关键词：滚动轴承；故障；振动；诊断 Kurtosis coefficient of diagnosis method in the diagnosis of rolling bearing fault Abstract.Rollingbearingisthemechanicalequipmentisthemostcommonparts,itsperformanceandmodesofthedirectinfluenceontheshaftandtheassociatedwiththegearaxisinstalledinthewholemachineequipmentper
3、formance.Accordingtostatistics,intheuseofrotatingmachine,bearingabout30%ofthefaultisduetobearingcause.Therefore,thestudyofrollingbearingsfailuremechanismandcorrespondingpreventiveandmaintenancemeasures,forreducingtheequipmentofthecostofmaintenanceoftheequipment,prolongmaintenancecycle,toimprovetheec
4、onomicbenefitandguaranteethesafeandstableoperationoftheequipmentslong-term,allhaverealisticsignificance.Vibrationofrollingbearingsdiagnosismethodsare:vibrationsignalsimplediagnostics,Americangracetektronixcompanydevelopedtheg/SEdiagnostics,etc.Thereareotherdiagnosticmethods,suchasopticalfibermonitor
5、ingtechnology,oilpollutionprocess(spectrometricmethod,magneticcrumbsdetectionmethodandironspectralanalysis,etc.),acousticemissionmethod,resistancemethod,keyresearchFouriertransformation. Keywords：Bearing；vibration；fault；diagnosis0 引言： 机械故障诊断过程本质上是一个故障模式识别过程1，针对某一个具体机械故障诊断问题，选择不同模式识别方法，其分类精度和准确性可能会有较
6、大差异2,3。对于不同类型故障以及故障在不同机械上存在，我们应该选择合适方法对其进行诊断，以保证高分类精度和准确性。滚动轴承是机械设备中最常见零部件，其性能和工况好坏直接影响到和之相联转轴以及安装在转轴上齿轮乃至整个机器设备性能。据统计，在使用轴承旋转机械中，大约有30故障都是由于轴承引起。滚动轴承失效形式大概可以分为几类，第一类是滚动轴承疲劳失效，滚动轴承在商接触应力作用下，通过多次应力循环后，在套圈或滚动体工作表面局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，从而引起振动，噪声增大，磨损加剧，导致不能正常工作现象称为接触疲劳失效，是滚动轴承失效主要形式。由于材质、工作条件、润滑环境等不同
7、，接触疲劳失效分为麻点剥落、浅层剥落、硬化层剥落。滚动轴承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。第二类是滚动轴承胶合失效，高速重载、润滑严重不足、滚子和套圈滚道或挡边产生严重滑动、轴承游隙过小摩擦力增大、滚子和保持架兜孔间隙过小或卡紧等现象都会造成金属间直接接触产生固相焊合。当汉和强度大于接触零件任一基本强度，使剪切力高于焊合强度，在接触一方或二方金属深处产生局部破坏称为胶合。第三类是滚动轴承磨损失效，轴承在工作过程中由于滚动体和内外滚道间滚动和滑动运动，保持架和引导面间滑动运动，引起轴承工作表面金属不断损失现象叫做轴承磨损。由于轴承工作表面不断磨损使
8、轴承零件产生尺寸和形状变化导致轴承配合间隙增大，工作表面形貌变坏而丧失旋转精度，由此引起工作温度升高、振动、噪声、摩擦力矩增大等，致使轴承不能正常工作现象称为磨损失效。磨损失效和材料性质、粗糙度、润滑状态、接触应力、相对滑动率、表面摩擦系数、速度、温度及环境介质等有着密切联系。滚动轴承磨攒失效损伤结果是：损伤轴承，降低轴承运转周期。第四类是滚动轴承烧伤失效，滚动轴承烧伤失效。第五类是滚动轴承腐蚀失效，锈蚀是滚动轴承最严重问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承
9、表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上接触点处，很薄油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状凹凸不平。滚动轴承腐蚀失效损伤结果是：表面由于电流、化学和机械作用产生损伤，丧失精度面不能继续工作。第六类是滚动轴承破损失效，过高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。滚动轴承破损失效结果是：导致产生裂纹，断裂，使轴承失效。第七类是滚动轴承压痕失效，由于滚动轴承承受静载荷过大，冲击载荷过大，异物进入引起轴承压痕失效
10、，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主要原因。滚动轴承压痕失效损伤结果是：导致表面凹凸不平，降低使用寿命，。图1是滚动轴承示意图。滚动轴承在发生表面剥落、裂纹、压痕等滚动面局部损伤时，会产生冲击振动。这种振动从性质上可分成两类：第一类是由于轴承元件缺陷，滚动体依次滚过工作面缺陷受到反复冲击而产生低频脉动，称为轴承“通过振动”，其发生周期可从转速和零件尺寸求得。例如，在轴承零件圆周上发生了一处剥落时，由于冲击振动所产生相应频率称为“通过频率”，我们通常也叫“故障频率”，因剥落位置不同而不同，表1给出了求取这种通过频率相应公式。其中Fz为轴转动频率，D为轴承节圆直径，d为滚动体直
11、径，为接触角，Z为滚动体数目。本文将采用峭度系数诊断法诊断滚动轴承机械故障，旨在通过此方法准确、可靠地达到对滚动轴承故障诊断和预防目标，并且能够在准确诊断滚动轴承故障基础上进行相应处理，以消除故障从而保证其在一定工作期限内可靠、有效地实现其功能。1滚动轴承基本参数1.1.1滚动轴承典型结构图2标准滚动轴承图滚动轴承典型结构如图2.1所示，它由内圈，外圈，滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承几何参数主要有:滚动轴承节径、滚动体直径、内圈滚道半径、外圈滚道半径、接触角、滚动体个数。1.1.2滚动轴承特征频率为分析滚动轴承各部分运动参数，先做如下假设:(1)滚道和滚动体之间无相对滑动;(2)承受径向,
12、轴向载荷时各部分无变形; (3)滚动轴承外圈固定，内圈(即轴)旋转频率为; 则滚动轴承工作时各点转动速度如下: 内圈滚道上一点速度为: （2-1）外圈滚道上一点速度为: （2-2）保持架上一点速度为: （2-3）由此可得保持架旋转频率(即滚动体公转频率)为: （2-4）从固定在保持架上动坐标系来看，滚动体和内圈作无滑动滚动，它回转频率之比和成反比: 由此可得滚动体自转频率(滚动体通过内滚道或外滚道频率)fb: （2-5）同时考虑到滚动轴承有个滚动体，则:(1)Z个滚动体和外圈滚道上某一固定点接触频率为: （2-6）(2)Z个滚动体和内圈滚道上某一固定点接触频率为: （2-7） (3)个滚动体上
13、某一固定点和外圈或者内圈滚道接触频率为: （2-8） ，分别为外圈、内圈和滚动体通过频率.当“某一固定点”是局部损伤点(如点蚀点、剥落点等)时，、和分别成为局部损伤点撞击滚动轴承元件频率，因此、和又分别称为外圈、内圈和滚动体故障特征频率.1.1.3滚动轴承固有频率滚动轴承在运行过程中，由于滚动体和内圈或外圈冲击而产生振动，这时振动频率为滚动轴承各部分固有频率。固有振动中，内、外圈振动表现最明显，滚动轴承元件固有振动频率如下:1)轴承圈在自由状态下径向弯曲振动固有频率为: （2-9） 式中 -弹性模量，钢材为210GPa; I-套圈横截面惯性矩mm4; -密度 ， 钢材为786x10-6kg/m
14、m3;A-套圈横截面积，=bh，mm2;-套圈横截面中性轴直径，mm; -重力加速度，9=9800mm/s2。 -振动阶数(变形波数)，=2，3;对钢材 ，将各常数代入式得2)钢球振动固有频率为: （2-10） 式中-钢球半径。1.2滚动轴承故障诊断常用参数特征参数被定义为在各个时间领域、频率领域中参数。在此之中，分为有量纲特征参数和无量纲特征参数。以前故障诊断中主要被使用是有量纲特征参数，现在，和有量纲特征参数相比，更多是使用了对运作状态依赖小、诊断散乱少无量纲诊断参数。在本研究中，运用时间领域无量纲特征参数和频率领域无量纲特征参数进行研究。1.2.1时间领域有量纲特征参数在对滚动轴承故障诊
15、断和监测中，迄今为止一直使用是以振动为主特征参数。另外，作为被使用振动特征参数，以速度实效值，变位实效值等有量纲参数为主。在此，在滚动轴承诊断中常用有量纲特征参数，用以下公式表示，另外，没有特别说明，取时间序列数据绝对值。(1)绝对值总和：X= （2-11）（2）平均值： =/N （2-12） (3)标准方差：= （2-13）（4）最大值：Xmax= XmaxXmaxt/Xmaxt2 （2-14）(5)最大平均值：max= XmaxXmaxt/Xmaxt （2-15）(6)极大值平均值： （2-16）(7)极大值标准方差： （2-17）（8）极小值平均值： （2-18）在此： （9）极小值标准
16、方差： （2-19）1.2.2时间领域无量纲特征参数在此，在滚动轴承诊断中常用有量纲特征参数，用以下公式表示。（1）波形率： （2-20）（2）歪度： （2-21）（3）峭度： （2-22）（4）波高率： （2-23）（5）最大值比率： （2-24）（6）极大值变动率： （2-25）（7）极小值变动率： (2-26)（8）平方根平均值： (2-27)（9）自乘平均值： （2-28）（10）对数平均数： （2-29）1.2.3频率领域无量纲特征参数（1）平均特征频率： （2-30）（2）波形安定指数： （2-31）（3）变动率： (2-32)（4）歪度： （2-33）（5）峭度： （2-34）（
17、6）平方根比率： （2-35）以上各式中： 分辨指数和识别率1617分辨指数：或者= （2-36）识别率： 其中： （2-37）2峭度系数诊断法基本原理峭度指标是无量纲参数，由于它和轴承转速、尺寸、载荷等无关，对冲击信号特别敏感，特别适用于表面损伤类故障、尤其是早期故障诊断。在轴承无故障运转时，由于各种不确定因素影响，振动信号幅值分布接近正态分布，峭度指标值K3;随着故障出现和发展，振动信号中大幅值概率密度增加，信号幅值分布偏离正态分布，正态曲线出现偏斜或分散，峭度值也随之增大。峭度指标绝对值越大，说明轴承偏离其正常状态，故障越严重，如当其K8时，则很可能出现了较大故障。峭度（Kurtosis
18、）定义为归一化4阶中心矩，即式中x瞬时振幅；X振幅均值；p（x）概率密度；标准差。振幅满足正态分布规律无故障轴承，其峭度值约为3。随着故障出现和发展，峭度值具有和波峰因数类似变化趋势。此方法优点在于和轴承转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障诊断。图2 滚动轴承损伤3 峭度系数诊断法在诊断中应用英国钢铁公司研制峭度仪在滚动轴承故障监测诊断方面取得了很好效果。利用快装接头，仪器加速度传感器探头直接接触轴承外圈，可以测量峭度系数、加速度峰值和RMS值。图3为使用该仪器监测同一轴承疲劳试验结果。试验中第74h轴承发生了疲劳破坏，峭度系数由3上升到6图(a)，而此时峰值图(b)和RMS值尚无明显增
19、大。故障进一步明显恶化后，峰值、RMS值才有所反映。图中虚线表示在不同转速（8002700r/min ）和不同载荷（011kN）下进行试验时上述各值变动范围。很明显，峭度系数变化范围最小，约为士8%。轴承工作条件对它影响最小，即可靠性及一致性较高。 有统计资料表明，使用峭度系数和RMS值共同来监测，滚动轴承振动情况，故障诊断成功率可达到96以上。图3 轴承疲劳试验过程4 在齿轮故障诊断中应注意问题4.1.1 测点部位确定首先，测试信号获取过程中，需要将测量装置摆放在合适位置，才能测得准确、代表性测量数据。对重要、经常发生故障部位可多布测点，而不重要、不常发生故障部位可少布测点。4.1.2 测定
20、参数确定1)测量正常和故障状态下信号;2)定义几个特征参数;3)用信号计算这些特征参数值;4)检查每个特征参数灵敏度，如果均不够高，则回到(2);5)用高灵敏度特征参数进行故障诊断4.1.3 测定周期选择为了及时发现滚动轴承初期状态异常，需要合理确定测量周期。一般来讲，当滚动轴承处于正常工作情况下，可保持固有周期；当振动增大或出现异常征兆时，则应采用缩短周期对策，并应将测定周期尽可能安排得短些。4.1.4 判断标准确定峭度指标值K3;随着故障出现和发展，振动信号中大幅值概率密度增加，信号幅值分布偏离正态分布，正态曲线出现偏斜或分散，峭度值也随之增大。峭度指标绝对值越大，说明轴承偏离其正常状态，
21、故障越严重，如当其K8时，则很可能出现了较大故障。5 结语1）峭度系数诊断法可以有效、快速地诊断出滚动轴承故障部位，以便做出相应改变来消除这种故障，从而保证机械在一定工作期限内能够可靠、有效地实现其特定功能。因此，这种方法可以在实际生产过程中广泛应用。2）对于明显存在问题设备进行分析诊断，而用通常技术手段诊断未果时，运用峭度系数法往往能得到满意结果。3)运用振动诊断技术对设备基本运行状态进行判别时，不仅要考察设备振值大小，还应对振动波形，谱图及峭度系数在内无量纲参数变化进行考察，以提高判断结果准确程度。参考文献1曲梁生，何正嘉. 机械故障振动学. 上海: 上海科技出版社.19842徐玉秀，原培
22、新. 复杂机械故障诊断分形和小波方法.北京:机械工业出版社.20033 廖伯瑜. 机械故障诊断基础. 北京: 冶金工业出版社.19944 徐金梧，徐科等.小波在滚动轴承故障诊断中应用.机械工程学报.1997(4)5 王峰. 滚动轴承故障特征提取和优化.西安:西安交通大学硕士论文.20026 陈进. 机械设备振动监测及故障诊断. 上海:上海交通大学出版社.19997胡文君,褚家荣.设备故障诊断技术和发展.后勤工程学院学报.2004(2)8陈炜峰,陆静霞.故障诊断技术及其发展趋势. 农机化研究.2005(3)9陈进.机械设备振动监测和故障诊断. 上海: 上海交通大学出版社.199910王肇琪等.滚动轴承故障振动监测方法.有色矿山.1999(1)11陈长征，胡立新，周勃，费朝阳.振动设备分析于故障诊断技术.科学出版社，2007