机械故障诊断技术_习题参考答案

参考答案

教材：设备故障诊断，沈庆根、郑水英，化学工业出版社，2006.3第1版

2010.6.28 于电子科技大学

1第1章概论

1.1 机械设备故障诊断包括哪几个方面的内容？

答：机械设备故障诊断所包含的内容可分为三部分。

第一部分是利用各种传感器和监测仪表获取设备运行状态的信息，即信号采集。采集到的信号还需要用信号分析系统加以处理，去除无用信息，提取能反映设备状态的有用信息（称为特征信息），从这些信息中发现设备各主要部位和零部件的性能是处于良好状态还是故障状态，这部分内容称为状态监测，它包含了信号采集和信号处理。

第二部分是如果发现设备工作状态不正常或存在故障，则需要对能够反映故障状态的特征参数和信息进行识别，利用专家的知识和经验，像医生诊断疾病那样，诊断出设备存在的故障类型、故障部分、故障程度和产生故障的原因，这部分内容称为故障诊断。

第三部分称为诊断决策，根据诊断结论，采取控制、治理和预防措施。

在故障的预防措施中还包括对设备或关键零部件的可靠性分析和剩余寿命估计。有些机械设备由于结构复杂，影响因素众多，或者对故障形成的机理了解不够，也有从治理措施的有效性来证明诊断结论是否正确。

由此可见，设备诊断技术所包含的内容比较广泛，诸如设备状态参数（力、位移、振动、噪声、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力和流量等）的监测，状态特征参数变化的辨识，机器发生振动和机械损伤时的原因分析，故障的控制与防治，机械零部件的可靠性分析和剩余寿命估计等，都属于设备故障诊断的范畴。

1.2 请简述开展机械设备故障诊断的意义。

答：1、可以带来很大的经济效益。

①采用故障诊断技术，可以减少突发事故的发生，从而避免突发事故造成的损失，带来可观的经济效益。

②采用故障诊断技术，可以减少维修费用，降低维修成本。

2、研究故障诊断技术可以带动和促进其他相关学科的发展。故障诊断涉及多方面的科学知识，诊断工作的深入开展，必将推动其他边缘学科的相互交叉、渗透和发展。

2第2章故障诊断的信号处理方法

2.1 信号特征的时域提取方法包括哪些？

答：信号特征的时域提取方法包括平均值、均方根值、有效值、峰值、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、偏度指标（或歪度指标、偏斜度指标）、峭度指标。这些指标在故障诊断中不能孤立地看，需要相互印证。同时，还要注意和历史数据进行比较，根据趋势曲线作出判别。

2.2 时域信号统计指标和频谱图在机械故障诊断系统中的作用分别是什么？

答：时域信号统计指标的主要作用是用于判定机械设备是否有故障（故障隐患）、程度如何、发展趋势怎样等这类维修指导性工作。

信号特征在时域中的统计指标有两类：单值函数类和分布函数类。单值函数类统计指标以简单的1个数值来实现判定要求，因而成为机械故障诊断系统中时域信号特征的主要指标。它们是：平均值、均方根值（有效值）、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、歪度指标、峭度指标。其中最主要的是均方根值，它是判定是否存在故障的重要指标。其它指标用于回答程度如何。这些指标的时间历程曲线用于回答发展趋势怎样。

频谱图在机械故障诊断系统中用于回答故障的部位、类型、程度等问题。

振动参数有三项：频率、幅值、初相位。相位差与各部件之间的运动关系相关，频率与该部件的运动规律相关，振幅与该部件的运动平稳性相关。当机械状态劣化时，首先表现的是运动平稳性变坏，由此造成振动幅值的增大。关注频率与振动幅值的变化是机械故障分析工作的指导原则。

2.3 在观察频谱图作故障诊断分析时，应注意哪些要点？

答：1、注意那些幅值比过去有显著变化的谱线，分析它的频率对应着哪一个部件的特征频率。

2、观察那些幅值较大的谱线（它们是机械设备振动的主要因素），关注这些谱线的频率所对应的运动零部件。

3、注意与转频有固定比值关系的谱线（它们是与机械运动状态有关的状态信息），注意它们之中是否存在与过去相比发生了变化的谱线。

2.4 频率细化分析的基本思想是什么？请简述频谱细化的过程。

答：频率细化分析的基本思想是利用频移定理，对被分析信号进行复调制，再重新采样作傅里叶变换，可得到更高的频率分辨率。主要计算步骤如下。 {}

复调制细化分析过程

1、选用采样频率t

s Δ=

πω2进行采样，得到N 点离散序列{}n x 。假设需要细化的频带是中心频率为k ω的一个窄带12ωω?，这里的1ω和2ω分别是以k ω为中心频率的窄带的左、右端点频率。 2、用一个复序列t

n j k e Δ?ω乘以{}

n x 进行复调制，得到N 点新离散复序列{}n y 。

3、对{}n y 进行低通滤波得到离散复序列{}n g 。

4、对{}n g 进行重新采样，得到离散复序列{}n r 。

5、对重抽样后的复序列{}n r 进行复数FFT 变换，即可得到细化后中心频率为k ω带宽为12ωω?的细化谱。 2.5 轴心轨迹图通常应用在什么场合？如何绘制轴心轨迹图？

答：轴心轨迹图常用于分析机械转子系统状态信息。

轴心运动轨迹是指轴颈中心相对于轴承座在轴线垂直平面内的运动轨迹，简称为轴心轨迹。轴心轨迹是一平面曲线，与幅频或相频特性曲线比较，它更加直观地反映了转轴的运动情况。

轴心轨迹的测量，是将两个涡流传感器安装在转轴同一截面上，彼此互成90°（因为轴心轨迹图中的

x 、y 坐标是垂直的。），两路信号必须同步采样。

轴心轨迹实际上是由x 、y 方向上的位移振动信号合成的李莎茹图形，因此，如果直接把某一时刻x 、y 方向上的位移信号直接描绘在x 、y 坐标轴上，这一点就是该时刻轴心的位置，将不同时刻的轴心位置点连接起来，就形成了轴心轨迹图。将x 、y 两个传感器所测的数值看作是轴心轨迹在x 、y 两个方向的投影，去掉其中的直流分量（平均值——代表传感器与轴颈表面的间隙），再按照(x,y)坐标值进行绘制。

2.6 什么是二维全息谱？全息谱和轴心轨迹图有什么联系？振动信号的特征是通过全息谱的什么来反映的？

答：将转子测量截面上水平和垂直两方向的振动信号作傅里叶变换，从中提取各主要频率分量的频率、幅值和相位。然后按照各主要频率分量分别进行合成，并将合成结果按频率顺序排列在一张谱图上，就得到了二维全息谱。

二维全息谱就是在一个平面坐标上表示出转子振动时各个频率分量下的轴心轨迹。谱图的横坐标为转子振动的阶比（即频率），对转子截面水平和垂直方向的振动信号作FFT 谱分析，对应地提取出各主要阶比频率的幅值和相位，再将各个频率成分在水平和垂直方向上的幅值和相位进行融合，得到各频率分量对应的轨迹图形，将这些轨迹图依次放置在横坐标的相应位置上，就形成了二维全息谱。

二维全息谱包含了转子测量面处的频率、幅值和相位的全部信息。一般情况下，二维全息谱是偏心率不等的椭圆，椭圆的偏心率和长轴方向不同程度地反映了该频率成分的振动特点。

2.7 倒频谱和一般的功率谱相比有什么优点？

答：倒频谱有以下优点：

1、倒频谱是频域函数的傅里叶逆变换，对功率谱函数取对数的目的，是使变换后的信号能量格外集中，突出幅值比较小的信号的周期，可以有效地提取和识别频谱上的周期成分，便于对原信号的识别。

2、利用倒频谱分析方法可解卷积，易于分离源信号和传递系统，利于对原信号的识别。

3、倒频谱受传输途径的影响很小，便于排除因传感器安装位置的不同而带来的影响。

2.8 Hilbert 变换有什么特点？简述Hilbert 变换实现解调的原理。

答：Hilbert 变换有以下特点：

1、希尔伯特变换是从时域到时域的变换，它是在时域内进行的，不同于在时域和频域间进行转换的傅里叶变换。

2、希尔伯特变换的结果是将原信号的相位平移了90°（负频率作+90°相移，正频率作-90°相移），所以这种变换又称为90°移相滤波器或垂直滤波器。

3、希尔伯特变换只影响原信号的相位，不会影响到原来信号的幅值。

4、希尔伯特变换前后，原信号的能量不会由于相位的移动发生变化。

5、由于变换只是将原信号作了90°相移，原信号与它的希尔伯特变换构成正交副。

Hilbert 变换解调原理：

设一窄带调制信号))(2cos()()(0t t f t a t x ?π+=，其中)(t a 是缓慢变化的调制信号。令)(2)(0t t f t ?πθ+=，dt

t d f dt t d t )(2)()(0?πθμ+==是信号)(t x 的瞬时频率。设)(t x 的希尔伯特变换为))(2sin()()(0t t f t a t x ?π+=′。则它的解析信号为：

))](2sin())(2)[cos(()()()(00t t f j t t f t a t x j t x t q ?π?π+++=′+=

解析信号的模或信号的包络为：

)()()(22t x t x t a ′+=

3 第3章 旋转机械故障诊断

3.1转子产生不平衡振动的机理是什么？不平衡故障的主要振动特征是什么？

答：旋转机械的转子由于受材料的质量分布、加工误差、装配因素以及运行中的冲蚀和沉积等因素的影响，致使其质量中心与旋转中心存在一定程度的偏心距。偏心矩较大时，静态下，所产生的偏心力矩大于摩擦力矩，表现为某一点始终回转到水平放置的转子下部（其偏心力矩小于摩擦力矩的区域内），称之为静不平衡。当偏心距较小时，不会表现出静不平衡的特征。

在转子旋转时，偏心距会使转子产生一个与转动频率同步的离心力矢量，离心力2

ωme F =，从而激发转子的振动，这种现象称之为动不平衡。

静不平衡的转子，由于偏心距e 较大，会表现出更为强烈的动不平衡振动。

当发生不平衡振动时，其故障特征主要表现如下：

1、时域波形为近似的等幅正弦波。

2、轴心轨迹为比较稳定的圆或椭圆。

3、频谱图上转子转速频率对应的振幅具有突出的峰值。

4、在三维全息图中，转频的振幅椭圆较大，其它成份较小。

5、转子的进动方向为同步正进动。

6、转子振幅对转速变化很敏感，转速下降，振幅将明显下降。

7、除了悬臂转子之外，对于普通两端支承的转子，不平衡在轴向上的振幅一般不明显。

8、振幅随转速变化明显。 3.2 转子轴系不对中故障可分为哪几类？其主要故障特征有哪些？

答：轴系不对中可分为三种：平行不对中、交叉不对中、组合不对中。

主要故障特征如下：

1、不对中所出现的最大振动往往表现在紧靠联轴节两端的轴承上。

2、轴承的振动幅值随转子负荷的增大而增高。

3、平行不对中主要引起径向振动，角度不对中主要引起轴向振动。

4、不对中使刚性联轴节两侧的转子振动产生相位差。

5、对于刚性联轴节，平行不对中易激起2倍转速频率的径向振动，同时也存在工频（转速频率）和多倍频的振动成分。角度不对中易激起工频轴向振动，同时也存在多倍频振动。

6、转子之间的不对中，由于在轴承不对中方向上产生了一个预加载荷，轴颈运动的轴心轨迹形状为椭圆形。随着预加载荷的增大，轴心轨迹形状将变为香蕉形、“8”字形或外圈中产生一个内圈等形状。

7、在全息图中2、4倍频椭圆较扁，并且两者的长轴近似垂直。

3.3 油膜涡动与油膜振荡的形成机理是什么？油膜振荡的故障特征有哪些？油膜涡动和油膜振荡有什么区别？

答：涡动就是转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时，还环绕某一平衡中心作公转运动。

轴颈在轴承中作偏心旋转时，形成进口断面大于出口断面的油楔。油液进入油楔后压力升高，如果轴颈表面线速度很高而载荷又很小，则轴颈高速旋转，使油楔中间隙大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量，由于液体的不可压缩性，多余的油就要把轴颈推向前进，形成了与轴旋转方向相同的涡动

运动，涡动速度就是油楔本身的前进速度。如果转子轴颈主要是油膜力的激励作用引起涡动，则轴颈的涡动角速度近似为转速的1/2，所以称为半速涡动。油膜激励引起的半速涡动是正向涡动运动。

在半速涡动刚出现的初期阶段，由于油膜具有非线性特性（即轴颈涡动幅度增加时，油膜的刚度和阻尼较线性关系增加得更快），抑制了转子的涡动幅度，使轴心轨迹为一稳定的封闭图形，转子仍能平稳地工作。随着转速的升高，半速涡动成分的幅值逐渐增大。直至转速升高到第一临界转速的两倍附近时，涡动频率与转子一阶自振频率相重合，转子轴承系统将发生激烈的油膜共振，这种共振涡动就称为油膜振荡，振荡频率为转子系统的一阶自振频率。如果继续升高转速，振动并不减弱，而且振动频率基本上不再随转速而升高。

轴承发生油膜振荡的故障特征主要表现如下：

1、油膜振荡是一种自激振动，维持振动的能量是由轴本身在旋转中产生的，它不受外部激励力的影响。所以，一旦发生大振幅的油膜振荡后，如果继续升高转速，振幅也不会下降，而且振动频率始终为转子的一阶自振频率，转子的挠曲振型也为一阶振型，与升高后的转速不发生关系。

2、高速轻载转子，发生油膜振荡的转速总是高于转子系统的一阶临界转速2倍以上。发生油膜振荡以后的转子主振动频率也就固定不变。

3、油膜振荡是一种非线性的油膜共振，激烈的振动会激发起油膜振荡频率Ω和转速频率ω的多倍频成分以及这两个主振频率Ω和ω的和差组合频率成分，即Ω±n m ω（m 、n 为正整数）。

4、发生油膜振荡时，轴心轨迹形状紊乱、发散，很多不规则的轨迹线叠加成花瓣形状。

5、发生油膜振荡时，由于转子发生激烈的自激振动，引起轴承油膜破裂，因而会同时发生轴颈和轴瓦的碰撞摩擦，时而发生巨大的吼叫声。轴承中的油膜共振与摩擦涡动联合作用引起的转子大振动，会给轴承和迷宫密封带来严重损伤。

6、转子转速一旦进入油膜共振区，升高转速，振荡频率不变，振幅并不下降。但是降低转速，振动也并不马上消失，油膜振荡消失的转速要低于它的起始转速，具有惯性效应。

7、油膜涡动和油膜振荡在全息谱上的故障特征是在分倍频区内偏心率很小的椭圆

油膜涡动与油膜振荡的区别如下：

1、油膜涡动与油膜振荡的发生条件

①只发生在使用压力油润滑的滑动轴承上，在半润滑轴承上不发生。

②油膜振荡只发生在转速高于临界转速的设备上。

2、油膜涡动与油膜振荡的信号特征

①油膜涡动的振动频率随转速变化，与转速频率的关系为n f f )48.0~43.0(=。

②油膜振荡的振动频率在临界转速所对应的固有频率附近，不随转速变化。

③两者的振动随油温变化明显。

3、油膜涡动与油膜振荡的振动特点

①油膜涡动的轴心轨迹是由基频与半速涡动频率叠加成的双椭圆，较稳定。

②油膜振荡是自激振荡，维持振动的能量是转轴在旋转中供应的，具有惯性效应。由于有失稳趋势，导致摩擦与碰撞，因此轴心轨迹不规则，波形幅度不稳定，相位突变。

3.4 转子发生碰摩故障时的振动特征有哪些？

答：1、转子碰摩后发生转速波动，发生短暂时间的转子扭转振动。

2、发生局部碰摩时，接触力和转子运动之间为非线性关系，使转子产生分数次谐波和高次谐波振动响应。频谱上除转子工频外，还存在非常丰富的高次谐波成分。

3、转子的进动方向由正向进动变为反向进动。

4、较轻的局部碰摩，轴心轨迹出现小圆环内圈。随着碰摩程度的增加，内圈小圆环数增多，且形状

变化不定。当发生整周摩擦时，轴心轨迹形状像花瓣形。在重摩擦转子中，往往出现

ω2

1的频率成分，其轴心轨迹形状为“8”字形。 3.5 旋转失速的故障特征有哪些？喘振与旋转失速的区别与联系有哪些？

答：旋转失速基本特征如下：

1、失速区内因为压力变化剧烈，会引起叶轮出口和管道内的压力脉动，发生机器和管道振动。

2、旋转失速产生的振动基本频率，叶轮失速在0.5～0.8倍转速频率范围内，扩压器失速在0.1～0.25倍转速频率范围内。在振动频率上既不同于低频喘振，又不同于较高频率的不稳定进口涡流。

3、压缩机进入旋转失速范围以后，虽然存在压力脉动，但是机器的流量基本上是稳定的，不会发生较大幅度的变动。

4、旋转失速引起的振动，在强度上比喘振要小，但比不稳定进口涡流要大得多。

喘振和旋转失速主要区别如下：

1、旋转失速的气体流动是非轴对称的，叶道中的一个或数个失速团沿叶栅圆周方向传播，因此气流脉动是沿着压缩机叶轮圆周方向产生的。而喘振时的气流脉动是沿着机器的轴向方向形成，虽然脉动幅度很大，但是气流基本呈轴对称分布。

2、旋转失速时，压缩机叶轮或扩压器周向各流道的气体流量随时间而脉动变化，但是通过压缩机总的平均流量是不变的。而喘振时机器总的平均流量却是随时间而变化的。

3、旋转失速的气流脉动频率、振幅主要与压缩机本身的叶栅几何参数及转速有关，而与压缩机管网容积的大小无关。但是喘振的频率、振幅却与管网容积大小密切相关，管网容积越大，喘振频率越低，振幅越大，深度喘振会往往引起转子或叶片零部件的损坏。

4、旋转失速频率比喘振频率高得多，但是机器内的压力脉动幅度则喘振远大于旋转失速。

5、旋转失速是属于压缩机本身工作不稳定的一种气动现象。而喘振不单独是机器本身问题，还与整个管网系统联系在一起，是整个系统的稳定性问题。

6、从全息谱上看，旋转失速严重时，低频分量会不断加大，其幅值会远远超过转频分量，成为机组的主要振源。这时，经常会伴随有喘振出现。因此，可以认为旋转失速是喘振的前兆。

3.6旋转机械常见的故障有哪些？转子-轴承系统的稳定性是指什么？如何判断其稳定性？

答：常见的故障有转子的不平衡、转子与联轴器的不对中、转轴弯曲、转轴横向裂纹、连接松动、碰摩、喘振等。

转子-轴承系统的稳定性是指转子在受到某种小干扰扰动后能否随时间的推移而恢复原来状态的能力，也就是说扰动响应能否随时间增加而消失。如果响应时间随时间增加而消失，则转子系统是稳定的，反之则不稳定。

4 第4章 齿轮箱故障诊断

4.1常见的齿轮失效形式有哪些？

答：根据齿轮损伤的形貌和损伤过程或机理，故障的形式通常分为齿的断裂、齿面疲劳（点蚀、剥落、龟裂）、齿面磨损、齿面划痕等四类。

4.2齿轮的特征频率计算公式是什么？

答：齿轮的特征频率主要有两个，一是啮合频率及其谐波频率，二是边频带频率。

1、当转轴中心固定的齿轮，其一阶啮合频率为：

2211z f z f f m ==

式中，1f 、2f ——主动轮和从动轮的转速频率；1z 、2z ——主动轮和从动轮的齿数。

2、边频带的频率为：

r m nf f ±（n ＝1,2,3…）

其中，r f 为齿轮轴的旋转频率。

4.3描述调制现象和边频带产生的原因。

答：齿轮中各种故障在运行中具体反映为一个传动误差问题。传动误差大，则齿轮在传动中发生忽快忽慢的转动，并且加剧在进入和脱离啮合时的碰撞，产生较高的振动峰值，形成短暂时间的幅值变化和相位变化。可把齿轮的啮合频率及其各次谐波看作一个高频振荡的载波信号，把那些周期性出现的故障信号看作调制信号。不同故障会产生不同的调制形式，那些能引起幅值变化的产生幅值调制，能引起频率或相位变化的产生频率调制。

幅值调制是由于传动系统转矩的周期性变化引起的，例如齿面上载荷波动、齿距的周期性变化、轮齿负载的灵敏度不同、齿轮基圆或节圆足以与旋转中心之间的偏心等因素，均可产生扭矩的周期性变化，这些因素反映在轮齿上是周期性的啮合力变化，时而加载，时而卸载，形成幅值调制。此外，轮齿表面的局部性缺陷（如裂纹、断齿、剥落等）和均布性缺陷（如点蚀、划痕等）也会产生幅值调制效应。经幅值调制后的信号中，除了原有的啮合频率m f 之外，还增加了一对啮合频率与旋转频率的和频（r m f f +）与差频（r m f f ?）。在频率域上，它们是以m f 为中心，以r f 为间隔距离，以幅值为

2

AB 对称地分布于m f 的两侧，称为边频带，简称边带。

齿轮的转速波动、因加工中分度误差而导致齿距不均匀、轮齿产生周期性的周节误差、齿轮轴偏心引起啮合速率的变化、周期性转矩（负荷）变化引起的速度变化等因素均可引起频率调制现象。还有齿面压力波动，在产生调幅现象的同时，也会造成扭矩波动，导致角速度变化而形成频率调制。在频谱图上以载波频率m f 为中心，以调制频率r f 为间隔，形成对称分布的无限多对调制边频带。

边频带是齿轮振动的一种特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，会造成边频带的分布和形态都发生改变，边频带包含了齿轮故障的丰富信息。 4.4边频带分析一般从哪两个方面进行？

答：边频带出现的机理是齿轮啮合频率m f 的振动受到了齿轮旋转频率r f 的调制而产生，边频带的形状和分布包含了丰富的齿面状况信息。一般从两方面进行边频带分析：

一是利用边频带的频率对称性，找出r m nf f ±（n ＝1,2,3…）的频率关系，确定是否为一组边频带。如果是边频带，则可知道啮合频率m f 和旋转频率r f 。

二是比较各次测量中边频带振幅的变化趋势。

当边频间隔为旋转频率r f 时，可能为齿轮偏心、齿距的缓慢的周期变化及载荷的周期波动等缺陷存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就重复作用一次，即这些缺陷的重复频率与该齿轮的旋转频率相一致。旋转频率r f 指示出问题齿轮所在的轴。

齿轮的点蚀等均布性故障会在频谱上形成边频带，但其边频阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧。齿轮的剥落、齿根裂纹及部分断齿等局部性故障产生的边频带阶数多而谱线分散。

5第5章滚动轴承故障诊断

5.1 滚动轴承最常见的失效形式有哪些？分别简要介绍失效原因。

答：轴承转速小于1r/min时，轴承的损坏形式主要是塑性变形。

转速大于10r/min时，轴承的损伤形式主要如下：

1、疲劳剥落（点蚀）

滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的切应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表面层金属呈片状剥落下来，形成剥落凹坑，这种现象称为疲劳剥落。疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动。在正常工作条件下，疲劳剥落是轴承失效的主要原因。

2、磨损或擦伤

滚动体与滚道之间的相对运动，以及外界污物的侵入，是轴承工作面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确，均会加剧磨损或擦伤。

3、锈蚀和电蚀

锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜产生电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。

4、断裂

轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种损坏形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良所引起的。转速过高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。

除上述故障形式之外，还有装配不当、机械冲击和反复换向等原因会引起保持架的摩擦和断裂。保持架与内、外圈摩擦，发出噪声和振动，严重时卡死滚动体，滚动体在滚道上以滑动代替滚动，结果是摩擦发热，温度迅速升高，烧毁轴承。此外，润滑剂不足，高速、高温、重载，将导致接触表面的胶合和回火变形。

5.2 滚动轴承运行时为什么会产生振动？

答：引起滚动轴承振动和噪声的原因，除了外部激励因素（如转子的不平衡、不对中、流体激励、结构共振等传动传递）之外，属于轴承本身内部原因产生的振动可分为如下三类：

1、由于轴承结构本身引起的振动

①滚动体通过载荷方向产生的振动；

②套圈（内圈和外圈）的固有振动；

③轴承弹性特性引起的振动。

2、由于轴承形状和精度问题引起的振动

①套圈、滚道和滚动体波纹度引起的振动；

②滚动体大小不均匀和内、外圈偏心引起的振动。

3、由于轴承使用不当或装配不正确引起的振动

①滚道接触表面局部性缺陷引起的振动

②润滑不良，由摩擦引起的振动；

③装配不正确，轴颈偏斜产生的振动。

5.3 滚动轴承有哪些特征频率？其计算公式是什么？

假设滚动轴承的外圈固定在轴承座上，只有内圈随轴一起以频率f 旋转，并作如下假设：①滚动体与滚道之间无滑动接触；②每个滚动体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间；③径向、轴向受载荷时各部分无变形。受轴向力时轴承的故障特征频率有下面的几种。各参数含义如下图所示，其中d 为滚动体的直径，i D 为内环滚道的直径，o D 为外圈滚道的直径，m D 为轴承滚道直径。

1、内圈旋转频率n f （轴的转频）： 60

n f n =

2、内圈有缺陷时的故障特征频率： )cos 1(2

m n i D d f z f β+=

3、外圈有缺陷时的故障特征频率： cos 1(2m n o D d f z f β?=

4、滚珠有缺陷时的故障特征频率（注意这是只碰外圈（或内圈）一次的频率，如果每转一圈分别碰外圈和内圈各一次的话，则频率应该加倍）：

d D D d f f m m

n RS )cos 1(21222β?= 5、保持架碰外圈时的故障特征频率：

)cos 1(21m

n Bo D d f f β?=

6、保持架碰内圈时的故障特征频率： )cos 1(21m n Bi D d f f β+=

式中，z 为滚动体的个数，β为压力角，n 为转轴的转速（r/min ）。

5.4 简述共振解调技术的基本原理和作用。

答：共振解调法也称包络检波频谱分析法，是目前滚动轴承故障诊断中最常用的方法之一。

原理：利用轴承故障所激发的轴承元件固有频率的振动信号，经加速度传感器的共振放大，带通滤波及包络检波等信号处理，保留检波后的波形，再用频谱分析法找出故障信号的特征频率，以确定轴承的故障元件。其过程可概括为共振响应、包络解调、频谱分析3个步骤。

作用：信号经过共振放大和包络检波处理后，与原始脉冲波比较，振幅得到放大，波形在时域上得到展宽，不再是一个包含频率无线多的尖脉冲。而且包络波的低阶频率成分所具有的能量较原始脉冲波的低

阶频率成分的能量有了极大增强，所以最终获得的故障信号信噪比，比原始信号提高了几个数量级。其作用主要是提高低频故障信号的信噪比，便于识别和判断轴承故障。

6第6章无损检测技术在机械设备诊断中的应用6.1 为什么通过油样分析可以实现机械设备的故障诊断？

答：液压油和润滑油是机械设备广泛应用的两类工作油，机器运行时，在油液中携带有大量设备运行状态的信息，特别是润滑油，各摩擦副的磨损碎屑都将落入其中，并随之一起流动。这样，通过对润滑油的采样和分析处理，就能取得设备各摩擦副的磨损状况信息，从而对设备所处工作状态作出科学的判断。通过油样分析，能取得如下几方面的信息：

1、磨屑的浓度和颗粒大小反映了机器磨损的严重程度。

2、磨屑的大小和形貌反映了磨屑产生的原因，即磨损发生的机理。

3、磨屑的成分反映了磨屑产生的部位，亦即零件磨损的部位。

将以上三方面的信息综合起来，即可对零件摩擦副的工作状态作出比较合乎实际的判断。

6.2 光谱分析和铁谱分析的原理分别是什么？试讨论这两种分析技术的优缺点。

答：油样的光谱分析又称SOA法（Spectrographic Oil Analysis），就是利用油样中含有金属元素的原子在高压放电或高温火焰燃烧时，原子核外的电子吸收能量从低能级轨道跃迁到较高能级的轨道，但是这样的原子能量状态是不稳定的，电子会自动地从高能级轨道跃迁回原来能级轨道，与此同时，以发射光子的形式把吸收的能量辐射出去。不同元素的原子放出光的波长不同，称为特征波长。经过棱镜或光栅分光系统，将辐射线按一定波长顺序排列，所得到的谱图称为光谱。测量各特征波长的谱线和强度，就可检测到该种元素存在与否及其含量多少，推断出产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应的零部件工作状态作出判断。

铁谱分析方法是利用经过稀释的油液通过一块具有高磁场梯度的玻璃片或玻璃管，将润滑油中所含的磨粒或碎屑，按其粒度大小有序地分离开来，经过光学显微观察和光密度讲计数，可对磨屑的来源、产生的原因以及零部件磨损的程度进行定性和定量分析，并及时作出机器零部件的故障预报。铁谱技术具有较高的检测效率和较宽的磨屑尺寸检测范围，可同时给出磨损机理、磨损部位以及磨损程度等方面的信息。

光谱分析可以了解润滑油中金属含量，但不能分析金属颗粒的形状、磨损类型。铁谱分析可以了解磨损颗粒形状和类型，但不能准确掌握磨损金属含量。光谱分析法对分析油液中有色金属磨损产物比较适用，而铁谱技术对非铁磁性磨损颗粒的检测效果欠佳，不能对有色合金摩擦副实施有效监测。因此，两者可互为补充，互为参考。两者结合，既可定性又可定量地分析润滑油中的金属含量，而且有利于分析金属颗粒的来源。

6.3 声发射检测机械设备故障的原理是什么？通常可用声发射技术检测哪些故障？

答：声发射就是材料在外载荷（如力、热、电、磁等）和内力的作用下以弹性波的形式释放应变能的现象。金属材料在外部载荷下产生塑性变形（晶格滑移变形和孪生变形等）时会发生声发射。材料中裂纹的形成和扩展过程、不同相界面间发生断裂以及复合材料的内部缺陷的形成也都能成为声发射源。由于物体发射出来的每一个声音信号，都包含着反映物体内部缺陷性质和状态变化的信息，因此，利用检测装置接收物体的发声信号，经过处理、分析和研究，可推断出材料内部的状态变化和物体的结构变化。

目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于许多领域，声发射技术检测的故障可

以归纳为如下几类：

1、各种压力容器、压力管道等的泄漏检测。

2、楼房、桥梁、隧道、大坝等水泥结构的裂纹开裂和扩展的连续监视。

3、各种材料和结构的裂纹探测、结构完整性检测。