滚动轴承故障及其诊断方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,滚动轴承故障诊断,1,概述,旋转机械是设备状态监测及故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例及滚动轴承有关。,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,2,轴承,结构,：由内环、外环、滚动体和保持架组成,滚动体类型有球、圆柱滚子、,滚针、圆锥滚子和球面滚子等,安装,3,轴承损坏,内环缺陷,4,1,滚动轴承异常的基本形式,滚动轴承在运转过程中可能会由于,各种原因引起损坏,，如装配不当、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,出现疲劳剥落和磨损,而不能正常工作。,滚动轴承的主要故障形式及原因如下：,5,这是滚动轴承常见的一种异常形式。在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处形成裂纹，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,，,这种疲劳剥落现象造成运转时的,冲击载荷,，使得振动和噪声加剧。,1,滚动轴承异常的基本形式,(1).,疲劳剥落,轻微剥落,严重,6,7,是滚动轴承另一种常见的异常形式。轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于,机械原因及杂质异物的侵入,引起表面磨损。,磨粒,的存在是轴承磨损的基本原因，润滑不良会使磨损加剧。,磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙，增大振动和噪声。,1,滚动轴承异常的基本形式,(2).,磨损,8,轴承因受到,过大,的冲击载荷、静载荷、,落入,硬质异物等在滚道表面上形成,凹痕或划痕,。,而一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。,这样，载荷的累积作用或短时超载就有可能引起轴承塑性变形。,1,滚动轴承异常的基本形式,(3).,塑性变形,9,润滑油、水或空气水分引起,表面锈蚀,（化学腐蚀）,轴承内部有较大的电流通过造成的,电腐蚀,以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的,微振腐蚀,(,是微动磨损及腐蚀协同作用的结果,),1,滚动轴承异常的基本形式,(4).,腐蚀,10,过高,的载荷会可能引起轴承零件断裂。,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。,另外，,装配方法,、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。,1,滚动轴承异常的基本形式,(5).,断裂,11,12,所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。,在,润滑不良,、,高速重载,情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。,1,滚动轴承异常的基本形式,(6).,胶合,13,由于装配或使用不当可能会引起保持架发生,变形,，增加它及滚动体之间的摩擦，甚至使某些,滚动体卡死,不能滚动，也有可能造成保持架及内外圈发生,摩擦,等。,这一损伤会进一步使振动、噪声及发热加剧，导致轴承损坏。,1,滚动轴承异常的基本形式,(7).,保持架损坏,14,2,滚动轴承的振动类型及其故障特征,在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：,及轴承的弹性有关的振动，其二为及轴承滚动表面的状况,（波纹、伤痕等）有关的振动,前者及异常状态无关，后者反映了轴承的损伤情况。,滚动轴承在运转时，滚动体在内、外圈之间滚动。如果滚动表面损伤，滚动体在损伤表面转动时，便产生一种,交变的激振力,。,由于滚动表面的,损伤形状是不规则,的，所以激振力产生的振动，将是由,多种频率成分组成的随机振动,。,15,2,滚动轴承的振动类型及其故障特征,从轴承滚动表面状况产生振动的机理可以看出，,轴承滚动表面损伤的形态和轴的转速，,决定了激振力的频率,。,轴承和外壳，,决定了振动系统的传递性。,振动系统的最终振动频率，由上述,二者决定,。即，轴承异常所引起的振动频率，由轴的旋转速度、损伤部分的形态及外壳振动系统的传递特性所决定。,通常，轴的转速越高，损伤越严重，其振动的频率就越高；轴承的尺寸越小，其固有振动频率越高。,16,2.1,滚动轴承的,固有振动频率,滚动轴承在工作时，滚动体及内环或外环之间可能产生冲击而引起轴承各元件的固有振动。,各轴承元件的固有频率及轴承的外形、材料和质量有关,及轴的转速无关,。,轴承元件的固有频率值，受安装状态的影响。一般情况下，滚动轴承的固有频率通常可达,数千赫到数十千赫,。,17,滚动轴承的几何参数主要有：,轴承节径,D,： 轴承滚动体中心所在的圆的直径,滚动体直径,d,： 滚动体的平均直径,内圈滚道半径,rl,： 内圈滚道的平均半径,外圈滚道半径,r2,： 外圈滚道的平均半径,接触角,a,： 滚动体受力方向及内外滚道垂直线的夹角,滚动体个数,Z,：滚珠或滚珠的数目,2.2,滚动轴承的特征频率,18,为分析轴承各部运动参数，先做如下假设：,(1),滚道及滚动体之间无相对滑动；,(2),每个滚道体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间,(3),承受径向、轴向载荷时各部分无变形；,方法：,研究出,不承受轴向力,时轴承缺陷特征频率，进而，推导出,承受轴向力,时轴承缺陷特征频率,2.2,滚动轴承的特征频率,19,(1),外环固定，内环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于外环的旋转频率：,由图,(a),可知，内环滚道的切线速度为,式中，,f,r,为轴的旋转频率，,d,为滚动体的直径，,D,i,为内环滚道的直径，,D,m,为轴承滚道节径，即内外滚道的平均值。,因为滚动体滚而不滑，所以滚动体及内环滚道接触点,A,的速度为,1.,不承受轴向力时,轴承缺陷特征频率,图,(a),图,(b),20,又因外环固定，所以滚动体及接触点,C,的速度为,而滚动体中心,B,的速度（即保持架的速度）为,单个滚动体（或保持架）相对于,外环,的旋转频率为,l,m,为滚道节圆周长,21,(2),内环固定，外环随轴线转动时，单个滚动体（或保持架）相对于内环的旋转频率：,若外环的的旋转频率仍为,f,r,，,则保持架相对内环的切向速度从图,(b),可知为,单个滚动体（或保持架）相对于,内环,的旋转频率为,图,(a),图,(b),22,滚动轴承的特征频率,(3),轴承内外环有缺陷时的特征频率：,如果内环滚道上有缺陷时，则,Z,个滚动体滚过该缺陷时的频率为,如果外环滚道上有缺陷时，则,Z,个滚动体滚过该缺陷时的频率为,(4),单个滚动体有缺陷时的特征频率：,如果单个有缺陷的滚动体每自传一周只冲击外环滚道（或外环）一次，则其相对于外环的转动频率为,23,滚动轴承的特征频率,(5),保持架及内外环发生碰磨的频率：,保持架碰外环的频率（等于单滚动体的外环通过频率）,保持架碰内环的频率（等于单滚动体的内环通过频率）,24,滚动轴承的特征频率,2.,承受轴向力时轴承缺陷特征频率,由于滚动体具有相当大的间隙，在承受轴向力时，轴承内外环轴向相互错开，滚珠及滚道的接触点有移动由,A,、,B,点移动到,C,、,E,。,此时，轴承的节径不变，但,内滚道,的工作直径,变大,，,外滚道,的工作直径,变小,，就是说滚珠的工作直径由,d,变为,d,cos,a,。,只须将不受轴向力时轴承缺陷特征频率计算公式进行,替换（,轴承特征频率只及轴承节径和滚珠直径有关）,25,滚动轴承的特征频率,内圈故障,的频率,f,i,为：,滚动体,故障的频率,f,RS,为,外圈故障,的频率,f,o,为：,26,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,1.,滚动轴承的时域波形特征,正常情况下，滚动轴承的振动时域波形。,有两个特点：一是无冲击，二是变化慢。,27,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,轴承元件发生,异常,时，就会产生,冲击脉冲振动,：,冲击脉冲周期为基阶故障特征频率的倒数,冲击脉冲宽度在,s,数量级，它将激起系统或结构的高频响应（固有振动）,响应水平取决于系统或结构的固有频率及阻尼的大小。,28,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,通常滚动轴承都有径向间隙，且为单边载荷，点蚀部分及滚动体发生冲击接触的位置的不同,(,内圈和滚动体均滚动,),载荷受力不同，则振幅会发生周期性的变化，即发生,振幅调制,。,若以,轴,旋转频率,f,r,进行振幅调制，这时的振动频率为,nZf,i,f,r,（,n,1,，,2,）；,若以,滚动体,的公转频率（即保持架旋转频率）,f,m,进行振幅调制，这时的振动频率为,nZf,i,f,m,（,n,1,，,2,，,）。,内滚道,损伤振动特征,29,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,当轴承,外滚道产生损伤时,，如剥落、裂纹、点蚀等，在滚动体通过时也会产生冲击振动。由于点蚀的位置及载荷方向的相对位置关系是固定的（外圈固定），所以，这时,不存在振幅调制的,情况，振动频率为,n,Zf,o,( n,1,2,），振动波形如图所示。,外滚道,损伤振动特征,30,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,当,滚动体产生损伤时,，如剥落、点蚀等，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击振动。 在滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为,n,Zf,RS,（,n,1,，,2,）的冲击振动。 通常滚动轴承都有径向间隙，因此，同内圈存在点蚀时的情况一样，根据点蚀部位及内圈或外圈发生冲击接触的位置不同，也会发生,振幅调制,的情况，不过,此时是以滚动体的公转频率,f,m,进行振幅调制。这时的振动频率为,n,zf,RS,f,m,，如图所示。,滚动体,损伤振动情况,31,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,轴承偏心引起的振动,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，如图所示，此时的振动频率为,nf,r,（,n,1, 2,）。,滚动轴承,偏心振动,特征,不同轴引起的振动,当两个轴承不对中，轴承装配不良等都会引,低频振动,。,32,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,滚动体的非线性伴生振动：,滚动轴承靠滚道及滚动体的弹性接触来承受载荷，因此具有“弹簧”的性质（刚性很大）。,当润滑状态不良时，就会出现非线性弹簧性质的振动。轴向非线性振动频率为轴的旋转频率,f,r,，分数谐波,1/2,f,r, 1/3,f,r,，及其高次谐波,2,f,r, 3,f,r,33,2.3,滚动轴承的振动及其故障特征,滚动轴承正常时和发生剥落损伤时的轴承振动信号的幅值概率密度分布如图。,从图中可以看出，轴承发生剥落时，幅值分布的幅度广，这是由于存在剥落的,冲击振动,。这样，从概率密度分布的形状，就可以进行异常诊断。,轴承振动的概率密度分布,2.,幅值域中的概率密度特征,34,3,滚动轴承故障诊断方法,3.1,振动诊断法,3.2,其它诊断方法,35,3,滚动轴承故障诊断方法,振动诊断法在轴承故障诊断中的,优点,（,1,）可以检测出各种类型轴承的异常现象；,（,2,）在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定；,（,3,）由于振动信号发自轴承本身，所以不需要特别的信号源；,（,4,）信号检测和处理比较容易。,36,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,时域：有效值和峰值判断法,时域：峰值指标法,幅域：振幅概率密度分析法,时序模型参数分析法,冲击脉冲法,包络法,高通绝对值频率分析法,37,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,时域指标：,有效值和峰值判断法,滚动轴承振动的瞬时值随时间在不断地进行变化，表现这种振动变化大小的方法广泛使用,有效值,（振动幅值的均方根值）,均方根值是,对时间平均的，因而它,适用于,像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。但对表面剥落或者伤痕等具有瞬变冲击振动的异常是,不适用,的。,（由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作时间平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来。）,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,300r/min,以下），也常采用峰值进行诊断。,38,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,无量纲指标：,峰值指标法,峰值指标是指峰值及有效值的比,。由剥落或伤痕引起的瞬时冲击振动，峰值比有效值的反映灵敏。,一般来讲，正常轴承振动的峰值指标约为,5,，当轴承发生伤痕时，峰值指标有时会达到,10,，所以用该方法容易对滚动轴承的异常做出判断。,特点,由于峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的的判断可非常单纯地进行；,此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大器的灵敏度即使发生变动，也不会出现测定误差。但这种方法对表面,皱裂或磨损之类,的异常，诊断能力很弱。,39,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,振幅概率密度分析法,概率密度分布对正常和有疲劳剥落的轴承可进行定性区分（正常、异常）,定量化可用概率密度分布的幅度表示，即概率密度分布的,陡度,R,4,（,是概率密度分布陡峭程度的度量,），,把异常的程度数量化,，然后根据的,R,4,大小判断轴承异常情况。,其中，,x,为瞬时幅值，,p,(,x,),为概率密度函数，,x,为标准偏差。,40,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,振幅概率密度分析法,一般来讲，对正常轴承，,R,4,大小为,3,；当剥落发生时，,R,4,将变大。,R,4,及峰值指标类似，因其及轴承转速、尺寸、负荷等条件无关，因此使用起来对轴承好坏的判定非常简单。,缺点,：对轴承表面皱裂、磨损等异常缺乏检，主要适用于轴承表面有伤痕的情况。,41,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,时序模型参数分析法,将轴承振动信号采样值看作一个时间序列，并建立数学模型，然后利用模型的参数对轴承故障进行诊断。,思路,：常用的模型为,自回规模型,AR,(,m,),，假设根据观测值,x,k,(,k,=1,2,3,N,),，建立的模型为,自回归模型参数,j,(=1,2,m),表征了被测系统的某些特性，如,动态特性,、,频率结构模式,、,能量大小,等。,在建模时，,j,是通过残差方差 最小而获得的,42,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,时序模型参数分析法,轴承故障或工况的变化导致系统状态相应改变，即表征系统特性的,模型参数,j,也会随之变化。,这样，用来真实拟合描述系统的差分方程的阶次,m,也就相应发生变化。如果系统状态的改变不足以引起模型阶次的变化，则用原来的,j,值来计算,a,k,，但 值将会增大。可以看出，,模型阶次,m,和,残差方差,集中地代表了系统的特性。,43,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,时序模型参数分析法,为了消除不同工作条件下的滚动轴承信号强度因素加以排除。为此，引入归一化残差方差指标。,为观测数据,x,k,的方差。,分析比较滚动轴承在正常和各种异常时,m,及,NRSS,的变化规律，实现轴承状态的判断。,44,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,冲击脉冲法,基本原理,：,当两个不平的表面相互撞击时（滚动体及内滚道缺陷），就会产生冲击波，即,冲击脉冲,，,冲击脉冲激发了轴承元件和结构的共振。,基于这个原理，通过测量仪器，检测轴承系统的共振来判断冲击脉冲的大小，来了解轴承的工作状态。,45,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,冲击脉冲法,专业仪器,：冲击脉冲计，其加速度传感器对振动信号不作宽频率测量，而只是在传感器的固有频率上（,30-40kHz,）测量。,该频带及其他机械结构振动频率相差较远，可排除常规振动影响。,轴承的冲击振动经轴承座传递到传感器上，激发其固有频率的减幅振荡，其振幅及故障的严重程度成正比。,46,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,冲击脉冲法,振动加速度的振幅大小是及异常程度成正比例的，因此可以利用冲击波形的,最大值,x,p,，或者冲击波形的,绝对平均值,进行异常判断。,当转速较低时（,300r/min,），平均值很小，据此进行异常及否判断则很困难，因此用,最大值,进行诊断。,有时也用 来判断异常，,大,表示轴承有损伤，,小,则表示发生了润滑不良或磨损异常。,47,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,冲击脉冲法,特点,：由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递一次，其能量损失约,80,，使原本就十分微弱的故障信号更加微弱，因此，冲击脉冲技术对测点要求高，测点选择满足：,传递路径尽可能短,传递路线上只能有从轴承到轴承座之间的一个界面,测点必须选在轴承的负载区,缺点,：只能判断正常及否，以及损伤的严重程度，无法判别故障元件,48,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,包络法,包络分析法是利用包络检测和对包络谱的分析，根据包络谱峰识别故障。,当滚动轴承元件产生缺陷而在运行中引起脉动时，不但会引起轴承外圈及传感器本身产生高频固有振动，且此,高频振动的幅值还会受到上述脉动激发力的调制,。,步骤：在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入解调器，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析即可获得功率谱。（,及冲击脉冲法相似,）,49,包络法,基本原理,1,）理想的故障微弱冲击脉冲信号,F(t),2,）传感器接收后，产生的高频振荡波,3,）波形包络,4,）频谱分析,50,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,包络法的,优势,包络法把及故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免及其它低频干扰的混淆，故有很高的诊断可靠性和灵敏度，是目前最常用、最有效地诊断滚动轴承故障的方法之一。,不仅可根据某种高频固有振动的出现及否，判断轴承是否异常,而且可根据包络信号的频率成分识别出产生故障的原件（如内圈、外圈、滚动体）。,51,滚动轴承包络法的实例,308,型轴承：外圈剥落，采样频率为,40k,特征：,82.05Hz,波形,幅值谱,幅值谱（局部放大）,52,包络解调,53,3.1,滚动轴承常用振动诊断方法,高通绝对值频率分析法,将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器放大后，再经过,1kHz,高通滤波器，只抽出其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行频率分析，即可判明各种故障原因。,测试分析原理图,54,3.2,其它诊断方法,光纤维监测诊断法,振动监测方法，通常是在轴承座上安装传感器，即用传感器测量轴承盖的振动信号。这样所检测的信号中完全接收了外界干扰，轴承的故障信号可能会因为较弱而被淹没。光纤监测技术,则直接从轴承套圈的表面提取信号,。,接触电阻法,所依据的基本原理和,振动测量完全不同,，它是及振动监测法相互补充的一种监测技术。,55,电子高频谐振器,56,57,58,59,60,61,现场振动监测及分析诊断的一般步骤,问 诊 监 测 诊 断 措 施,问诊,：充分收集有关机器的工作原理、结构参数、操作性能、故障历史及检查维修情况。,监测,:,测取旋转机械在运行过程中的振动信号。,诊断,：根据测得的信号进行分析，结合振动特征、故障机理及历史运行情况 对机器状态进行识别、分析故障原因、部位及发展趋势。,措施,：提出诊断结论及操作、维修建议。,62,炼铁厂点检总站,6,号高炉,1#,助燃风机,问诊：,结构简图,63,电机,风机,测点,1,测点,测点,64,问诊：,设备参数,电动机转速：,n=1450rpm,电动机功率：,P=110-135Kw,叶轮叶片数：,8-10,个,轴承型号：,1,、,2,、,3,、,324,深沟球轴承,Z=15 D=190mm d=46.7mm,4,、,6324,调心辊子轴承,Z=15 D=190mm d=35mm,65,问诊：,频率计算,轴 承,1,2,3,4,内 圈,225.8,217.8,外 圈,136.8,145.2,滚动体,46.2,47.6,保持架,9.01,9.68,轴转频,: f,r,=n/60=1450/60=24. 2Hz,叶片通过频率,:,f=,叶片数,fr=(8-10) 24.2,=193.6-242Hz,66,滚动轴承的频率结构,故障特征频率,(Hz),1),内圈的故障特征频率,：,2),外圈的故障特征频率,：,3),滚动体的故障特征频率,：,4),保持架的故障特征频率：,67,故障特征频率,简化公式,1),内圈的故障特征频率,：,f,i,=0.6 f,r,Z,2),外圈的故障特征频率,：,f,o,=0.4 f,r,Z,3),保持架的故障特征频率,：,f,c,=0.4 f,r,4),滚动体的故障特征频率：,0.23,f,r,Z (Z10),f,b,=,68,滚动轴承的固有频率（,1-20KHZ,）,滚动轴承内、外圈固有频率按以下公式计算：,滚动体固有频率计算公式：,滚动轴承的频率结构,back,69,线材厂精轧区域轴承名细表,back,70,监测,振动速度、振动加速度,测试参数：,测点位置：,测定方向：,测试周期：,轴承座或刚性大的基础部分,水平,H,、垂直,V,、轴向,A,尽量长但两次测试间不可有故障。,71,测点,测点,72,测点,73,监测,本次测试，取,3,个测点并分别在水平、垂直 、轴向三个方向，测量速度、加速度，共,18,个测量值。,测点参数,2H,2V,2A,3H,3V,3A,4H,4V,4A,速度,mm/s,10.4,8.9,19.8,21.9,21.1,28,13.6,10.8,11.5,加速度,m/s2,14.48,132.5,237.4,138.4,113.2,57.7,29.7,40.5,14.4,back,74,诊断：,滚动轴承振动诊断步骤,测值分析,时域指标分析,时域波形分析,频谱分析,75,诊断,分析振动测量值,测量值（通频）的大小,哪一方向,及标准相比较,绝对标准,相对标准,类比标准,及前几次的测试结果相比，做趋势分析。,初步判断设备处在何种状态,76,诊断,分析振动测量值,测点参数,2H,2V,2A,3H,3V,3A,4H,4V,4A,速度,mm/s,10.4,8.9,19.8,21.9,21.1,28,13.6,10.8,11.5,加速度,m/s2,14.48,132.5,237.4,138.4,113.2,57.7,29.7,40.5,14.4,根据国际,ISO2372,振动标准，三个测点的振动烈度基本上均处在不允许状态。尤其是测点,3,的振动烈度都在,20 mm/s,以上。,从振动加速度的幅值可看出测点,2,和,3,的加速度幅值较大。测点,2,轴向加速度幅值达,237 mm/s,2,。,相比之下，振动烈度基本上是轴向,水平,垂直，这就排除了松动故障。怀疑不平衡或不对中等故障。,back,77,ISO 2372,标准,back,A-,良好,B-,允许,C-,较差,D-,不允许,I,级,-,小型,15KW,以下电机,II,级,-,中型,15-75KW,电机,III,级,-,大型，刚性基础,IV,级,-,大型，柔性基础,78,诊断,（,2,）时域指标分析,波峰因数,均方根值,峭度系数,79,滚动轴承的时域指标,波峰因数,C,f,（又称峰值系数）：是指峰值及有效值之比。（即,X,P,/X,rms,）,第一阶段：,C,f,5,，轴承正常；,第二阶段：,C,f,=5,10,，轴承轻微损伤；,第三阶段：,Cf =10,20,，轴承严重损伤；,第四阶段：,C,f,减小，轴承损伤加剧；,第五阶段：,C,f,恢复到初始值时，必须更换轴承。,80,滚动轴承的时域指标,峭度系数,无故障轴承，峭度系数,3,；,如果出现故障，峭度值的变化规律同于波峰因数的变化。,均方根值,V,rms,（振动速度有效值或振动烈度）：,稳定性较好，但对早期故障信号不敏感。 它最能反映振动的烈度。,注,：为了取得较好的效果，常将,及,V,rms,同时应用，以兼顾敏感性和稳定性。,81,诊断,（,2,）时域指标分析,测点,2,轴向加速度幅值达,237 mm/s,2,。,其峭度值达,7,左右（正常值在,3,左右）。,测点,3,轴向加速度幅值达,138.4 mm/s,2,。,其峭度值达,5.47,左右。,go,82,诊断,（,3,）,时域波形分析,信号的时域分析,-,时域波形分析,信号波形是某种物理量随时间变化的关系。信号在时域内的变换或分析称为时域分析。,83,故障轴承的振动波形,c,内外圈疲劳剥落,d,外圈椭圆度超差,go,a,正常轴承,b,滚道面疲劳,84,诊断,（,4,）频域分析,方法：,频谱分析,动态信号的诸频率成分的幅值、相位、功率、能量及频率的关系表达出来就是频谱。,85,带滚动轴承的机械频谱特点,不平衡,不对中,松动,滚动轴承故障,86,滚动轴承的,频谱分析,1,、,方法：,由于滚动轴承振动的频带很宽，既有高频振动，也有低频成分。在进行频谱分析时，可以选,低频段和高频段,两个频段进行分析。,低频段：范围,1000HZ,，覆盖轴承的故障特征频率；,高频段：范围,1000-10000HZ,，主要是轴承的固有频率及其高次谐波。,87,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：存在早期故障,在低频段出现轴承的通过频率,通过频率的峰值增大，故障恶化,2,、,诊断思路,88,1,）轴承疲劳后，加速度谱图上出现高频峰群。,2,）确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障，若还有明显的倍频成分，表明故障严重。,确认外圈故障特征频率,n f,0,处有峰，表明外圈有故障。,确认内圈故障特征频率,n f,i,处有峰，还有间隔为,1,的边频，表明内圈存在故障。,确认滚动体故障特征频率,n zf,b,处有峰，还有边频，边带间隔为保持架故障特征频率，表明滚动体有故障。,滚动轴承的,频谱分析,3,、理论依据,89,滚动轴承的,频谱分析,4,、,滚动轴承的故障频谱特征,第 一 阶 段,第 二 阶 段,第 三 阶 段,第 四 阶 段,90,滚动轴承的故障频谱特征,第 一 阶 段,：轴承故障出现在超声段,20-60kHz,。冲击能量、高频振动（,5-20kHz,或更高）和冲击脉冲。,第一个信号是,10-20,倍的轴承基本损坏频率。,在此阶段，滚动轴承声音、温度正常，轴承大约还有,10-20,的使用寿命。,91,滚动轴承的故障频谱特征,第 二 阶 段：,轴承固有频率附近开始有轻微的轴承损坏迹象,频率范围大约是,500-2000Hz,，末期固有频率附近出现边频。旁波振幅的大小相对于轴承损坏频率的谐波是非常重要的指标。,轴承略有噪声、温度有小幅上升，轴承大约还有,5-10,的使用寿命。,92,滚动轴承的故障频谱特征,第 三 阶 段：,滚动轴承出现磨损故障频率和谐波出现。磨损发展时出现更多故障频率谐波，边带数目增多,轴承有噪声、温度上升，轴承大约还有,2-5,的使用寿命。,93,滚动轴承的故障频谱特征,第 四 阶 段,：滚动轴承损坏到了最末阶段,引起,1,倍转速频率的振幅上升，通常还导致,2,倍、,3,倍、,4,倍,等倍频分量的上升。,滚动轴承故障频率和固有频率,“,开始消失,”,。,轴承大约还有,1,的寿命。,94,厚板厂矫直线热矫直机减速机,采样时间：,2004-03-26,和,2004-02-23,测 量 值：,24.00 m/s 2,和,21.6 m/s 2,测点编号：,1Ha,设备简图：,95,两次测量的频谱图,87.4Hz,87.4Hz,96,轴承在轴承座内松动或部件配合松动,包括如下几方面的故障,轴承在轴承座内松动,轴承内圈间隙大,轴承保持架在轴承盖内松动,轴承松动或及轴有相对转动,97,轴承在轴承座内松动或部件配合松动,振 动 特 征,:,常常出现大量的高次谐频,有时,10X,甚至,20X,，松 动严重时还会出现半频及谐频,(0.5X, 1.5X.),成分。,半频及谐频往往随不平衡或不对中等故障出现。,振动具有方向性和局部性。,振动幅值变化较大，相位有时也不稳定。,98,诊断,（,4,）频域分析,原则,：一般先通看一遍，然后从中找出振动值较大、振动特征明显的测点的时域波形图和频谱图再仔细分析。,99,测点,2,轴向加速度,back,100,测点,3,轴向速度,101,测点,4,轴向速度,102,诊断,（,4,）频域分析,从测点,3,水平方向加速度幅值谱可看到，在高频段有能量堆积，尽管峰值普遍不高，但频带较宽。这说明风机靠近联轴器侧的滚动轴承可能存在着早期故障。也有可能电机端故障是原发性故障，而测点,3,的较大振动是由电机振动引发的。,测点,4,在高频段无能量堆积，且加速度幅值很小。这说明测点,4,处的滚动轴承目前正处在正常状态。,103,诊断,（,4,）频域分析,从测点,3,轴向及测点,4,水平方向的速度幅值谱可看出，出现了转轴旋转频率,25Hz(1450/60),及其倍频。并且基本上高次谐波的幅值大于转频。这是典型的平行不对中故障特征。,测点,2,轴向加速度时域波形，存在着冲击现象。幅值谱图在高频段有能量堆积并有较高的峰值。这说明电机侧测点,2,处滚动轴承可能存在这着中期故障。,104,诊断,结论,该设备可能存在着较严重的不对中。它是该设备振动较大的主要原因。,电机轴承,2,，风机靠近联轴器侧轴承,3,运行较差，属带病运行。相比之下，电机轴承故障较严重。,测点,4,轴承目前基本处在正常工作状态。,105,措施,仔细查找不对中原因，及早排除故障隐患。,定期检测，严密注视轴承故障的劣化趋势。,注意联轴器的润滑。,106,滚动轴承状态监测方法小结,测试参数：振动速度、振动加速度,测点位置：轴承座或刚性大的基础部分,测定方向：水平,H,、垂直,V,、轴向,A,测试周期：尽量长但两次测试间不可有故障。,判别标准：绝对标准、相对标准或类比标准,设备劣化趋势分析,107,滚动轴承故障诊断方法小结,测值分析,时域指标分析,时域波形分析,频谱分析,108,实例,1,线材厂增速机滚动轴承故障的分析,精轧机增速箱,传动示意图,奇,数,架,偶,数,架,109,设备参数,主电机,:,转速可调，一般在,1150,1250,之间波动 当时,n=1160r/min,。,齿轮：斜齿轮，,Z,1,=158,，,Z,2,=67,，,Z,3,=55,轴承：,测点处为摩根,mcs -140-106,型圆柱滚子轴 承，其参数：,Z=22, D=260.28mm, d=28.75mm,测点,处为,U-1228-EMR-C1,型圆柱滚子轴承,=0,110,数据采集,自,2002,年,9,月,11,日开始使用,HY-106,巡检仪，一直比较稳定，其中,10,月,9,日到,12,月,8,日因故没测，,12,月,9,日发现振动加速度明显增大 ，见下表。,单位,:m/s,2,测试方向,10,月,28,日,12,月,9,日,12,月,19,日,12,月,27,日,水平方向,19.7,34.6,46.0,11.6,垂直方向,15.2,46.6,38.6,9.80,111,趋势图及趋势分析,图,1,、,2,分别是垂直方向和水平方向的加速度趋势图；,112,趋势分析法,通频值趋势分析,简单易行，不易发现早期故障,频谱趋势分析,能早期发现齿轮、轴承等早期故障,能较快判定故障的部位,目的,监视机器的劣化过程、预测机器的失效时间,方法,113,某厂压缩机滑动轴承的趋势管理,事故发生前后的频谱图对比,114,某厂压缩机滑动轴承的趋势管理,115,通频值趋势分析,报警值,危险值,停机日期,报警日期,116,滚动轴承机械的报警参考值,117,制定报警值和危险值的方法,根据各种标准，,ISO,、,GB,、,API,等,以机器正常状态的振动值，乘一倍数，如,X4,、,X10,118,轴 转 频,: f,r,=n/60=1160/60=19.33HZ,轴 承 内 圈,: f,i,= = 236.00Hz,轴 承 外 圈,: f,o,= = 189.32,Hz,滚 动 体,: f,b,= = 87.00 Hz,保 持 架：,f,c,=,= 10.73 Hz,齿轮啮合频率,:f,m,= f,r, Z,1,=3054.67HZ,频率计算,119,正常状态的频谱图,120,异常状态下水平方向的频谱图,异常状态下垂直方向的频谱图,异常状态的频谱图,182,851,121,频率分析,根据故障诊断理论，高频段信号反映的是滚动轴承故障及严重程度，低频段一般可以诊断故障部位。由此推断增速机的滚动轴承存在故障。,从低频段信号分析中发现，其中一高峰值,182 Hz,对应的频率恰好为滚动轴承外圈的通过频率，而另一高峰值,851Hz,恰好为轴承滚动体通过频率的,10,倍（滚动体通过频率,f,b,=87Hz,），同时发现这些高振幅的频率间隔都为,185Hz,，而这个频率恰好是轴承外圈的基本损坏频率（轴承外圈通过频率,f,i,=189Hz,）。因此初步判断轴承外圈及滚动体可能存在点蚀等故障。,122,检查验证,12,月,25,日，利用停轧时间对齿轮进行了检查，齿轮啮合正常、润滑良好，排除了齿轮存在故障的可能性,怀疑滚动轴承有问题。,打开增速机西侧的轴承端盖，移出铜环，用内窥镜检查，发现滚动体有划痕，其中一个滚动体有点蚀现象、外圈内滚道有一处出现大面积的点蚀，,162250B,轴承确实已失效了，由此证实了我们的分析判断是正确的。,12,月,26,日利用检修时间更换了,162250B,轴承，振幅值立刻下降，从而避免了一次重大的事故发生。,123,实例,2,线材厂吐丝机滚动轴承故障的分析,吐丝机结构简图,124,设备参数,电机转速：,n=800rpm,齿轮：锥齿轮，,Z1=63,，,Z2=41,轴承型号：,7040UA100,D=255mm,，,d=33.3mm,，,Z=21,125,频率计算,fi=243Hz,fo=186.7,fb=73.8Hz,fc=8.9Hz,fm=838.5Hz,126,数据采集,2003,年,4,月,17,日轧制,6.5mm,线材时，在每日的例行巡检中发现其振动突然增大，其中测点振动值：水平方向为,H,3,=90m/s,2,，,垂直方向为,V,3,=85 m/s,2,，轴向为,A,3,=89 m/s,2,，,振动值严重超标（标准值,38 m/s,2,），是标准值的,2-2.5,倍。,127,趋势图,轴向趋势图,垂直方向趋势图,128,检修前的频谱图,检修前轴向频谱图,检修前垂直方向频谱图,129,检修后的频谱图,检修后垂直方向频谱图,检修后轴向频谱图,130,频率分析,从频谱图可以看出，在低频区出现了轴承的损坏频率：在,748Hz,恰好为轴承滚动体通过频率的,10,倍（滚动体通过频率,fb=73.8Hz,），,250Hz,为轴承内圈通过频率（,f,i,=243Hz,），同时发现这些高振幅之间的频率间隔都为,250Hz,，而这个频率恰好是轴承内圈的基本损坏频率（轴承内圈通过频率,f,i,=243Hz,）。,初步判断轴承内圈及滚动体可能存在点蚀等故障。,131,检查验证,利用早班停机时间，打开侧盖检查，看到箱体底部存在着铁末，表明该设备可能存在磨损、点蚀或剥落，但发生在哪个零件上不清楚，继续查找。,看到齿轮齿面完好无损；两个轴承中能看见的那个轴承基本正常；用百分表测轴承间隙及安装时基本一致。,用振动杆监听有异音，可以判断增速机内部存在故障隐患。,132,检查验证,在每日的监测中发现，从故障产生开始，虽然振动一直很大（在,90 m/s,2,左右），但劣化趋势曲线基本上变化不太大，没有突然大的增长，一直维持在原有的较高位置，可以继续维持带病运行。该滚动轴承一直持续运行到,6,月,16,日大修。,大修时拆机，发现怀疑有问题的那个滚动轴承的滚动体基本都存在着严重点蚀，其内圈内滚道已 经出现深沟，及我们当初的诊断基本一致。更换了轴承后，振幅立即下降到,30 m/s,2,以下。,133,结论,对滚动轴承这样的易损件，利用巡检仪定期监测、进行趋势分析，能及时发现故障隐患，再结合频谱分析等其他分析方法，查找故障根源，制定相应的措施，从而避免了重大的事故发生而造成停机；,如不适合停机检修，可严密注视设备劣化趋势的发展及变化，为确保设备带病运行提供了可靠的依据。,134,1,、天钢集团高速线材厂精轧机增速箱轴承损坏故障的诊断,机组介绍：,1995,年投入试运行，该套设备是从美国摩根公司引进的，精轧机共十架，线材规格为,5.5mm-20mm,，轧制速度超过,100m/s,，属于高速连轧设备。,设备的技术参数：,电机：功率,6000KW,无极调速、,n=1048rpm,增速箱齿轮：斜齿，,Z,1,=174,、,Z,2,=52(,奇数侧）,Z,3,=42,（偶数架侧）,135,精轧机增速箱传动示意图,136,信号采集,2001,年,12,月,17,日，点检人员发现增速箱噪音增大，两个被动轴的自由端和输出端振值都突然增大很多，采集数据如下（,mm/s,）,测点方向,偶数架,自由端,偶数架,输出端,奇数架,自由端,奇数架,输出端,水平,6.5,5.9,7.3,16.1,垂直,4.1,5.2,6.7,8.7,轴向,8.6,137,频谱图,138,编号为,162250D,的单列滚子轴承,D=260.28mm,d=28.57mm,=0,Z=22,n=1048rpm,139,故障分析,通过频谱分析发现谱值最高的是,1151.98HZ,，峰值达到了,10mm/s,，该频率恰好是前面次峰值,576.178HZ,的两倍，后面出现了,3f,、,4f,、,5f,等多倍频，处于滚动轴承故障发展的第三阶段，初步判断滚动轴承已损坏。,从示意图只我们看到：输出端是两个滚动轴承，是哪一个滚动轴承的故障呢？根据当时电动机的转速,n=1048r/min,及滚动轴承故障频率计算公式得到，编号为,162250D,的单列滚子轴承外环故障频率约为,576HZ,，从而确定了是此轴承故障。,140,结果验证,通过对增速箱解体检查发现：编号为,162250D,的单列滚子轴承外环已断裂，断裂的位置正好是增速箱上下箱体的结合部的水平径向位置，证明了计算和分析的正确性。,经过紧急抢修，更换了轴承，设备运行后再次测试，振值下降了许多，且符合设备随机振动标准，见图,2,。,141,鞍钢线材厂吐丝机,测量信息,所属部门：鞍钢线材厂（临时任务）,测点编号：测点,2,水平方向加速度,采样时间：,2004-03-24 10:21:38,测量值：,52.60 m/s,2,设备简图,及测点布置,142,设备参数,电机转速：,n=915rpm,，,P=Kw,齿轮：锥齿轮，,Z,1,=63,，,Z,2,=41,联轴器类型：齿式联轴器,轴承型号：,7220,，,Z=15,；,N226E,，,Z=17,7040,止推球轴承,D=255mm,，,d=33.3mm,，,Z=21,143,频率计算,n=915x63/41=1406rpm,fr=1406/60=23.43Hz,f,i,=277.9Hz,f,o,=213.8Hz,f,b,=89.0Hz,f,c,=10.2Hz,f,m,=960Hz,144,数据采集,当时测量了,1#,和,2#,吐丝机的测点,2,和,3,的水平、,垂直、轴向的加速度及速度，共,24,个数据。,145,测点,2,水平方向加速度时域波形及频谱图,146,测点,2,水平方向速度频谱图,147,诊断,1,测值分析,1#,和,2#,吐丝机型号、尺寸和工况均相同，将表,1,中,1#,和,2#,吐丝机同测点、同方向的测值进行比较，可以看出：,2#,吐丝机的测值较大，一般为,1#,测值的,2-4,倍，最大的达到,4,倍，通过类比标准可判断,2#,吐丝机状态较差；,1#,吐丝机工作状态良好。,2#,吐丝机,2,测点振动是,3,测点振动的,1.6,倍左右。,148,诊断,2,时域波形,分析,测点,2,水平方向的时域波形是以轴回转间隔为包络的高频振动曲线，可能是轴承出现损伤而引起的冲击振动。,149,诊断,3,频谱,分析,测点,2,水平方向的加速度幅值频谱图中齿轮啮合频率,fm=960Hz,很弱小，因此排除了齿轮的故障。,加速度幅值谱在高频段有较高的频率成分，并且有能量堆积，这说明滚动轴承存在着损伤。,速度幅值谱及加速度幅值谱的低频段在,550Hz,存在峰值，正好为滚动轴承内圈的通过频率的,2,倍频,这说明滚动轴承内圈可能存在着的点蚀等故障。,150,诊断意见,根据,2#,吐丝机发生的异常振动的现象及特征，可以怀疑是由于,2,测点处的滚动轴承内圈或滚动体出现点蚀引起轴承的故障。,建议：加强对,2#,吐丝机,2,测点、,3,测点的定期监测，注意故障劣化的发展趋势，在下次维修时，有条件的话，更换,2,测点处的滚动轴承。,151,结果验证,4,月份揭盖检查，结果令我们大吃一惊：测点,2,轴承除滚动体有轻微划痕外并无其他损伤，而测点,1,处的轴承存在点,蚀等现象。更换轴承后振值恢复正常。,152,原因分析,除滚动体外，轴承可能有损伤，但肉眼看不出。,可能存在装配问题。,轴承缺油在频谱图中的表现及内、外圈通过频率一致（当时润滑油质量不好）。,153,经验教训,所有测点无论振动是否强烈，都应该测量，以免丢失诊断信息。,仅凭一次测试结果诊断分析可能会造成误诊。,每次检修后，建立基准谱。,不能仅以最高峰值作为判断依据，更要重视振动值的相对变化。,154,滚动轴承监测方法,go,高速轴承,n100rpm,听音法,测温法,油液检测法,峰值能量法,频谱分析法,冲击脉冲法,低速轴承,n1.5,(,一般当该比值大于,1.5,时判定标准有效。,),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0.15,0.19,0.16,0.17,0.25,0.18,0.19,0.15,0.18,0.22,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,0.27,0.32,0.19,0.21,0.17,0.23,0.20,0.15,0.35,0.29,161,轴承状态监测及故障诊断的意义,轴承损坏,（,30%,）,温度过高,齿轮损坏,不平衡,不对中,耦合不良,162,设备状态分类,正常状态：指设备没有任何缺陷，或者虽有缺陷但也在允许的范围之内。,异常状态：指缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生变化，设备性能开始劣化但能维持正常工作。,故障状态：设备性能指标严重降低，已无法维持正常工作。,163,一、状态监测,概念,:,亦称简易诊断，是设备运行状态的初级诊断，目的是能够对设备的状态迅速有效地作出概括的评价。,内容：,测定某个较为单一的特征参数,及允许值比较，判断设备的状态及严 重程度,对设备进行定期或连续监测，获得设 备的状态的趋势,164,一、状态监测,3.,意义,： 准确、全面的设备监测信息是实现预知维修的可靠保证,4.,方式,：,在线监测：工作量大，成本高，监测对象以关键设备为主,定期巡检：主要针对大量散在分布的中小型设备，也称为设备点检方式,165,一、状态监测,5.,注意事项,:,设备状态监测工作是通过数据的有效管理实现的，若要使数据间的比较有意义,则必须作到七个相同,方向相同,基准,(,指标定,),相同,频带,(,传感器附着方式,),相同,设备相同,参数相同,测点相同,工况相同,166,二、故障诊断,1,.,概念：,故障诊断亦称精密诊断，是在状态监测基础之上所进行的更深层次的诊断，目的是对设备故障的原因、部位以及严重程度进行深入分析，作出判断，从而为进一步的治理决策提供依据。,2.,内容：,确定设备故障的原因、部位,确定设备故障的性质，预测其发展,制定治理、维修决策,167,测试方向对故障的敏感程度,垂直方向数值的变化率通常对松动类故障反映灵敏；,水平方向数值的变化率通常对平衡类故障反映灵敏；,轴向振动数值的变化率通常对对中类故障,反映灵敏。,back,168,判别标准的确定原则,back,绝对标准,：刚开展状态监测工作或针对尚未受控的设备可选用绝对标准。,相对标准,：通过对受控设备数据的积累，总结出一套针对所受控设备的相对标准，制定该标准是从事状态监测的目的之一。,类比标准,：针对安装条件、工况及结构等相同时，可采用类比标准。,169,三、滚动轴承状态监测方法,测试周期的确定,1,、原则：,周期尽量长；,两次测试间不可有故障。,2,、具体为：,关键设备及高转速设备测试周期应尽量短；,状况不良的可测设备测试周期应尽量短；,170,三、滚动轴承状态监测方法,测 点 位 置 的 选 取,给测点位置作记号,设备表面的处理,三个方向设点测,尽量靠近轴承,171,摩擦 不平衡,back,172,5,、有量纲幅域诊断参数,173,6,、,时 域 波 形 分 析,时域分析最重要的特点是信号的时间顺序，即数据产生的先后顺序。,时域分析主要包括时基波形分析、自相关分析和互相关分析等,一、时基波形分析,优点：包含的信息量大,缺点：不易看出所包含的信息及故障的关系（通常用于故障的初步识别）,174,转动机械常见故障的频率特征,175,滚 动 轴 承 故 障 频 谱,176,