Chapte讲义r05_滚动轴承故障诊断mfd,故障诊断,电子科技大学
第五章 滚动轴承故障诊断
图 共振解调法的信号变换过程
图 (a)为理想的故障 微冲击脉冲信号F(t)， 它在时域上的脉宽极 窄，幅值很小，而脉 冲的频率成分很丰 富。虽然这种脉冲是 以T为周期，在频谱上 却直接反映不出对应 的频率1／T成分。
图 共振解调法的信号变换过程
图(b)是脉冲信号由传 感器接收后，经过电子 高频谐振器谐振，就产 生了一组组共振响应 波。这是一种幅值被放 大了的高频自由衰减振 荡波，振荡频率就是谐 振器的谐振频率 ƒn(ƒn=1/Tn)，它的最大 幅值是与故障冲击的强 度成正比，而且每组振 荡波在时域上得到了展 宽，振荡波的重复频率 与故障冲击的重复频率 相同。
图 共振解调法的信号变换过程
把包络波作为新的 振动波形进行频谱分 析，在频谱图上可以 清楚地显示出冲击频 率及其谐波成分，如 图(e)所示。
图 共振解调法的信号变换过程
实现包络检波的方法有多种，常用的有两种方法： 1. 希尔伯特(Hilbert)变换法 2. 检波滤波法。
右图为204型轴承加了 30N轴向力，在试验装置 上进行测试分析的结果。 图 (a)为原信号直接用低频 信号接收法得到的频谱， 图中谱峰密集，较难寻找 出故障的特征频率。
冲击脉冲计的刻度单位用dBN值表示。 轴承的状况分为三个区： （0～20）dBN 表示轴承状况良好 （20～35）dBN 表示轴承状况已经劣化，属发展中的损伤期 （35～60）dBN 表示轴承已经存在明显的损伤。
5．共振解调法 共振解调法也称为 包络检波频谱分析法， 目前滚动轴承故障诊断 中最常用的方法之一。 共振解调法的基本原 理可用图所示信号变换 过程中的波形特征来说 明。
传感器和感应频率段的选择
传感器和感应频率段的选择，如图，这是一个航空轴 承作故障实验时得到的频谱图。轴承的故障信号分布在三个 频段，图中阴影部分。
滚动轴承的状态检测与故障诊断ppt课件
43.0Hz
Fourier Spectrum(M b)- Input (Mgnitude)
Wrking:
Input:
Input:FFT
Anal
yzer
87.0H
130.0Hz
260.0Hz
0
40
80
120
160
200
24z]
经过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜动等频率都被滤 掉了，只用考虑轴承故障和泵进排液阀冲击。而进排液阀产生的冲击频率是泵 转频的1、3、6 …倍，包络谱中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz, 不是转频5.58Hz 的倍频分量，由此断定故障不是由泵进排液阀窜绕引起的。当 轴承跑内圆或轴承磨损使间隙增大时也会在包络谱上产生转频及其谐波分量。 经过比对，这些频率分量是滚动体故障频率14.7Hz 的3、6、9、18倍频，表明滚 动体出现故障，并且很严重。
命。
2)磨损
由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损，润滑不良会加剧磨 损，结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也 降低了机器的运动精度，表现为振动水平及噪声的增大。
3)擦伤
由于轴承内外滚道和滚动体接触表面上的微观凸起或硬质颗粒使接触面 受力不均，在润滑不良、高速重载工况下，因局部摩擦产生的热量造成接触 面局部变形和摩擦焊合，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将 局部摩擦焊接点从基体上撕裂。
随着轴承的运转，轴承滚动表面会产生轻微的缺陷，这些轻微缺陷引 起的振动会激起轴承部件的固有频率(fn)振动或轴承支承结构共振， 一般振 动频率在500Hz～2kHz。
第二阶段
边频爷
1仪
3)第三阶段：轴承缺陷频率及其倍频振动阶段
Chapter03_旋转机械故障诊断mfd,故障诊断,电子科技大学解析
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3.1.2 临界转速对不平衡振动的影响
3.1.2.1 临界转速的动力特性
在工程上，把对应于转子一阶横向固有频率的转速称为临 界转速。 临界转速是指由不平衡离心力引起转子共振现象时的转速 。
转子运动的力学模型
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3.1.2.1 临界转速的动力特性
转子的临界转速往往不止一个，它与系统的自由度数目有
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3.1.4.2 转子运行中的不平衡
转子运行过程中的不平衡，可分成： 1、转子弯曲：
1）临时性弯曲 2）永久性弯曲 2、原始平衡状态破坏： 1）转子上零件破裂或飞离 2）固体杂质在叶轮上沉积 3）叶轮除锈后产2.1 转轴临时性弯曲
第一次现场动平衡 （联轴节配重5.3g） Ⅵ375
65um/235° 19um/234°
第二次现场动平衡 （联轴节配重8.2g） Ⅵ375
45um/299° 17um/285°
测点
配重前工频（幅值/相位） 配重后工频（幅值/相位）
Ⅵ376
52um/348° 13um/345°
Ⅵ376
22um/322° 6um/349° 机械电子工程学院
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3.1.4.2.2 转轴永久性弯曲
永久性弯曲是指经过慢转转子的方式仍然无法恢复转子的弯 曲状态。转子在盘车过程中仅仅依靠本身的重量施加在轴上产 生的交变力，不足以释放转轴内部已经形成的弯曲应力，因此 变成永久性弯曲变形。
8、敏感参数（振幅）具有如下特征：
①振幅随转速变化明显，这是因为，激振力与转速ω是平方 指数关系。
②当转子上的部件破损时，振幅会突然变大。例如某烧结厂 抽风机转子焊接的合金耐磨层突然脱落，造成振幅突然增大。
滚动轴承故障诊断讲诉
滚动轴承故障诊断初步1、故障原因滚动轴承的早期故障是滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。
即主要故障形式：疲劳剥落、磨损、塑性变形、锈蚀、断裂、胶合、保持架损坏。
产生主要原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。
2、频谱和波形特征滚动轴承它是由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。
当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时，就有一个冲击信号产生。
缺陷在不同的元件上，接触点经过缺陷的频率是不相同的，这个频率就称为滚动轴承的特征频率。
滚动轴承的故障特征频率的数值一般在几赫兹到几百赫兹之间，在频谱图中的1000Hz以内的低频区域轴承故障特征频率如下：1、滚动轴承故障特征频率（外圈静止）式中：Z——滚动体个数fr——转频（Hz）D——轴承节径（mm）d——滚动体直径（mm）α——接触角（1）滚动轴承内圈故障特征频率（2）滚动轴承外圈故障特征频率（3）滚动轴承滚动体特征频率（4）滚动轴承保持架特征频率2、滚动轴承故障特征频率的计算经验公式：二、滚动轴承故障诊断的要素滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，每个轴承部件对应一个轴承故障特征频率。
滚动轴承的故障频率分布有一个明显的特点，往往在低频和高频两个频段内都有表现。
所以在频率分析时，可以选择在这两个频段进行分析。
根据滚动轴承的故障形式在频域中的表现形式，将整个频域分为三个频段，既高频段、中频段和低频段。
l 高频阶段指频率范围处于2000－5000Hz 的频段，主要是轴承固有频率，在轴承故障的早期，高频段反映比较敏感；中频阶段指频率范围处于800－1600Hz 的频段，一般是由于轴承润滑不良而引起碰磨产生的频率范围；l 低频阶段指频率范围处于0－800Hz 的频段，基本覆盖轴承故障特征频率及谐波；在高频段和低频段中所体现的频率是否为轴承故障频率，还要通过其他方法进行印证加以确认。
根据滚动轴承的故障特征频率在频域和时域中的表现，可将滚动轴承的诊断方法总结为三个频段；八个确认，简称三八诊断法。
滚动轴承的故障诊断PPT演示课件
诊断
磨屑
好 有 无 好 好 好 有 好 有 有 不可
方法
轴承间隙
无 无 无 好 好 有 无 无 无 无 不可
油膜电阻
无 无 无 好 好 好 好 有 无 无 可
滚动轴承故障诊断
15
各种诊断方法的灵敏度
故
障
信
号 强 度
振
动
缺 陷 故 障 界
分 析 灵 敏 度
限
噪 声
灵 敏 度
测 温 分 析
分
缺
析
陷
灵
灾
轴承内部有锈蚀
滚动轴承故障诊断
7
轴承失效形式—点蚀
▪ 现象： 滚道面或滚动体表面 上有小坑和片状剥落
▪ 原因： 载荷过大 润滑不良 预载过大 间隙过小
滚动轴承故障诊断
8
轴承失效形式—压痕
▪ 现象： 滚道面上有滚动体的压痕
▪ 原因： 装配不当 静载荷过大 冲击载荷过大 异物侵入
滚动轴承故障诊断
9
轴承失效形式—烧伤、胶合
定义
Sf
xrm s x
Cf
xm ax xrm s
If
xm ax x
CL f
xm a x xr
Kv xr4ms
敏感性
差 一般 较好 好 好
稳定性
好 一般 一般 一般 差
表中：x －平均幅值， xr－方根幅值， －峭度
滚动轴承故障诊断
25
峰值指标用于轴承诊断
峰值指标Cf不受振动信号绝对大小的影响，适用于检测 滚动面剥落与裂纹等故障，但不适于检测磨损。
▪ 现象： 滚道面变色、软化、 熔合
▪ 原因： 转速过高 润滑不良 装配不当
滚动轴承故障诊断
滚动轴承故障诊断
滚动轴承故障诊断滚动轴承故障诊断旋转机械是设备状态监测与故障诊断⼯作的重点，⽽旋转机械的故障有相当⼤⽐例与滚动轴承有关。
滚动轴承是机器的易损件之⼀，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断⼯作的重要性。
最初的轴承故障诊断是利⽤听棒，靠听觉来判断。
这种⽅法⾄今仍在沿⽤，其中的⼀部分已改进为电⼦听诊器，例如⽤电⼦听诊器来检查、判断轴承的疲劳损伤。
训练有素的⼈员凭经验能诊断出刚刚发⽣的疲劳剥落，有时甚⾄能辨别出损伤的位置，但毕竟影响因素较多，可靠性较差。
继听棒、电⼦听诊器之后，在滚动轴承的状态监测与故障诊断⼯作中⼜引⼊了各种测振仪，⽤振动位移、速度和加速度的均⽅根值或峰值来判断轴承有⽆故障，这样减少了监测⼈员对经验的依赖性，提⾼了监测诊断的准确性，但仍很难在故障初期及时做出诊断。
1966年，全球主要滚动轴承⽣产商之⼀，瑞典SKF公司在多年对轴承故障机理研究的基础上发明了⽤冲击脉冲仪（Shock Pulse Meter）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。
之后，⼏⼗家公司相继安装了⼤批传感器⽤于长期监测轴承的运转情况，在航空飞机上也安装了类似的检测仪器。
1976年，⽇本新⽇铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪（Machine Checker），可分别在低频、中频和⾼频段检测轴承的异常信号。
同时推出的还有油膜检查仪，利⽤超声波或⾼频电流对轴承的润滑状态进⾏监测，探测油膜是否破裂，发⽣⾦属间直接接触。
1976-1983年，⽇本精⼯公司（NSK）相继研制出了NB 系列轴承监测仪，利⽤1~15kHz范围内的轴承振动信号测量其RMS值和峰值来检测轴承故障。
由于滤除了低频⼲扰，灵敏度有所提⾼，其中有些型号的仪器仪表还具有报警、⾃动停机功能。
随着对滚动轴承的运动学、动⼒学的深⼊研究，对于轴承振动信号中的频率成分和轴承零件的⼏何尺⼨及缺陷类型的关系有了⽐较清楚的了解，加之快速傅⾥叶变换技术的发展，开创了⽤频域分析⽅法来检测和诊断轴承故障的新领域。
滚动轴承故障诊断
滚动轴承故障诊断初步1、故障原因滚动轴承的早期故障是滚子和滚道剥落、凹痕、破裂、腐蚀和杂物嵌入。
即主要故障形式：疲劳剥落、磨损、塑性变形、锈蚀、断裂、胶合、保持架损坏。
产生主要原因包括搬运粗心、安装不当、不对中、轴承倾斜、轴承选用不正确、润滑不足或密封失效、负载不合适以及制造缺陷。
2、频谱和波形特征滚动轴承它是由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。
当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时，就有一个冲击信号产生。
缺陷在不同的元件上，接触点经过缺陷的频率是不相同的，这个频率就称为滚动轴承的特征频率。
滚动轴承的故障特征频率的数值一般在几赫兹到几百赫兹之间，在频谱图中的1000Hz以内的低频区域轴承故障特征频率如下：1、滚动轴承故障特征频率（外圈静止）式中：Z——滚动体个数fr——转频（Hz）D——轴承节径（mm）d——滚动体直径（mm）α——接触角（1）滚动轴承内圈故障特征频率（2）滚动轴承外圈故障特征频率（3）滚动轴承滚动体特征频率（4）滚动轴承保持架特征频率2、滚动轴承故障特征频率的计算经验公式：二、滚动轴承故障诊断的要素滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，每个轴承部件对应一个轴承故障特征频率。
滚动轴承的故障频率分布有一个明显的特点，往往在低频和高频两个频段内都有表现。
所以在频率分析时，可以选择在这两个频段进行分析。
根据滚动轴承的故障形式在频域中的表现形式，将整个频域分为三个频段，既高频段、中频段和低频段。
l 高频阶段指频率范围处于2000－5000Hz 的频段，主要是轴承固有频率，在轴承故障的早期，高频段反映比较敏感；中频阶段指频率范围处于800－1600Hz 的频段，一般是由于轴承润滑不良而引起碰磨产生的频率范围；l 低频阶段指频率范围处于0－800Hz 的频段，基本覆盖轴承故障特征频率及谐波；在高频段和低频段中所体现的频率是否为轴承故障频率，还要通过其他方法进行印证加以确认。
根据滚动轴承的故障特征频率在频域和时域中的表现，可将滚动轴承的诊断方法总结为三个频段；八个确认，简称三八诊断法。
第五章_滚动轴承的故障监测和诊断
图
滚动体损伤振动情况
４、轴承偏心 当滚动轴承的内圈出现严重磨损等情况时，轴承会出现偏心 现象，当轴旋转时，轴心（内圈中心）便会绕外圈中心摆动， 如图4示，此时的振动频率为nfr（n＝1, 2,…）。
图
滚动轴承偏心振动特征
实例
• 6210轴承的监测与诊断 • 一台单级并流是鼓风机，其结构如图。该机组自 86 年 1 月30日起，测点③的振动加速度逐渐增加至正常值10倍，为 查明原因，对测点③的振动信号进行频谱分析。
第二节 滚动轴承的失效形式
滚动轴承常见的失效形式：
滚动轴承尺寸的选择2
疲劳点蚀或剥落
磨 损
胶 合
断 裂
保持架损坏
烧 伤
第三节 滚动轴承的振动
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
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
一、滚动轴承的振动机理 1、承载状态下滚动轴承的振动
图 IFD法的信号变换过程
二、滚动轴承的精密诊断
１、轴承内滚道损伤 轴承内滚道产生损伤时，如：剥落、裂纹、点蚀等（如图所 示），若滚动轴无径向间隙时，会产生频率为nfi（n＝1，2,…） 的冲击振动。
图
内滚道损伤振动特征
通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，根据点蚀部 分与滚动体发生冲击接触的位置的不同，振动的振幅大小会发 生周期性的变化，即发生振幅调制。若以轴旋转频率fr,进行振 幅调制，这时的振动频率为nfi士fr（n＝1，2…）。
２.轴承外滚道损伤
当轴承外滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等（如图2 所示），在滚动体通过时也会产生冲击振动。由于点蚀的位置 与载荷方向的相对位置关系是一定的，所以，这时不存在振幅 调制的情况，振动频率为nfo ( n＝1，2,…），振动波形如图 所示。
滚动轴承故障诊断
滚动轴承故障诊断现代工业通用机械都配备了相当数量的滚动轴承。
一般说来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。
通常情况下，它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。
但是，多年的实践经验表明，只有10%以下的轴承能够运行到设计寿命年限。
而大约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障，30%失效是由于不对中或“卡住”等装配失误，还有20%的失效是由过载使用或制造上缺陷等其它原因所致。
如果机器都进行了精确对中和精确平衡，不在共振频率附近运转，并且轴承润滑良好，那么机器运行就会非常可靠。
机器的实际寿命也会接近其设计寿命。
然而遗憾的是，大多数工业现场都没有做到这些。
因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。
你的工作是要检测出早期症状并估计故障的严重程度。
振动分析和磨损颗粒分析都是很好的诊断方法。
故障轴承会产生与1X基频倍数不完全相同的振动分量——换言之，它们不是同步的分量。
对振动分析人员而言，如果在振动频谱中发现不同步分量那么极有可能是轴承出现故障的警告信号。
振动分析人员应该马上诊断并排除是否是其它故障引起的这些不同步分量。
(非转频的倍数峰值疑似为故障信息)如果看到不同步的波峰，那极有可能与轴承磨损相关。
如果同时还有谐波(基频的倍频)和边频带出现，那么轴承磨损的可能性就非常大——这时候你甚至不需要再去了解轴承准确的扰动频率。
率(BPO)、保持架频率(FT)和球的自旋频率(BS)(外圈，内圈，保持架，滚动体特征频率)。
轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径(滚柱圆心对应轴承的半径D)和接触角。
其中，BPI和BPO的和等于滚珠/滚柱的数量。
例如，如果BPO等于3.2 X(转频)，BPI等于4.8 X，那么滚珠/滚柱的数量必定是8。
轴承扰动频率的计算公式如下：注意：BS的值可能会加倍，因为所给的公式针对的是球撞击内圈或外圈的情况。
如果有庇点的滚球/滚柱同时撞击内圈和外圈，那么其频率值应该加倍。
需要说明的是由于受到各种实际情况如滑动、打滑、磨损、轴承各参数的不精确(如直径可能不完全精确)等的影响，我们所计算出来的频率值可能会与真实值有小范围的差异。
第五章 滚动轴承的故障诊断
二、滚动轴承故障的主要失效形式与原因
典型的滚动轴承的结构主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，如图5.1所 示。在多数情况下是内圈随轴旋转而外圈不动，但也有外圈旋转、内圈不转或内外圈 分别按不同转速旋转等使用情况。 滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如 外圈 装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都 可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护 都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳 滚动体 剥落和磨损而不能正常工作。滚动轴承的主要故障形式与 原因如下。 1．疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既要承受载荷又有 相对运动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度 内圈 处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表 层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳 剥落。 疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷，振动和噪声加剧。 通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因， 一般所说的轴承寿命就是指的轴承的疲劳寿命，轴承的寿 图5.1 滚动轴承（球轴承）结构图 命试验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上 出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命的终结。 滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高 寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这也从另一 个角度说明了滚动轴承故障监测的重要性。
锈蚀
疲劳
轴承在潮湿空气中存放，而没有足够 的保护措施，使轴承的外圈滚道、内 圈滚道及滚子表面出现了锈蚀
轴承的正常失效形式是疲劳。图示为内圈的 典型疲劳失效。与润滑或磨损失效的图片比 较，该内圈显然具有良好的负荷条件，疲劳 失效时在两条滚子路径上负荷区具有相等的 弧长。
2．磨损 由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不 良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精 度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。 此外，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和 滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨 痕。 3．塑性变形 当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有 硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产 生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表 面的剥落。 4．锈蚀 锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度的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、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。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的接触点处， 很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。 5．断裂 过高的载荷可能会引起轴承零件断裂。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。