滚动轴承的状态监测和故障诊断.ppt
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1、第五章滚动轴承的状态第五章滚动轴承的状态第五章滚动轴承的状态第五章滚动轴承的状态监测与故障诊断监测与故障诊断监测与故障诊断监测与故障诊断n概述概述n滚动轴承的失效形式滚动轴承的失效形式n滚动轴承的振动滚动轴承的振动n滚动轴承的故障诊断方法滚动轴承的故障诊断方法 滚动轴承的故障诊断开始于滚动轴承的故障诊断开始于6060年代。年代。19661966年瑞典年瑞典SKFSKF公司发明了用冲击脉冲仪(公司发明了用冲击脉冲仪(Shock Shock Pulse MeterPulse Meter)检测轴承损伤,将滚动轴承的故障诊)检测轴承损伤,将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。断水平提高了一个档次。滚
2、动轴承尺寸的选择2第二节第二节 滚动轴承的失效形式滚动轴承的失效形式疲劳点蚀或剥落胶合断裂滚动轴承常见的失效形式:滚动轴承常见的失效形式:磨损 保持架损坏烧伤第三节第三节滚动轴承的振动滚动轴承的振动与轴承的结构有关的振动与轴承的结构有关的振动无论轴承正常与否,都会产生振动无论轴承正常与否,都会产生振动与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型反映了轴承的损坏状况反映了轴承的损坏状况一、滚动轴承的振动机理一、滚动轴承的振动机理 1 1、承载状态下滚动轴承的振动、承载状态下滚动轴承的振动(1 1)轴承结构特点引起的振动)轴承结构特点引起的振动 滚动轴承在承载时,由于在
3、不同位置承载的滚子数目不同,滚动轴承在承载时,由于在不同位置承载的滚子数目不同,因而承载刚度会有所变化,引起轴心的起伏波动。要减少这种振因而承载刚度会有所变化,引起轴心的起伏波动。要减少这种振动的振幅可以采用游隙小的轴承或加预紧力去除游隙。动的振幅可以采用游隙小的轴承或加预紧力去除游隙。(2 2)轴承刚度非线性引起的振动)轴承刚度非线性引起的振动 滚动轴承的轴向刚度常呈非线性,特别是当润滑不良时,滚动轴承的轴向刚度常呈非线性,特别是当润滑不良时,易产生异常的轴向振动。在刚度曲线呈对称非线性时,振动易产生异常的轴向振动。在刚度曲线呈对称非线性时,振动频率为频率为fn,2fn.,3fn,;在刚度曲
4、线呈非对称非线性时,振动;在刚度曲线呈非对称非线性时,振动频率为频率为 分数谐频(分数谐频(fnfn为轴回转频率)。为轴回转频率)。图图 轴承的轴向刚度轴承的轴向刚度 (3 3)轴承制造装配的原因)轴承制造装配的原因 加工面波纹度引起的振动加工面波纹度引起的振动由轴承零件的加工面(内圈、外圈滚道面及滚动体由轴承零件的加工面(内圈、外圈滚道面及滚动体面)的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见,面)的波纹度引起的振动和噪声在轴承中比较常见,这些缺陷引起的振动为高频振动(比滚动体在滚道上这些缺陷引起的振动为高频振动(比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍)。的通过频率高很多倍)。图图由轴承零件波纹度引
5、起的轴心摆动由轴承零件波纹度引起的轴心摆动当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动。当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动。图图轴承偏心引起的轴承振动轴承偏心引起的轴承振动轴承偏心引起的振动轴承偏心引起的振动 滚动体大小不均匀会导致轴心摆动,还有支承刚性的滚动体大小不均匀会导致轴心摆动,还有支承刚性的变化。变化。滚动体大小不均匀引起轴心摆动滚动体大小不均匀引起轴心摆动图图滚动体大小不均匀引起的轴心滚动体大小不均匀引起的轴心2 2、故障轴承振动信号特征、故障轴承振动信号特征(1 1)磨损类损伤)磨损类损伤轴承磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同的性质,轴承磨损后产生的振动同正常轴承的振
6、动具有相同的性质,即两者的波形均无规则、随机性强,但磨损后振动水平(幅值)即两者的波形均无规则、随机性强,但磨损后振动水平(幅值)明显高于正常轴承。明显高于正常轴承。图图正常轴承和磨损轴承的振动波形正常轴承和磨损轴承的振动波形a)正常轴承正常轴承b)磨损轴承磨损轴承 损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力,该脉冲力是一宽带信号,所以必然覆盖轴承系统的固有振动频率而引起谐振。TnTc图图产生表面损伤轴承的振动信号产生表面损伤轴承的振动信号特征频率特征频率由于轴承的旋转由于轴承的旋转,滚动体便在内滚动体便在内,外圈之间滚动外圈之间滚动.轴承的滚轴承的滚动表面虽加工得非常平滑动表面虽加工得非
7、常平滑,但从微观来看但从微观来看,仍有小的凹凸。仍有小的凹凸。滚动体在这些凹凸面上转动时滚动体在这些凹凸面上转动时,产生交变的激振力。所产生产生交变的激振力。所产生的振动既是随机的,又含有滚动体的传输振动,其主要频的振动既是随机的,又含有滚动体的传输振动,其主要频率为滚动轴承的特征频率。率为滚动轴承的特征频率。图图滚动轴承的典型结构滚动轴承的典型结构内圈的故障频率内圈的故障频率 外圈的故障频率外圈的故障频率 滚动体故障频率滚动体故障频率 保持架故障频率保持架故障频率 Z-滚动体数、滚动体数、-内外环相对转速频率、内外环相对转速频率、d-滚动体直径、滚动体直径、D-节圆直径、节圆直径、-接触角、
8、接触角、分别为内外环转速频率,二者方分别为内外环转速频率,二者方向一致取正号,方向相反则取负号。向一致取正号,方向相反则取负号。不计轴承各元件的弹性变形并认为滚动体与滚道之不计轴承各元件的弹性变形并认为滚动体与滚道之间为纯滚动。间为纯滚动。3 3、滚动轴承元件的固有振动频率、滚动轴承元件的固有振动频率 滚动轴承元件出现缺陷或结构不规则时,在运行中,激发各滚动轴承元件出现缺陷或结构不规则时,在运行中,激发各个元件以其固有频率振动,各轴承元件的固有频率取决于元件个元件以其固有频率振动,各轴承元件的固有频率取决于元件本身的材料、外形和质量。本身的材料、外形和质量。轴承圈在的固有频率为:轴承圈在的固有
9、频率为:式中式中n振动阶数(变形波数),振动阶数(变形波数),n2 2,3 3,;E弹性模弹性模量;量;I套圈横截面的惯性矩;套圈横截面的惯性矩;密度;密度;A套圈横截面积,套圈横截面积,AbhAbh;D套圈横截面中性轴直径;套圈横截面中性轴直径;g重力加速度。重力加速度。钢球振动的固有频率为:钢球振动的固有频率为:式中式中R钢球半径;钢球半径;二、测点的选择二、测点的选择 滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播,通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动外传播,通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动所含的
10、频率很高,每通过零件的界面传递一次,其能量损失约所含的频率很高,每通过零件的界面传递一次,其能量损失约8080。因此,测量点应尽量靠近被测轴承的承载区,应尽量减少中。因此,测量点应尽量靠近被测轴承的承载区,应尽量减少中间传递环节,探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。间传递环节,探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。图图传感器位置对故障检测灵敏度的影响传感器位置对故障检测灵敏度的影响三、分析谱带的选择滚动轴承的故障特征在不同频带上都有反映,因此,可以利用不同的频带,采用不同的方法对轴承的故障做出诊断。1低频段在滚动轴承的故障诊断中,低频率段指1kHz以下的频率范围。由于轴承的故障特征频率(通过
11、频率)通常都在1kHz以下,此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线,做出判断。2中频段 在滚动轴承的故障诊断中,中频段指120kHz频率范围。包含有轴承元件表面损伤引起的轴承外圈的固有振动频率等。通过分析这一频带内的振动信号,可以较好地诊断出轴承的损伤类故障。如果测量用的传感器谐振频率较高,那么由于轴承损伤引起的冲击在高频带(20kHz以上),对此频带分析也可以诊断出轴承的故障。四、传感器的选择与固定方式四、传感器的选择与固定方式 滚动轴承的振动属于高频振动,对于高频振动的测量,传滚动轴承的振动属于高频振动,对于高频振动的测量,传感器的固定采用手持式方法显然不合适,一般也不推荐磁性座感器的固定采
12、用手持式方法显然不合适,一般也不推荐磁性座固定,建议采用钢制螺栓固定,这样不仅谐振频率高,可以满固定,建议采用钢制螺栓固定,这样不仅谐振频率高,可以满足要求,而且定点性也好,对于衰减较大的高频振动,可以避足要求,而且定点性也好,对于衰减较大的高频振动,可以避免每次测量的偏差,使数据具有可比性。免每次测量的偏差,使数据具有可比性。3 3高频段高频段在滚动轴承的故障诊断中,高频率段指在滚动轴承的故障诊断中,高频率段指202080kHz80kHz频率范围。频率范围。由于轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段,由于轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段,如果采用合适的加速度传感器和
13、固定方式保证传感器较高的谐振如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率,利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号,频率,利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号,对故障诊断非常有效。瑞典的冲击脉冲计(对故障诊断非常有效。瑞典的冲击脉冲计(SPMSPM)和美国首创的)和美国首创的IFDIFD法就是利用这个频段。法就是利用这个频段。第四阶段第三阶段第二阶段第一阶段在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率的基频和高次谐波,并伴随有转速频率的边频带,各种手段所测频谱图的基底噪音水平升高,继而轴承故障频率开始消失被随机振动或噪音代替轴承故障频率的谐波开始出现,边频
14、带数目逐渐增多轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段故障频率出现在超声频段五、轴承失效的四个阶段五、轴承失效的四个阶段 滚动轴承的频谱分析高频段是否有能量堆积或峰群出现无:没有早中期故障有:存在早中期故障 在低频段出现轴承的故障特征频率及倍频 故障特征频率的峰值增大,故障恶化 诊断思路诊断思路第三节第三节滚动轴承的故障诊断方法滚动轴承的故障诊断方法一、滚动轴承的简易诊断一、滚动轴承的简易诊断1.1.振幅值诊断法振幅值诊断法振幅值指振幅值指峰值峰值XP、均值、均值X以及以及均方根值(有效值)均方根值(有效值)Xrms。峰值峰值反映的是某时刻振幅的最大值,因而它适用于像表面点反映的是某时刻振幅的
15、最大值,因而它适用于像表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外,对于转速较低的蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外,对于转速较低的情况(如情况(如300r/min300r/min以下),也常采用峰值进行诊断。以下),也常采用峰值进行诊断。均值均值用于诊断的效果与峰值基本一样,其优点是检测值较峰用于诊断的效果与峰值基本一样,其优点是检测值较峰值稳定,但一般用于转速较高的情况(如值稳定,但一般用于转速较高的情况(如300r/min300r/min以上)。以上)。均方根值均方根值是对时间平均的,因而它适用于像磨损之类的振幅是对时间平均的,因而它适用于像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊
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- 滚动轴承 状态 监测 故障诊断
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