典型传动部件的故障及其诊断方法-滚动轴承.ppt

第7章典型传动部件的故障及其诊断方法,机械设备的动力传递要靠传动部件实现，传动部件的状态直接影响了整机的功能！典型的传动部件：滚动轴承和齿轮装置,滚动轴承故障诊断,概述,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,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,轴承损坏,内环缺陷,7.1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与原因如下：,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。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(1).疲劳剥落,轻微剥落,严重,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。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(2).磨损,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。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(3).塑性变形,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(是微动磨损与腐蚀协同作用的结果),7.1滚动轴承异常的基本形式,(4).腐蚀,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。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(5).断裂,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。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(6).胶合,由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。,7.1滚动轴承异常的基本形式,(7).保持架损坏,7.2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：与轴承的弹性有关的振动，其二为与轴承滚动表面的状况（波纹、伤痕等）有关的振动前者与异常状态无关，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。,7.2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、损伤部分的形态与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。,7.2.1滚动轴承的固有振动频率,滚动轴承在工作时，滚动体与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与轴承的外形、材料和质量有关与轴的转速无关。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。,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：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角滚动体个数Z：滚珠或滚珠的数目,7.2.2滚动轴承的特征频率,为分析轴承各部运动参数，先做如下假设：(1)滚道与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,7.2.2滚动轴承的特征频率,(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，fr为轴的旋转频率，d为滚动体的直径，Di为内环滚道的直径，Dm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，所以滚动体与内环滚道接触点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),又因外环固定，所以滚动体与接触点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,lm为滚道节圆周长,(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fr，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),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,滚动轴承的特征频率,(5)保持架与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）,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，滚珠与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dcosa。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（轴承特征频率只与轴承节径和滚珠直径有关）,滚动轴承的特征频率,内圈故障的频率fi为：,滚动体故障的频率fRS为,外圈故障的频率fo为：,7.2.3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。,7.2.3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。,7.2.3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，点蚀部分与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fr进行振幅调制，这时的振动频率为nZfifr（n1，2）；若以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fm进行振幅调制，这时的振动频率为nZfifm（n1，2，）。,内滚道损伤振动特征,7.2.3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。由于点蚀的位置与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nZfo(n1,2,），振动波形如图所示。,外滚道损伤振动特征,7.2.3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nZfRS（n1，2,）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，根据点蚀部位与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fm进行振幅调制。这时的振动频率为nzfRSfm，如图所示。,滚动体损伤振动情况,7.2.3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nfr（n1,2,）。,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。,7.2.3滚动轴承的振动及其故障特征,滚动体的非线性伴生振动：滚动轴承靠滚道与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fr，分数谐波1/2fr,1/3fr,，及其高次谐波2fr,3fr,7.2.3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,7.3滚动轴承故障诊断方法,7.3.1振动诊断法7.3.2其它诊断方法,7.3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。,7.3.1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,7.3.1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。,7.3.1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与有效值的比。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。,7.3.1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R4（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R4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。,7.3.1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，R4大小为3；当剥落发生时，R4将变大。R4与峰值指标类似，因其与轴承转速、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。,7.3.1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xk(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,7.3.1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ak，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。,7.3.1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xk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。,7.3.1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（滚动体与内滚道缺陷），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。,7.3.1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。该频带与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，其振幅与故障的严重程度成正比。,7.3.1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与异常程度成正比例的，因此可以利用冲击波形的最大值xp，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，据此进行异常与否判断则很困难，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。,7.3.1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：只能判断正常与否，以及损伤的严重程度，无法判别故障元件,7.3.1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。（与冲击脉冲法相似）,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,7.3.1滚动轴承常用振动诊断方法,包络法的优势包络法把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免与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与否，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）。,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）,包络解调,7.3.1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,7.3.2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，它是与振动监测法相互补充的一种监测技术。,（1）光纤传感器的原理,光纤传感器的基本原理如图(a)所示。光线由发射光纤束射出，在端口有一发散角形成发送光锥。光线由发送光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙反射回来，再由接收光纤束接收。它所能接收到的光线被限制在一个锥面内，此锥面称为反射光锥。被接收的光线被光电元件转换为电压输出。间隙d改变时，发送光锥照射在轴承外圈表面上的面积随之改变，接收光纤束所接收到的光线强度也随之改变。,1发送光纤束；2接收光纤束；3发送光维；4反射光锥；5轴承表面原理及特性曲线,工作在线性区,光纤维监测诊断法的优点,(1)光纤位移传感器具有较高的灵敏度（可达50mV/m），且外形细长，便于安装。,(2)可以减少或消除振动传递过程中噪声的侵入和信号的衰减影响，从而提高信噪比。,(3)可以直接反映滚动轴承的制造质量、工作表面磨损情况、载荷、润滑和间隙的情况，反映直观明确。,一个由数百根光导纤维束组成的传感器安装在轴承体的外壳上，通过壳体上打孔，把光束直接聚焦在轴承外圈上，传感器内的光导纤维束包括等量分布的两部分：发送光纤柬和接收光纤束。由发送光纤束发出的光线到达轴承的表面，另一半接收光纤束接收从轴承表面反射回来的光线,理想的高精度轴承(图a)，外圈在滚动体通过是的弹性变形接近域半个简谐波形状，外圈故障(图b)，每个光滑的波峰处叠加了缺陷冲击形成的脉冲尖峰内环缺陷(图c)导致冲击尖峰的大小和位置不同，缺陷接近测点时，脉冲较大滚动体缺陷(图d)自身旋转一周，缺陷将分别与内外环接触，因此，在大脉冲的两边各出现一个小脉冲，大脉冲时外圈接触，小脉冲是缺陷与内环接触,光纤维监测诊断法诊断指标,有效值x峰值有效值比XP/x轴承速率比BSR,光纤维监测诊断法诊断指标,有效值x,均方根幅值的变化反映轴承制造质量的不同,轴承由于其制造缺陷，如表面粗糙度、波纹度和圆度误差等，会形成不规则的轮廓，运行时就会产生振动。这一振动由光纤传感器接收后，即可得如图所示的x脉动波形。,光纤维监测诊断法诊断指标,有效值x,均方根幅值的变化反映轴承制造质量的不同,图(a)为一个接近理想的高精度轴承形成的波形，其套圈的弹性变形接近简谐波形，其波数等于通过测点钢球数目；图(b)为精度级低的轴承形成的复杂波形，这种轴承不但表面粗糙度大，几何形状误差大，而且钢球直径也有明显不同。由此可见，可用光纤传感器直接检测在用轴承的质量，这是一种简单而有效的测试方法。,光纤维监测诊断法诊断指标,峰值有效值比XP/x,对于经过一段时间运行的滚动轴承，其工作表面会由于磨损而变得粗糙。虽然此时轴承表面粗糙状况也可以用上述有效值指标来表示，但是当轴承零件上有局部的剥落、凹坑一类缺陷时，有效值就无法反映出来。这时通过峰值有效值比则可以明显地反映出来。一般来说，当XP/x1.5时，就认为轴承零件上有局部缺陷产生。,光纤维监测诊断法诊断指标,轴承速率比BSR,图中的阴影部分是轴承正常工作时的BSR值。当BSR值偏高时，则可能是载荷高、润滑不良或者轴承间隙过大；当BSR值偏低时，则可能是载荷不足、润滑过多（例如润滑脂加注过多）或者轴承间隙过小。由此可见，BSR值是反映轴承运行性能的直接指标。,滚动轴承的BSR值,轴承速率比BSR定义为钢球通过频率与轴的回转频率之比，它取决于轴承的载荷和间隙的大小以及轴承的润滑状况。,接触电阻诊断法,滚动轴承在旋转过程中，如果在滚道面和滚动体之间能够形成良好的油膜，则内圈和外圈之间的电阻值很大，可达兆欧以上；正常轴承其油膜厚度至少是表面粗糙度的四倍。当润滑膜破坏时，则内圈和外圈之间的电阻值可降至零欧附近。利用这一特性，便可对滚动轴承的润滑状态及与此有关的磨损、腐蚀之类的损伤进行诊断，但不适用于点蚀类损伤的诊断。,油膜厚度与接触电阻的关系,接触电阻诊断法,用接触式电阻法监测轴承故障时，需要在轴承上施加一微小的直流电压，测量轴承接触表面间的接触电阻。依靠图示仪器和线路，可以求出在不同轴承缺陷下的接触电阻谱。,油膜电阻法的测量分析原理,显然，振动监测和接触电阻监测技术对于不同的轴承缺陷敏感的程度不同。振动监测法对剥落、凹坑比较有效；而接触电阻法对磨损、腐蚀这类故障比较敏感。两者相互补充。,总结,当前，滚动轴承运行的故障诊断和监测技术已经发展的较完善。测振、测温、测磨损、测润滑等各种方法都有应用。,