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1、,第章滚动轴承的振动诊断,.轴承主要故障形式 .滚动轴承振动信号特征 .滚动轴承故障诊断法,机械故障诊断学,Anhui University of Technology,Anhui University of Technology,.轴承主要故障形式,一、概述 滚动轴承是机器中最易损坏的零件之一，约占旋转机械故障的 30% 产生各种各样轴承缺陷原因：由于设计、加工、安装不好，或轴承服役条件不佳，突出载荷的袭击等，运行一段时间后出现 检测这些缺陷的方法很多，如：振动信号检测、声发射、铁谱等技术或直接测定温度 振动监测技术最为可靠容易实现 因为大部分可归纳为表面劣化而使振动加剧，所以与表面状态有关
2、的振动信号成了检测轴承状态的重要资料 专用仪器，如：测定波峰因素的BK-2511振动仪、日本NB-3轴承监视器、瑞典MEPA-43冲击脉冲仪、SPM及美国IRD820振动脉冲能量和峰值分析仪（用于在线）,研究目标,Anhui University of Technology,.轴承主要故障形式,二、轴承主要故障形式 磨损：磨料磨损（杂质）和摩擦磨损（润滑恶化） 疲劳剥落：交变应力作用、微小裂纹的发展、生绣等原因引起 裂纹：由材料缺陷或交变载荷、应力集中、润滑不良等引起 腐蚀：湿气或水侵入润滑油、较大电流引起电腐蚀 压痕：过载、撞击或异物进入滚道 胶合和点蚀：因为各种原因，当轴承在高温、高速、重
3、载、瞬间载荷等使用条件下，滚道或滚动体表面产生微小烧损点，滚道和滚动体表面温度过高而使局部熔合在一起即胶合。 其他故障形式：破损、烧损、电蚀等,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承振动信号特征,滚动轴承元件出现缺陷时，随着轴承的旋转，缺陷每接触一次就会产生一次冲击振动，具有一定的周期性，其振动频率在020kHz。,一、 滚动轴承的低频振动（接触频率-缺陷特征频率）,假设：（1）滚动环和滚动体之间无滑动； （2）径向、轴向受载荷时个部分无变形,滚珠轴承对应于元件缺陷的频率为（不是滚柱轴承）：,滚珠通过内圈滚道,滚珠通过外圈滚道,滚动体缺陷,保持架不平
4、衡,式中：z滚动体个数；d滚动体直径；D滚道节径；f0轴承回转频率，为每秒转数n/60。 接触角：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角。,研究目标,Anhui University of Technology,与轴承结构有关 (由于外力的激励就会引起振动，不管轴承有无故障均存在，但不能表征轴承的异常，所以要加以区分类型 ),.滚动轴承振动信号特征,二、 滚动轴承的固有频率（共振频率）,钢球的固有频率为,轴承圈在圈平面内的固有频率（内外圈弯曲方向的）为,式中：E弹性模量；I轴承圈横截面的惯性矩；材料密度；A轴承圈横截面积；n振动 阶数。G重力加速度；R钢球半径；D轴承圈横截面中性轴直径。 此为圆
5、环弯曲方向的振动频率，还有内外径半径方向、扭力方向的振动，式中计 算为单体共振频率，具结构其计算有变化。 一般固有频率在数千HZ到数十千HZ，人耳听不见,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承振动信号特征,三、滚动轴承振动信号特征（特征频率成分）,其中，n为正整数；Z为钢球数目；fc为保持架频率；f0为轴承回转频率。,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承振动信号特征,其中，fbi为钢球在内圆滚道上的通过频率；f0振动频率；fc为保持架转速；fb滚动体相对于保持架的频率。,研究目标,Anhui Univer
6、sity of Technology,.滚动轴承故障诊断法,一、简易诊断法（仅判断有无异常） 1、测定部位的选择 注意：（1）测定部位不要改变，以保证前提一致，最好是轴承座； （2）测头接触表面光滑牢固； （3）一般在垂直、轴向两方向上测量。速度需三个方向，加速度一个方向即可。 轴承座露在外面，测定部位：轴承座； 轴承座在内部，测定部位：轴承座刚性高的部位或基础。,2、测定参数 轴承振动频率范围在几HZ到数千HZ。 一般 小于10HZ， 测位移； 10HZ至1KHZ（中频）， 测速度； 大于1KHZ（高频）， 测加速度（常用于大于10KHZ）。 常用速度和加速度，为去除其它振动信号，用滤波器取
7、所需带宽。 3、测定周期 测定时间间隔取决于经济性，且不漏异常情况，越短越好。,研究目标,4、判别标准 绝对值判别标准和相对判别标准，兼用。 适用于所有轴承的绝对标准是不存在的，同一种轴承用于不同的场合其判别标准也是不同的。所以一定要注意使用场合选择合适的判别标准。 低频部分的绝对值判别标准难以确定，用相对标准或相对判定法，故对于同时存在高、低频的轴承振动要用两个判别标准来判别。 5、简易诊断 首先检查润滑状态，加油后数小时数天后测量，发现振动明显增大，则要判别是否异常； 根据各自情况制定出专门的绝对值标准，测定同条件下的振动初始值，即相对值判别标准； 确定判定方案，包括：位置、方向、参数、周
8、期等。 测量振动信号，作出比较判断或进一步作谱分析。,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法,研究目标,二、低频信号诊断法,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法低频信号诊断法,通过直接测量滚动轴承损坏出现的振动，从振动谱图上观察突出的谱线频率来诊断轴承故障。,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法低频信号诊断法,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法包络法,三、 包络法（共振解调法 ）,轴承发生故障
9、时，将引起一系列冲击脉冲，在频域中含有基频及其一系列高阶谐波，经过传感器拾取及电路谐振，-高频自由衰减振动，即传感器振动被故障脉冲响应调制，此高频振动的幅值受到轴承缺陷引起的脉动激发力的调制 包络法中，信号先被滤去其他低频分量（燥声）而只取经调制的高频分量（高频自由衰减振动），再经放大、滤波后送入峰值跟踪器解调（或低通滤波器），即可得到原来的低频脉动信号，在此基础上进行轴承缺陷的频谱分析。 所得解调波与故障脉冲有唯一对应关系，解调波的幅度反映故障严重程度，而解调波的基频为轴承故障频率（特征频率）,包络法的优点是它有效地消除了各种低频成分的干扰，更为突出地显示故障的频谱特征，提取有用信息使诊断结
10、果更准确。,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法包络法,低频信号接收法和包络法拾取信号过程,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法包络法,低频信号接收法和包络法得到的谱图 图中a、c无故障， b、d有故障， a、b低频信号接收法， c、d包络法,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法声发射诊断法,四、声发射诊断法,原理： 疲劳断裂交变载荷作用，金属产生错位运动，首先产生疲劳裂 纹，再沿着最大切向应力方向扩展（一般是外圈）， 直至断裂
11、。 疲劳磨损循环接触压应力周期地作用在摩擦表面上，金属晶格 的弹性应力达到临界值就会产生微观裂纹，进而扩展 出现麻点、微粒脱落。 这些轴承故障的发生与发展都伴随着声发射信号的发出。金属材料声发射频率为几十到几百兆赫，信号强度为几微伏到几百伏。故障的声发射明显强于燥声的声发射。所以以声发射信号作为分析源，来研究其频谱。 （特别用于初期诊断效果好）,声发射：当固体受力的作用时，由于内部缺陷的存在，会产生应力集中， 使塑性变形加大或形成裂纹及扩展，这时均要释放弹性波（应变能）。,当零件多时或系统复杂时，振动信号分析法信号复杂而受到限制。,研究目标,Anhui University of Techno
12、logy,.滚动轴承故障诊断法声发射诊断法,声发射法特（优）点 、特征频率明显 用振动加速度计和声发射传感器在同一部位测得信号进行频谱分析，比较如图：,a)轴承声发射频谱图b)轴承振动信号频谱图,研究目标,Anhui University of Technology,.滚动轴承故障诊断法声发射诊断法,、预报故障时间早 轴承微裂纹的扩展有一个过程，这个阶段不足以引起明显振动，而只要有裂纹产生，就有声发射。,五、轴承其他诊断方法 、油液分析法 、油膜电阻诊断法轴承零件之间有较好的油膜则内外圈之间的电阻大，可达兆欧，不受尺寸限制，但低速不行，不适合点蚀诊断。 、光纤检测诊断法 、温度检测法 、间隙测定诊断法,