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1、机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断l l轴承失效基本形式轴承失效基本形式l l轴承故障特征频率轴承故障特征频率 （故障频率，固有频率）（故障频率，固有频率）l l故障轴承的频谱故障轴承的频谱l l轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法l l轴承故障的精密诊断法轴承故障的精密诊断法机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.1 4.1 滚动轴承失效的基本形式滚动轴承失效的基本形式 磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等1）磨损：最常见的一种失效形式，特别是磨料磨损。）磨损：最常见的一种失效形式
2、，特别是磨料磨损。磨损较严重时产生游隙噪声并使振动加剧。磨损较严重时产生游隙噪声并使振动加剧。2）疲劳：滚动体与套圈之间的接触疲劳，）疲劳：滚动体与套圈之间的接触疲劳，造成表层金属造成表层金属疲劳剥落疲劳剥落。3）腐蚀：）腐蚀：化学腐蚀：由水、酸或含酸润滑剂造成；化学腐蚀：由水、酸或含酸润滑剂造成；电腐蚀：由轴承表面间有较大电流通过造成；电腐蚀：由轴承表面间有较大电流通过造成；微振腐蚀：由套圈与其它件之间的微小相对运动所至，微振腐蚀：由套圈与其它件之间的微小相对运动所至，使套圈表面产生锈斑。使套圈表面产生锈斑。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.1 4.
3、1 滚动轴承失效的基本形式滚动轴承失效的基本形式 磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等4）压痕：过大的负荷使滚动体和滚道接触处）压痕：过大的负荷使滚动体和滚道接触处产生塑性变形而形成凹坑。产生塑性变形而形成凹坑。）胶合：滚动体在保持架内卡住或润滑不良、速度过高）胶合：滚动体在保持架内卡住或润滑不良、速度过高造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子表面而形成造成摩擦热过大，使保持架的材料粘附到滚子表面而形成胶合。胶合。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.1 4.1 滚动轴承失效的基本形式滚动轴承失效的基本形式 磨损、疲劳
4、、腐蚀、压痕、破断、胶合等磨损、疲劳、腐蚀、压痕、破断、胶合等）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。武钢轧板厂立辊轧机轴承保持架和滚动体破断武钢轧板厂立辊轧机轴承保持架和滚动体破断机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.1 4.1 滚动轴承失效的基本形式滚动轴承失效的基本形式）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。）破断：由于载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不当造成。武钢二热轧武钢二热轧R1轧机主减速机高速轴操作端外侧轴承保持架断裂轧机主减速机高速轴操作端外侧轴承保持
5、架断裂（发生强烈自激振动）（发生强烈自激振动）扭矩记录曲线扭矩记录曲线轴向力记录曲线轴向力记录曲线机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.1 滚动轴承的典型结构滚动轴承的典型结构D轴承节径；轴承节径；d滚动体直径；滚动体直径；Z滚动体个数；滚动体个数；接触角接触角；fr轴承内圈转动频率（假设外圈固定轴承内圈转动频率（假设外圈固定)机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率由轴
6、承元件表面缺陷引起的低频特征频率滚动轴承的运转模型滚动轴承的运转模型图图5-6 滚动轴承发生的冲击振动滚动轴承发生的冲击振动机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率根据轴承元件之间滚动接触的速度关系可计算出各元件的根据轴承元件之间滚动接触的速度关系可计算出各元件的故障特征频率故障特征频率(假设外圈固定假设外圈固定)随着轴承的旋转，轴承表面缺陷每接触一次就会发生一次随着轴承的旋转，轴承表面缺陷每接触一次就会发生一次冲击，其特征频率
7、分别为（一个剥落点）：冲击，其特征频率分别为（一个剥落点）：1)1)保持架不平衡保持架不平衡(保持架转频保持架转频)式中式中 fr轴的转频（即内圈旋转频率）轴的转频（即内圈旋转频率）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.2 由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率由轴承元件表面缺陷引起的低频特征频率2)2)滚动体表面缺陷故障特征频率滚动体表面缺陷故障特征频率3)3)内圈滚道表面缺陷故障特征频率内圈滚道表面缺陷故障特征频率4)4)外圈滚道表面缺陷故障特征频率外圈滚道表面缺陷故障特征频率5)5)内圈滚道不圆故
8、障特征频率内圈滚道不圆故障特征频率机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.3 与滚动轴承安装有关的振动特征频率与滚动轴承安装有关的振动特征频率1)1)安装滚动轴承的旋转轴系弯曲安装滚动轴承的旋转轴系弯曲,或不慎将滚动轴承装歪或不慎将滚动轴承装歪图图5-4 5-4 轴承与轴的歪斜状态轴承与轴的歪斜状态机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断4.2 4.2 轴承的故障特征频率轴承的故障特征频率 4.2.3 与滚动轴承安装有关的振动特征频率与滚动轴承安装有关的振动特征频率2)2)
9、滚动轴承紧固过紧或过松滚动轴承紧固过紧或过松(与滚动体表面缺陷故障特征频率相同与滚动体表面缺陷故障特征频率相同)图图5-5 5-5 因紧固过紧等原因引起的振动因紧固过紧等原因引起的振动机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.2.4 4.2.4 轴承元件的固有频率轴承元件的固有频率(一般高达一般高达202060kHz)60kHz)钢球的固有频率钢球的固有频率（HZHZ）式中：式中：rr钢球半径（钢球半径（m m）材料密度（材料密度（kg/mkg/m）E材料的弹性模量（材料的弹性模量（N/mN/m2 2）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故
10、障监测与诊断 4.2.3 4.2.3 轴承元件的固有频率轴承元件的固有频率 轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率（HZHZ）式中：式中：II套圈截面绕中性轴的惯矩（套圈截面绕中性轴的惯矩（m m4 4)MM套圈单位长度的质量（套圈单位长度的质量（kg/mkg/m）aa回转轴线到中性轴的半径（回转轴线到中性轴的半径（m m）n n套圈在圈平面内径向弯曲自由振动的阶数套圈在圈平面内径向弯曲自由振动的阶数机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的故障监测与诊断 4.2.3 4.2.3 轴承元件的固有频率轴承元件的固有频
11、率 轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率轴承套圈（内、外圈）在圈平面内径向弯曲振动的固有频率（HZHZ）若取若取E E2.058102.058101111N/mN/m2 2，密度为密度为7.87.810103 3kg/mkg/m3 3,则上式可简化为则上式可简化为式中：式中：hh套圈的厚度（套圈的厚度（m m）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.3 4.3 故障轴承的频谱故障轴承的频谱 轴承的剥落点一般不止一个，再加上故障频率与转动频率相互调制，轴承的剥落点一般不止一个，再加上故障频率与转动频率相互调制，常见的轴承有故障时的振动频谱如下：常
12、见的轴承有故障时的振动频谱如下：故类故类别障别障条条件件故障故障频率频率频谱频谱备注备注内圈内圈有点有点蚀蚀无无径径向向间间隙隙时时n=1,2,3有有径径向向间间隙隙时时nfifr与与轴频调制轴频调制n=1,2,3nfifc 与与滚动体公滚动体公转频率调转频率调制制n=1,2,3滚动体滚动体公转频率公转频率即保持架即保持架转频转频nfifi内圈内圈故障故障机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.3 4.3 故障轴承的频谱故障轴承的频谱 故障故障类别类别条条件件故障故障频率频率频频 谱谱备注备注外圈外圈有点有点蚀蚀n=1,2,3滚滚动动体体有有点点蚀蚀无径无径向
13、间向间隙时隙时n=1,2,3有径有径向间向间隙时隙时与滚动体与滚动体公转频率公转频率调制调制n=1,2,3保持保持架不架不平衡平衡fo内圈故障内圈故障fb滚动体故滚动体故障障机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、判定标准、判定标准 a、绝对判定标准绝对判定标准b、相对判定标准相对判定标准c、类比判定标准类比判定标准一般是兼用以上三种判断标准，才能获得准确、可靠的诊断成果。一般是兼用以上三种判断标准，才能获得准确、可靠的诊断成果。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障
14、的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪（1 1）测试震动速度有效值（振级）测试震动速度有效值（振级）（2 2）冲击脉冲法）冲击脉冲法图图5-13 5-13 脉冲诊断法示意图脉冲诊断法示意图 机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪（2 2）冲击脉冲法）冲击脉冲法仪器：瑞典仪器：瑞典SPM公司生产的公司生产的SPM-43A冲击脉冲仪冲击脉冲仪 或或 SKF公司生产的公司生产的TMED-1轴承故障诊断仪轴承故障诊断仪显示参数：冲击峰值显示参数：冲击峰值dB
15、MdBM（实际的冲击脉冲值与实际的冲击脉冲值与dBidBi之差。使之差。使 dBMdBM仅与轴承损伤程度有关，而与轴承尺寸和转速无关）仅与轴承损伤程度有关，而与轴承尺寸和转速无关）设置参数：根据轴承的内径尺寸和转速选择基准脉冲值设置参数：根据轴承的内径尺寸和转速选择基准脉冲值dBi（用旋钮）用旋钮）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪(简易简易)图图4-42 CMJ-14-42 CMJ-1型冲击脉冲计结构简图型冲击脉冲计结构简图1 1壳体；壳体；22扬声器；扬声器；33发光二极
16、管；发光二极管；44预置拨盘；预置拨盘；55工作拨盘；工作拨盘；66探头（加速度传感器）探头（加速度传感器）（2 2）冲击脉冲法）冲击脉冲法机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4、轴承故障的简易诊断法、轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪表盘上划分为表盘上划分为绿绿、黄黄、红红三个示值区域三个示值区域绿绿区区轴承工作状态良好，无损伤，轴承工作状态良好，无损伤，dBMdBM 20黄黄区区轴承工作表面有轻微损伤，可能不断扩大，轴承工作表面有轻微损伤，可能不断扩大，20 dBMdBM 35dBMdBM 5050时应检查更换时应检查更换 机械工
17、程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪(简易简易)图图4-44 4-44 使用使用CMJ-1CMJ-1测点位置示意图测点位置示意图1 1滚动轴承；滚动轴承；22轴承座；轴承座；33冲击脉冲探头冲击脉冲探头nn轴承转速；轴承转速；dd轴承内径；轴承内径；AA测点测点（2 2）冲击脉冲法）冲击脉冲法机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、使用便携式测振仪、使用便携式测振仪(简易简易)图图7-12 DZ-57-1
18、2 DZ-5振动测量分析仪外形及开关设置振动测量分析仪外形及开关设置11压电式传感器压电式传感器22加速度、速度、位移选择开关加速度、速度、位移选择开关3434档按键开关档按键开关44指示表头指示表头55调频开关和频率调节旋钮调频开关和频率调节旋钮66量程选择量程选择77外接记录插座外接记录插座88输入校正输入校正机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4、轴承故障的简易诊断法、轴承故障的简易诊断法、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分（1）振动值诊断法）振动值诊断法峰值峰值P：适用于表面点蚀损伤之类具有瞬时冲击的故障
19、诊断。适用于表面点蚀损伤之类具有瞬时冲击的故障诊断。对于转速低于对于转速低于300r/min的情况也常用。的情况也常用。均值均值A（经绝对值处理后的平均值）：一般用于转速高于经绝对值处理后的平均值）：一般用于转速高于300r/min时。时。均方根值均方根值Prms：适用于摩擦之类振动值随时间缓慢变化的情况。适用于摩擦之类振动值随时间缓慢变化的情况。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分（2）波形因素诊断法（）波形因素诊断法（P/A）P/
20、A过大时，表明轴承可能有点蚀过大时，表明轴承可能有点蚀P/A过小时，表明轴承可能发生了磨损过小时，表明轴承可能发生了磨损（3）峰值系数（峰值因子）峰值系数（峰值因子）（P/Prms）诊断法诊断法机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分（4）概率密度诊断法）概率密度诊断法采用采用“峭度峭度”44来诊来诊断断式中：式中：振幅均值振幅均值 标准差标准差当当 4=34=3 时，正常；时，正常；4 43 3时，异常（点蚀，有冲击）时，异常（点蚀，有
21、冲击）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分（4）概率密度诊断法）概率密度诊断法采用采用“偏态偏态”33来诊来诊断断式中：式中：振幅均值振幅均值 标准差标准差当当 3=03=0 时，正常；时，正常；3030时，时，偏离了正态分布，异常。偏离了正态分布，异常。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.4 轴承故障的简易诊断法轴承故障的简易诊断法、在线监测与故障诊断系统中的状态监测部分、在线监测与故障诊断系统
22、中的状态监测部分（4）概率密度诊断法）概率密度诊断法图图5-8 5-8 几种不同的概率密度函数图几种不同的概率密度函数图(a)(a)正常正常 (b)(b)无明显故障无明显故障 (c)(c)存在划伤存在划伤 (d)(d)疲劳疲劳机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5 4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）、低频信号分析法、低频信号分析法监测频带：监测频带：020KHZ，常用常用01 KHZ 加速度信号积分为速度信号，进行频谱分析（功率谱），与加速度信号积分为速度信号，进行频谱分析（功率谱），与故障特征频率
23、相对照，确定故障类别和原因。故障特征频率相对照，确定故障类别和原因。一般的一般的FT功率谱的缺点：低频噪声干扰大，信噪比小。功率谱的缺点：低频噪声干扰大，信噪比小。减少噪声影响的方法：同步平均法减少噪声影响的方法：同步平均法（一般取（一般取20个以上样本，谱平均）个以上样本，谱平均）机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5 4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）、低频信号分析法、低频信号分析法(1)基频识别基频识别 图图5-9 某有故障的轴承与完好轴承的频谱对比图某有故障的轴承与完好轴承的频谱对比图(2)
24、谐频识别谐频识别(3)边频识别边频识别机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.54.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）4.5.2 4.5.2 谐振信号分析法谐振信号分析法监监测测频频带带：3040KHZ（轴轴承承元元件件的的固固有有频频率率一一般般在在此此频频带带内内）。对对应应滚滚动动体体或或内内、外外圈圈的的自自由由振振动动（由由轴轴承承故故障障激激发）的固有频率。发）的固有频率。优点：压电加速度计的磁座、机壳及邻近零件的谐振频率均优点：压电加速度计的磁座、机壳及邻近零件的谐振频率均 远离这一频带，信噪
25、比高。远离这一频带，信噪比高。缺点：采样频率要求太高，数据量太大。缺点：采样频率要求太高，数据量太大。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5 4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）包络法（共振解调法包络法（共振解调法）监测频带：传感器的一阶谐振频带（监测频带：传感器的一阶谐振频带（120KHZ）优点：可消除各种低频成分的干扰。优点：可消除各种低频成分的干扰。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业共振解调法原理机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业共振解调法原理优点：优点：只要存在着缺陷冲击，就会发生
26、高频冲击谐波，就能引起只要存在着缺陷冲击，就会发生高频冲击谐波，就能引起谐振器的共振，即共振解调波与轴承缺陷的存在是对应的谐振器的共振，即共振解调波与轴承缺陷的存在是对应的。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5 4.5 轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）轴承故障的精密诊断法（即虚拟仪器分析系统）包络法（共振解调法包络法（共振解调法）用低频信号分析法和包络法得到的谱图用低频信号分析法和包络法得到的谱图 a、b分别用低频信号分析法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图分别用低频信号分析法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图.c、d分别用包络法得
27、到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图分别用包络法得到的轴承正常状态、缺陷状态运行时的谱图.机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5.4 倒频谱分析倒频谱分析 在滚动轴承故障信号分析中，由于存在明显的调制在滚动轴承故障信号分析中，由于存在明显的调制现象现象,在频谱图中形成不同族的调制边频带。在频谱图中形成不同族的调制边频带。由于各运动件在力的相互作用下各自形成特有的通由于各运动件在力的相互作用下各自形成特有的通过频率，并且相互叠加与调制，在功率谱图上形成多族过频率，并且相互叠加与调制，在功率谱图上形成多族谐波成分。谐波成分。倒频谱分析具有解调功能，因此采用倒
28、频谱分析可倒频谱分析具有解调功能，因此采用倒频谱分析可以有效地对轴承故障进行诊断。以有效地对轴承故障进行诊断。机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5.4 4.5.4 倒频谱分析倒频谱分析有故障滚动轴承的振动信号有故障滚动轴承的振动信号正常滚动轴承的振动信号正常滚动轴承的振动信号机械工程及自动化专业机械工程及自动化专业第四章滚动轴承的振动监测与诊断4.5.4 4.5.4 倒频谱分析倒频谱分析有故障滚动轴承的振动信号有故障滚动轴承的振动信号倒频谱图上有两根明显的谱线倒频谱图上有两根明显的谱线,其其倒频率分别是倒频率分别是9.47ms9.47ms和和37.9ms37.9ms，对应的故障特征频率分别是对应的故障特征频率分别是106Hz106Hz和和26.3926.39Hz。滚动体故障特征频率滚动体故障特征频率理论计算值为理论计算值为106.35Hz106.35Hz，内圈故，内圈故障特征频率理论计算值为障特征频率理论计算值为26.35Hz26.35Hz。