齿轮和滚珠轴承故障诊断课件

,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工业装备故障诊断技术,*,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿轮故障诊断,齿轮常见故障,齿轮振动故障的诊断,滚珠故障诊断,滚珠轴承的故障形式与原因,滚动轴承故障的监测方法,滚动轴承振动故障的诊断,8/23/2024,1,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断齿轮故障诊断9/1/20231,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿轮是最常见的机械传动零件，具有结构紧凑，效率高，寿命长，工作可靠，理论传动比恒定不变和维护方便等优点。,主要缺点：不能缓和冲击作用。当制造不精确，材质不良，热处理不当，使用条件恶劣，安装不正确时，往往会引起较大的振动、噪声和断裂等故障。,齿轮副多数安装在齿轮箱内，在大型旋转机械中，既有减速用的齿轮箱，又有增速用的齿轮箱，它的工作状态好坏直接关系到整个机组能否正常运行，因此，要提高对机组的运行维护水平，需要重视对齿轮和齿轮箱的状态监测和故障诊断。,在齿轮箱中，齿轮本身产生的故障比例最大，故障率达60%，其余零件中的故障率为：轴承占19%，轴占10%，箱体占7%，紧固件占3%，油封占1%。而从引起故障原因上分析，属于维护、操作不当又占了最大比重。,5.1 齿轮常见故障,8/23/2024,2,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断齿轮是最常见的机械传动零件，具,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿的断裂：,在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部收到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展。当剩余部分无法承传动在何时就会发生断齿现象。,齿面疲劳：,齿轮在实际啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉动裙环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展；最终使齿面剥落小片金属，在齿面上形成小坑称之为点蚀。当“点蚀”扩大连成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，村质不均匀或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。,5.1 齿轮常见故障,8/23/2024,3,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断齿的断裂：在运行过程中承受载荷,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿面磨损：,润滑油不足或油质不清洁会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导致断齿。一般情况下，只有在润滑油中夹杂有磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。,齿面胶合和擦伤：,对于重载和高速齿轮的传动，齿面工作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金同会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮拣伤。,5.1 齿轮常见故障,8/23/2024,4,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断齿面磨损： 润滑油不足或油质不,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿轮传动系统作为一个弹性的机械系统，在动态激励力的作用下将产生振动响应。右图所示为一对齿轮的力学模型。如不考虑齿面摩擦力的影响，将振动系统作为线性系统来考虑时，其力的平衡式为：,5.2 齿轮故障的振动机理,式中:,x,在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移；,M,齿轮副的等效质量，,M=,m,1,为小量齿轮等效质量；,m,2,为大齿轮等效质；,C, 齿轮啮合阻尼；,K,(,t,)齿轮啮合刚度，啮合刚度随时 间t变化；,1,齿轮受载后的平均弹性变形；,2,齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移。,5.2.1 齿轮传动的动态激励,8/23/2024,5,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断 齿轮传动系统作为一,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2 齿轮故障的振动机理,故障激励:,刚度激励：,一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。,传动误差,：制造误差，装配误差，齿面损伤，外部激励。,啮合冲击,节线冲击,5.2.1 齿轮传动的动态激励,8/23/2024,6,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2 齿轮故障的振动机理,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2 齿轮故障的振动机理,齿轮工作过程中的故障信号频率基本上表现为两部分：一部分为齿轮啮合频率及其谐波构成的载波信号；另一部分为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。调制信号包括了幅值调制和频率调制。,5.2.2 齿轮故障的特征信息,齿轮啮合频率：,f,m,=f,1,z,1,=f,2,z,2,式中,f,1,、f,2,主动轮和从动轮的转速频率；,z,1,、z,2,主动轮和从动轮的齿数。,啮合频率及其谐波,齿轮啮合情况良好，产生的啮合频率及其谐波具有较低的幅值。轮齿的啮合状况变坏，啮合频率的,谐波,成分幅值就会明显增大。一般是磨损、间隙和游隙过大等故障。,f,r,f,m,2,f,m,3,f,m,4,f,m,f,8/23/2024,7,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2 齿轮故障的振动机理,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2 齿轮故障的振动机理,5.2.2 齿轮故障的特征信息,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转动，并且在进入和脱离啮合时的碰撞加剧，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。,把齿轮的啮合频率及其各次谐波看作为一个高频振荡的载波信号，而那些周期性出现的故障信号可看作调制信号。,不同故障产生不同的调制形式，引起幅值变化的产生,幅值调制,，引起频率或相位变化的产生,频率调制,。,信号调制和边带分析,8/23/2024,8,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2 齿轮故障的振动机理,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2 齿轮故障的振动机理,5.2.2 齿轮故障的特征信息,幅值调制,载波信号,调制信号,幅值调制后的信号,齿面上载荷波动、节圆中心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”，形成了幅值调制效应。幅值调制就是一种调幅波，振荡波形周期性地高低起伏，其中频率较高的啮合频率,f,m,称为载波频率；频率较低的故障信号频率,f,r,称为调制频率。齿轮旋转一周，故障信号重复一次,f,r,f,r,f,m,8/23/2024,9,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2 齿轮故障的振动机理,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2 齿轮故障的振动机理,5.2.2 齿轮故障的特征信息,频率调制,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，周期性扭矩（负荷）变化引起的速度变化等因素均可引起频率调制现象。,在齿轮实际故障中，调幅与调频两种现象可能同时存在，形成交叉调制成分。由于幅值调制和频率调制具有载波频率相等、边带间隔均为齿轮的转速频率，以及边带对称分布于载波频率两侧的共同特点，因此调频与调幅综合影响的结果，在频谱图上得到啮合频率及其谐波的两侧具有一系列边频。,t,r,= 1/,f,r,f,m,f,r,8/23/2024,10,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2 齿轮故障的振动机理,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.2.3 齿轮故障信号的频域特征,齿轮均匀性磨损、齿轮径向间隙过大、不适当的齿轮游隙以及齿轮负荷过大等故障。,5.2 齿轮故障的振动机理,f,r,f,m,2,f,m,3,f,m,4,f,m,f,齿面剥落、裂纹以及齿的断裂等局部性故障。,齿的断裂或裂纹，每当轮齿进入啮合时就产生一个冲击信号，这种冲击可激起齿轮系统的一阶或几阶自振频率。但是，齿轮固有频率一般都为高频（约在110kHz范围内）。,8/23/2024,11,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.2.3 齿轮故障信号的频域,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,齿轮故障诊断的基本方法是利用振动信号在频域和时域内诊断。在频域上诊断主要是提取,边频特征,信息，常用的方法有：,5.3 齿轮故障的诊断方法,细化谱分析法,细化谱（,ZOOM,FFT,）是用来增加频谱中某些有限频段上的分辨能力，即所谓“局部频率扩展”方法。通常标准频谱，在谱图上的频率是从零赫兹到最高分析频率。细化分析，分辨以啮合频率为中心，两边分布着以故障特征频率为间隔的边频带,8/23/2024,12,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断 齿轮故障诊断的基本方法,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.3 齿轮故障的诊断方法,实例1 齿轮减速装置的断齿诊断,美国孟山都（Monsanto）石油化工公司的一台齿轮减速箱。如图5-21所示，输入轴转速为1200r/min，输出轴转速为52.7r/min，中间经二级减速。在输入高速轴一端产生很高幅度的振动。,8/23/2024,13,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3 齿轮故障的诊断方法,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.3 齿轮故障的诊断方法,实例1 齿轮减速装置的断齿诊断,停机后打开齿轮箱观察，证明小齿轮的一齿断裂。,8/23/2024,14,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3 齿轮故障的诊断方法,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.3 齿轮故障的诊断方法,倒频谱分析法,倒频谱（Cepstrum）的定义是功率谱对数的功率谱（傅里叶逆变换），即把时间信号,x,(,t,)的功率谱函数,G,(,f,)取对数，再进行傅里叶变换。把周期性的频率结构在倒频谱上变为单根谱线及其高阶谱线。,（2000,谱线）,（400,谱线）,（图b的倒,谱图）,1-啮合频率；2,3-高次谐波；A,1,A,3,周期为11.8ms谐波；B,1,B,3,周期为20ms谐波,倒频谱的优点：,1.有效地提取和识别频谱上的周期性信号；,2.受传递途径影响小。,8/23/2024,15,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.3 齿轮故障的诊断方法,滚动轴承因其摩擦系数小；运转精度高；对润滑剂的粘度不敏感，大多数滚动轴承可使用润滑脂，不需要像滑动轴承那样一套复杂的供油系统；在低速下也能承受载荷，因而适宜于在使用条件有变化和可靠性要求高的场合下工作；大多数类型的轴承能承受径向和轴向负荷；更重要的是滚动轴承产品已国际标准化，易于大批量生产，成本低廉，互换性好。它的缺点是承受冲击的能力差，在冲击载荷下容易发生故障；此外，滚动轴承在滚动体上的载荷分布是不均匀的，在载荷线下面的一个滚动体受力最大，因此轴承工作时，内圈和外圈上各点所受的应力和应力循环次数是不同的，这些对轴承的损坏都有很大影响。,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 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。,8/23/2024,16,工业装备故障诊断技术,滚动轴承因其摩擦系数小；运转精度高；对润滑剂,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,滚动轴承的典型结构,8/23/2024,17,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,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（该处的剪应力最大），然后逐渐发展到接触表面，,5.4.1 滚动轴承的主要故障形式,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。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声，对于精密机械用的轴承，磨损量就成为限定轴承使用寿命的主要因素。,8/23/2024,18,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.1 滚动轴承的主要故障形式,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，电流击穿油膜而形成电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。,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。,8/23/2024,19,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.2 滚动轴承故障的检测方法,滚动轴承虽然结构简单，但是损伤形态却是多种多样，振动信号的频带非常宽广，大量机器的噪声使一般检测装置很难直接找出它的故障特征频率。,检测方法,损伤现象,振动和,声 音,温度,磨损颗粒,轴承间隙,油膜电阻,剥 落,裂 纹,压 痕,磨 损,腐 蚀,污 斑,烧 伤,生 锈,可否在转动中测定,可以,可以,不可以,不可以,可以,*检测方法的适用性：有效；有可能性；不适用。,8/23/2024,20,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,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，这个频率就称为冲击的间隔频率或特征频率。,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.2 滚动轴承故障缺陷产生的间隔频率,缺陷位置,冲击振动发生的间隔频率Hz,备 注,内 圈,Z,个滚动体通过内圈上一处缺陷的频率,外 圈,Z,个滚动体通过外圈上一处缺陷的频率,滚,动,体,冲击单,侧滚道,即滚动体的自转频率,冲击两,侧滚道,滚动体上一处缺陷冲击内、外圈滚道的频率,保持架与,外圈摩擦,即保持架的转速频率,f,c,保持架与,内圈摩擦,亦即一个滚动体通过内圈上某一点的频率,8/23/2024,21,工业装备故障诊断技术,当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时，就有一,轴承弹性特性引起的振动,轴承弹性特性除了引起套圈振动之外，滚动体也会像一个“弹簧”那样产生弹性变形，但是它的刚性很高，并且具有非线性弹簧的特性。振动频率有轴的转速频率,f,、高次谐波,if,和分数谐波（i=1，2，3的正整数）。不过球轴承的弹性特性具有对称型的非线性，一般产生奇数倍转速频率,f,的谐波振动。,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断,滚动体通过载荷方向产生的振动,激励频率：,f,e,=z f,c,套圈的固有振动,套圈的固有振动主要表现在外圈上，因为一般轴承中外圈与轴承壳体为动配合，外圈在壳体内可以自由活动，因此轴承上受到任何冲击性的激励力，均可激起外圈产生固有频率的振动。,8/23/2024,22,工业装备故障诊断技术,轴承弹性特性引起的振动 第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,振动频率“窗口”的选择,滚动轴承存在故障时，由故障所引发的激振力可以分成三种类型。,第一类,是由于磨损、腐蚀、润滑不良和混入异物等原因而产生表面粗糙样的损伤，使接触表面的凹凸不平度变大，轴承工作时，将以宽频带的随机激励连续地激发轴承振动，激励力的波形是随机的，杂乱无章的。,第二类,是由于剥落、压痕、裂纹等局部缺陷所引起的冲击性激励，滚动体每经过缺陷处一次，产生一次冲击，激励力为尖峰形的脉冲波，脉冲波的强度取决于表面损伤的程度。,第三类,是由于滚道面几何形状偏差（如内外圈波纹，滚动体不圆）、滚动体大小不均匀、内圈和外圈偏心、轴颈装配偏斜等原因所产生的激励，这一类激励是稳态的，基本上呈正弦波形状。,8/23/2024,23,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,振动频率“窗口”的选择,故障的轴承，往往同时存在几种激励力。,A,B,C,8/23/2024,24,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,传感器及其安装位置的选择,轴承在运转时，滚道接触面上的高低不平和局部缺陷所产生的的冲击性振动，将以压缩波的形式从接触点出发呈半球形波面向外传播。传感器安装位置应选择在对检测冲击脉冲信号较高灵敏度的区域，且不越过界面。,径向轴承,止推轴承,8/23/2024,25,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,传感器及其安装位置的选择,根据滚动袖承的结构特点，使用条件不同，它所引起的振动可能是频率约为1kHz以下的低频脉动（通过振动），也可能是频率在 1kHz 以上，数千赫兹至数十千赫的高频振动（固有振动），通常情况下是同时包含了上述两种振动成分。因此，一般采用加速度传感器可同时覆盖或分别覆盖上述两个频带。考虑到滚动轴承多用于中小型机械，其结构通常比较轻薄，因此，传感器的尺寸和重量都应尽可能地小，以兔对被测对象造成影响，改变其振动频率和振幅大小。,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固定，应采用钢制螺栓固定，这样不仅谐振频率高，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。,8/23/2024,26,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,检测技术和诊断方法,低频信号接收法,。,冲击脉冲法,滚动轴承在运转中，如果滚动体接触点进入表面的缺陷区（剥落，裂纹，凹坑和高低不平的粗糙区），就将发生低频冲击作用,。,虽然冲击能量较小，但可能会激发起轴承元件或结构的固有频率。,共振解调法,共振解调法也称为包络检波频谱分析法，此法是目前滚动轴承故障诊断中最常使用的方法之一。共振解调法与冲击脉冲法的基本原理类似，但能做到更精确的诊断。冲击脉冲法只能给出轴承损伤程度的指标，一般来说并不能判断轴承的损伤部位；而共振解调法不仅能判断轴承的损伤程度，还可以通过频谱分析指示出轴承的损伤部位,。,8/23/2024,27,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,5.4.3 滚动轴承故障的振动诊断方法,检测技术和诊断方法,光纤传感器技术,8/23/2024,28,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断,5.4 滚动轴承故障诊断,滚动轴承故障振动例子,鼓风机轴承的共振解调谱分析,8/23/2024,29,工业装备故障诊断技术,第5章 齿轮和滚珠轴承故障诊断5.4 滚动轴承故障诊断,