滾動(dòng)軸承故障診斷new(1).ppt

滾動(dòng)軸承故障診斷 1滾動(dòng)軸承的失效形式2滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理與信號(hào)特征3滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法4滾動(dòng)軸承故障診斷案例實(shí)例某鋼鐵公司高速線材軋制線上吐絲機(jī) 軸承的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)介紹 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 4 機(jī)器分類在本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)烈度按如下參數(shù)分類 機(jī)器類型額定功率或轉(zhuǎn)軸高度支承系統(tǒng)剛度 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 4 1按機(jī)器類型 額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類由于設(shè)計(jì) 軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組 第1組額定功率大于300KW但不超過50MW的大型機(jī)器 轉(zhuǎn)軸高度大于315毫米的電機(jī) 這類機(jī)器通常具有套筒軸承 運(yùn)行范圍或額定轉(zhuǎn)速相對(duì)比較寬 其范圍從120至15000轉(zhuǎn) 分 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 4 1按機(jī)器類型 額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類由于設(shè)計(jì) 軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組 第2組中等大小機(jī)器 其額定功率大于15KW至300KW 包括300KW 轉(zhuǎn)軸高度 160毫米 H 315毫米的電機(jī) 這類機(jī)器通常采用滾動(dòng)軸承并且運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過600轉(zhuǎn) 分 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 4 1按機(jī)器類型 額定功率或轉(zhuǎn)軸高度分類由于設(shè)計(jì) 軸承的類型及支承結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別需將機(jī)器分類成不同的組 第3組泵 離心式 混流式或軸流式 其額定功率大于15KW 這類機(jī)器通常采用套筒軸承或滾動(dòng)軸承 這幾類機(jī)器可具有水平 垂直或傾斜軸并且可安裝在剛性或柔性支承上 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 4 2按支承柔度分類通常有兩種類型用于對(duì)指定方向上的支承部件柔度分類 剛性支承柔性支承這些支承條件取決于機(jī)器與基礎(chǔ)柔度之間的相互關(guān)系 如在測(cè)量方向上機(jī)器與支承系統(tǒng)組合的最低自振頻率至少大于主激振頻率 在絕大多數(shù)情況下為旋轉(zhuǎn)頻率 25 則支承系統(tǒng)在該方向上可看作剛性支承 所有的其它支承系統(tǒng)都可看作柔性支承系統(tǒng) ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 5評(píng)定ISO10816 1提供了對(duì)各種類型機(jī)器振動(dòng)烈度評(píng)估的兩條評(píng)定準(zhǔn)則的總的描述 第一條準(zhǔn)則考慮所觀察的寬頻帶振動(dòng)的幅值 第二條準(zhǔn)則考慮幅值的變化 無論它們是增大還是減小 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 5 1 1評(píng)價(jià)區(qū)域?qū)ο铝性u(píng)價(jià)區(qū)域的確定 則可對(duì)給定的機(jī)器的振動(dòng)作定性的評(píng)估 并對(duì)可能采取的措施提供指南 區(qū)域A新交付使用的機(jī)器的振動(dòng)通常落在該區(qū)域 區(qū)域B機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通?？煽紤]無限長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 區(qū)域C機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域一般考慮不適宜作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行 通常應(yīng)當(dāng)在此狀態(tài)下運(yùn)行有限時(shí)間至一合適的機(jī)會(huì)進(jìn)行維修 區(qū)域D機(jī)器振動(dòng)處在該區(qū)域通常考慮其振動(dòng)烈度足以導(dǎo)致機(jī)器損壞 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 本限制值用于頻率范圍從10至100赫茲 或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器為從2至1000赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 本限制值用于頻率范圍從10至100赫茲 或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器為從2至1000赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值 ISO10816 3標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 本限制值用于頻率范圍從10至100赫茲 或?qū)Φ娃D(zhuǎn)速機(jī)器為從2至1000赫茲的寬帶振動(dòng)速度與振動(dòng)位移的有效值 軸承溫升要求 軸承的正常溫度因機(jī)器的熱容量 散熱量 轉(zhuǎn)速及負(fù)載而不同 如果潤(rùn)滑 安裝不合適 則軸承溫度會(huì)急驟上升 出現(xiàn)異常高溫 這時(shí)必須停止運(yùn)轉(zhuǎn) 采取必要的防范措施 參照輸送的介質(zhì)溫度 旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后軸承溫度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn) JB T8664 19974 14 軸承溫升不得超過環(huán)境溫度35 最高溫度不得超過80 如設(shè)備說明書有特別要求 可參照說明書的要求執(zhí)行 1滾動(dòng)軸承的失效形式 1 滾動(dòng)軸承的磨損失效磨損是滾動(dòng)軸承最常見的一種失效形式 在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中 滾動(dòng)體和套圈之間均存在滑動(dòng) 這些滑動(dòng)會(huì)引起零件接觸面的磨損 尤其在軸承中侵入金屬粉末 氧化物以及其他硬質(zhì)顆粒時(shí) 則形成嚴(yán)重的磨料磨損 使之更為加劇 另外 由于振動(dòng)和磨料的共同作用 對(duì)于處在非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的滾動(dòng)軸承 會(huì)在套圈上形成與鋼球節(jié)距相同的凹坑 即為摩擦腐蝕現(xiàn)象 如果軸承與座孔或軸頸配合太松 在運(yùn)行中引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 又會(huì)造成軸承座孔或軸徑的磨損 當(dāng)磨損量較大時(shí) 軸承便產(chǎn)生游隙噪聲 振動(dòng)增大 2 滾動(dòng)軸承的疲勞失效在滾動(dòng)軸承中 滾動(dòng)體或套圈滾動(dòng)表面由于接觸載荷的反復(fù)作用 表層因反復(fù)的彈性變形而致冷作硬化 下層的材料應(yīng)力與表層出現(xiàn)斷層狀分布 導(dǎo)致從表面下形成細(xì)小裂紋 隨著以后的持續(xù)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn) 裂紋逐步發(fā)展到表面 致使材料表面的裂紋相互貫通 直至金屬表層產(chǎn)生片狀或點(diǎn)坑狀剝落 軸承的這種失效形式稱為疲勞失效 隨著滾動(dòng)軸承的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 損壞逐步增大 因?yàn)槊撀涞乃槠粷L壓在其余部分滾道上 并給那里造成局部超載荷而進(jìn)一步使?jié)L道損壞 軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 一旦發(fā)生疲勞剝落 其振動(dòng)和噪聲將急劇惡化 3 滾動(dòng)軸承的腐蝕失效軸承零件表面的腐蝕分三種類型 a 化學(xué)腐蝕 當(dāng)水 酸等進(jìn)入軸承或者使用含酸的潤(rùn)滑劑 都會(huì)產(chǎn)生這種腐蝕 b 電腐蝕 由于軸承表面間有較大電流通過使表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕 c 微振腐蝕 為軸承套圈在機(jī)座座孔中或軸頸上的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)所至 結(jié)果使套圈表面產(chǎn)生紅色 Fe2O3 或黑色的銹斑 軸承的腐蝕斑則是以后損壞的起點(diǎn) 4 滾動(dòng)軸承的塑變失效壓痕主要是由于滾動(dòng)軸承受負(fù)荷后 在滾動(dòng)體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形 載荷過大時(shí)會(huì)在滾道表面形成塑性變形凹坑 另外 若裝配不當(dāng) 也會(huì)由于過載或撞擊造成表面局部凹陷 或者由于裝配敲擊 而在滾道上造成壓痕 5 滾動(dòng)軸承的斷裂失效造成軸承零件的破斷和裂紋的重要原因是由于運(yùn)行時(shí)載荷過大 轉(zhuǎn)速過高 潤(rùn)滑不良或裝配不善而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力 也有的是由于磨削或熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致的 6 滾動(dòng)軸承的膠合失效滑動(dòng)接觸的兩個(gè)表面 當(dāng)一個(gè)表面上的金屬粘附到另一個(gè)表面上的現(xiàn)象稱為膠合 對(duì)于滾動(dòng)軸承 當(dāng)滾動(dòng)體在保持架內(nèi)被卡住或者潤(rùn)滑不足 速度過高造成摩擦熱過大 使保持架的材料粘附到滾子上而形成膠合 其膠合狀為螺旋形污斑狀 還有的是由于安裝的初間隙過小 熱膨脹引起滾動(dòng)體與內(nèi)外圈擠壓 致使在軸承的滾道中產(chǎn)生膠合和剝落 二滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理與信號(hào)特征 引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素很多 有與部件有關(guān)的振動(dòng) 也有與制造質(zhì)量有關(guān)的振動(dòng) 還有與軸承裝配以及工作狀態(tài)有關(guān)的振動(dòng) 如圖7 1所示 我們通過對(duì)軸承振動(dòng)的剖析 找出激勵(lì)特點(diǎn) 并通過不同的檢測(cè)分析方法的研究 從振動(dòng)信號(hào)中 獲取振源的可靠信息 用以進(jìn)行滾動(dòng)軸承的故障診斷 圖7 1滾動(dòng)軸承振動(dòng)的時(shí)域信號(hào) a 新軸承的振動(dòng)波形 b 表面劣化后的軸承振動(dòng)波形 1 軸承剛度變化引起的振動(dòng)當(dāng)滾動(dòng)軸承在恒定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 如圖7 2 由于其軸承和結(jié)構(gòu)所決定 使系統(tǒng)內(nèi)的載荷分布狀況呈現(xiàn)周期性變化 如滾動(dòng)體與外圈的接觸點(diǎn)的變化 使系統(tǒng)的剛度參數(shù)形成周期的變化 而且是一種對(duì)稱周期變化 從而使其恢復(fù)力呈現(xiàn)非線性的特征 由此便產(chǎn)生了分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng) 此外 當(dāng)滾動(dòng)體處于載荷下非對(duì)稱位置時(shí) 轉(zhuǎn)軸的中心不僅有垂直方向的 而且還有水平方向的移動(dòng) 這類參數(shù)的變化與運(yùn)動(dòng)都將引起軸承的振動(dòng) 也就是隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 滾動(dòng)體通過徑向載荷處即產(chǎn)生激振力 這樣在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 由于剛度參數(shù)形成的周期變化和滾動(dòng)體產(chǎn)生的激振力及系統(tǒng)存在非線性 便產(chǎn)生多次諧波振動(dòng)并含有分諧波成分 不管滾動(dòng)軸承正常與否 這種振動(dòng)都要發(fā)生 圖7 2滾動(dòng)軸承剛度的變化 2 由滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)副引起的振動(dòng)當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 滾動(dòng)體便在內(nèi)外圈之間滾動(dòng) 軸承的滾動(dòng)表面雖加工得非常平滑 但從微觀來看 仍高低不平 特別是材料表面產(chǎn)生疲勞斑剝時(shí) 高低不平的情況更為嚴(yán)重 滾動(dòng)體在這些凹凸面上轉(zhuǎn)動(dòng) 則產(chǎn)生交變的激振力 所產(chǎn)生的振動(dòng) 既是隨機(jī)的 又含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng) 其主要頻率成分為滾動(dòng)軸承的特征頻率 滾動(dòng)軸承的特征頻率 即接觸激發(fā)的基頻 完全可以根據(jù)軸承元件之間滾動(dòng)接觸的速度關(guān)系建立的方程求得 計(jì)算的特征頻率值往往十分接近測(cè)量數(shù)值 所以在診斷前總是先算出這些值 作為診斷的依據(jù) 滾動(dòng)軸承的特征頻率 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn) 外圈固定時(shí) 1 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率 1 Hz2 保持架旋轉(zhuǎn)頻率 2 3 滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率 3 4 保持架過內(nèi)圈頻率 4 5 滾動(dòng)體通過內(nèi)圈頻率 5 6 滾動(dòng)體通過外圈頻率 6 式中 n 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速 r min z 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)在故障診斷的實(shí)踐中 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率 1 滾動(dòng)體通過內(nèi)圈頻率 5 滾動(dòng)體通過外圈頻率 6對(duì)表面缺陷有較高的敏感度 是重要的參照指標(biāo) 圖7 3向心推力球軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 內(nèi)圈旋轉(zhuǎn) 外圈固定 圖7 4滾動(dòng)軸承內(nèi)缺陷所激發(fā)的振動(dòng)波形 3 滾動(dòng)軸承的早期缺陷所激發(fā)的振動(dòng)特征滾動(dòng)軸承內(nèi)出現(xiàn)剝落等缺陷 滾動(dòng)體以較高的速度從缺陷上通過時(shí) 必然激發(fā)兩種性質(zhì)的振動(dòng) 見圖7 4 第一類振動(dòng)是上節(jié)所講的以結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系為特征的振動(dòng) 表現(xiàn)為沖擊振動(dòng)的周期性 第二類振動(dòng)是被激發(fā)的以軸承元件固有頻率的衰減振蕩 表現(xiàn)為每一個(gè)脈沖的衰減振蕩波 軸承元件的固有頻率取決于本身的材料 結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量 根據(jù)某些資料介紹 軸承元件的固有頻率在20K 60KHz的頻率段 因此 有些軸承診斷儀 就針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)分析處理 在這一頻段內(nèi)工作的儀表 利用低頻段信號(hào)診斷軸承故障的要點(diǎn) 軸承缺陷所激發(fā)的周期性脈沖的頻率與軸承結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系 處于振動(dòng)信號(hào)的低頻段內(nèi) 在這個(gè)頻段內(nèi)還有軸的振動(dòng) 齒輪的嚙合振動(dòng)等各種零件的振動(dòng) 由于這些振動(dòng)具有更強(qiáng)的能量 軸承早期缺陷所激發(fā)的微弱周期性脈沖信號(hào)往往淹沒在這些強(qiáng)振信號(hào)中 給在線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來困難 但是 滾動(dòng)軸承故障在低頻段的特征還是可以得到的 因?yàn)闈L動(dòng)軸承在機(jī)器設(shè)備中的作用是支撐傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn) 所以滾動(dòng)軸承故障所激發(fā)的振動(dòng)必然對(duì)軸及軸上的機(jī)械零件產(chǎn)生影響 對(duì)于轉(zhuǎn)軸上的零件為齒輪等非轉(zhuǎn)子類零件的軸而言 其動(dòng)不平衡量是不隨時(shí)間變化的 滾動(dòng)軸承影響到軸的空間定位 軸承故障將使軸的空間定位出現(xiàn)波動(dòng) 當(dāng)軸的工作狀態(tài)處于非重載時(shí) 軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值升高 有時(shí)還表現(xiàn)為轉(zhuǎn)頻的2X 3X 5X頻率的振幅升高 這種情況往往預(yù)示著滾動(dòng)軸承出現(xiàn)早期故障 當(dāng)軸的轉(zhuǎn)頻振動(dòng)幅值再次降低時(shí) 滾動(dòng)軸承故障已進(jìn)入晚期 到了必需更換的程度 三滾動(dòng)軸承信號(hào)分析方法 軸承故障信號(hào)的拾取實(shí)際上是傳感器及安裝部位和感應(yīng)頻率段的選擇 傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位 并按信號(hào)傳動(dòng)的方向選擇垂直 水平 軸向布置 這里距故障信號(hào)源最近 傳輸損失最小 也是軸 齒輪等故障信號(hào)傳輸路徑必經(jīng)的最近位置 所以幾乎所有的在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)都選擇軸承座作為傳感器的安裝部位 由于軸的空間位置波動(dòng) 也必然影響齒輪等零件的振動(dòng) 很微弱 幾乎看不見 圖7 5滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻譜 傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇 軸承故障信號(hào)分布的頻段傳感器和感應(yīng)頻率段的選擇 如圖7 5所示 這是一個(gè)航空軸承通過故障實(shí)驗(yàn)得到的頻譜圖 軸承的故障信號(hào)分布在3個(gè)頻段 即圖中陰影部分 a 低頻段 在8kHz以下 滾動(dòng)軸承中與結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系相聯(lián)系的故障信號(hào)在這個(gè)頻率段 少數(shù)高速滾動(dòng)軸承的信號(hào)頻段能延展到B點(diǎn)以外 因?yàn)檩S的故障信號(hào) 齒輪的故障信號(hào)也在這個(gè)頻段 因而這也是絕大部分在線故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的頻段 b 高頻段 位于 區(qū) 這個(gè)頻段的信號(hào)是軸承故障所激發(fā)的軸承自振頻率的振動(dòng) c 超高頻段 位于 區(qū) 它們是軸承內(nèi)微裂紋擴(kuò)張所產(chǎn)生的聲發(fā)射超聲波信號(hào) 信號(hào)拾取方式 針對(duì)不同的信號(hào)所處頻段 需采用不同的信號(hào)拾取方式 a 監(jiān)測(cè)低頻段的信號(hào) 通常采用加速度傳感器 由于同時(shí)也要拾取其它零件的故障信號(hào) 因此采用通用的信號(hào)處理電路 儀器 b 監(jiān)測(cè)高頻段的信號(hào) 其目的是要獲取唯一的軸承故障信號(hào) 采用自振頻率在25 30KHz的加速度傳感器 利用加速度傳感器的共振效應(yīng) 將這個(gè)頻段的軸承故障信號(hào)放大 再用帶通濾波器將其它頻率的信號(hào) 主要是低頻信號(hào) 濾除 獲得唯一的軸承故障信號(hào) c 監(jiān)測(cè)超高頻段的信號(hào) 則采用超聲波傳感器 將聲發(fā)射信號(hào)檢出并放大 儀表統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的頻度和強(qiáng)度 一旦頻度或強(qiáng)度超過某個(gè)報(bào)警限 則判定軸承故障 滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析方法 1 有效值與峰值判別法有效值 滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值反映了振動(dòng)的能量大小 當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后 其振動(dòng)必然增大 因而可以用有效值作為軸承異常的判斷指標(biāo) 峰值 有效值指標(biāo)對(duì)具有瞬間沖擊振動(dòng)的異常是不適用的 因?yàn)闆_擊波峰的振幅大 并且持續(xù)時(shí)間短 用有效值來表示故障特征 其特征并不明顯 對(duì)于這種形態(tài)異常的故障特征 用峰值比有效值更適用 2 峰值系數(shù)法所謂峰值系數(shù) 是指峰值與有效值之比 用峰值系數(shù)進(jìn)行診斷的最大特點(diǎn) 是由于它的值不受軸承尺寸 轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的影響 正常時(shí) 滾動(dòng)軸承的峰值系數(shù)約為5 當(dāng)軸承有故障時(shí) 可達(dá)到幾十 軸承正常 異常的判定可以很方便判別 另外 峰值系數(shù)不受振動(dòng)信號(hào)的絕對(duì)水平所左右 測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度即使變動(dòng) 對(duì)示值也不會(huì)產(chǎn)生多大影響 3 峭度指標(biāo)法峭度指標(biāo)Cq反映振動(dòng)信號(hào)中的沖擊特征 峭度指標(biāo)Cq峭度指標(biāo)Cq對(duì)信號(hào)中的沖擊特征很敏感 正常情況下其值應(yīng)該在3左右 如果這個(gè)值接近4或超過4 則說明機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀況中存在沖擊性振動(dòng) 當(dāng)軸承出現(xiàn)初期故障時(shí) 有效值變化不大 但峭度指標(biāo)值已經(jīng)明顯增加 達(dá)到數(shù)十甚至上百 非常明顯 它的優(yōu)勢(shì)在于能提供早期的故障預(yù)報(bào) 當(dāng)軸承故障進(jìn)入晚期 由于剝落斑點(diǎn)充滿整個(gè)滾道 峭度指標(biāo)反而下降 也就是對(duì)晚期故障不適應(yīng) 4 沖擊脈沖法 SPM 沖擊脈沖法是利用軸承故障所激發(fā)的軸承元件固有頻率的振動(dòng)信號(hào) 經(jīng)加速度傳感器的共振放大 帶通濾波及包絡(luò)檢波等信號(hào)處理 所獲得的信號(hào)振幅正比于沖擊力的大小 在沖擊脈沖技術(shù)中 所測(cè)信號(hào)振幅的計(jì)量單位是dB 測(cè)到的軸承沖擊dBi值與軸承基準(zhǔn)值dB0相減 dB0是良好軸承的測(cè)定值 dBN dBi dB0沖擊脈沖計(jì)的刻度就是用dBN值表示的 軸承的狀況分為三個(gè)區(qū) 0 20 dBN表示軸承狀況良好 20 35 dBN表示軸承狀況已經(jīng)劣化 屬發(fā)展中的損傷期 35 60 dBN表示軸承已經(jīng)存在明顯的損傷 圖7 6共振解調(diào)法的信號(hào)變換過程 5 共振解調(diào)法共振解調(diào)法也稱為包絡(luò)檢波頻譜分析法 是目前滾動(dòng)軸承故障診斷中最常用的方法之一 共振解調(diào)法的基本原理可用圖7 6所示信號(hào)變換過程中的波形特征來說明 圖 a 為理想的故障微沖擊脈沖信號(hào)F t 原始脈沖波 它在時(shí)域上的脈寬極窄 幅值很小 而脈沖的頻率成分很豐富 雖然這種脈沖是以T為周期 但在頻譜上卻直接反映不出對(duì)應(yīng)的頻率1 T成分 圖 b 是脈沖信號(hào)由傳感器接收后 經(jīng)過電子高頻諧振器諧振 產(chǎn)生的一組組共振響應(yīng)波 這是一種振幅被放大了的高頻自由衰減振蕩波 振蕩頻率就是諧振器的諧振頻率 n n 1 Tn 它的最大振幅與故障沖擊的強(qiáng)度成正比 而且每組振蕩波在時(shí)域上得到了展寬 振蕩波的重復(fù)頻率與故障沖擊的重復(fù)頻率相同 圖 c 為振蕩波經(jīng)過絕對(duì)值處理后留下了對(duì)應(yīng)的頻率 但它還不是完全的周期信號(hào) 在頻譜上不能形成簡(jiǎn)單波形那樣的離散譜線 圖 d 為對(duì)圖 c 所示振蕩波再進(jìn)行包絡(luò)檢波處理后的波形 也就是取振蕩波形的包絡(luò)線 這個(gè)包絡(luò)波形就把高頻成分和其他機(jī)械干擾頻率剔除掉了 成為純低頻的周期波 波的周期T仍與原始沖擊頻率相對(duì)應(yīng)圖 e 為將圖 d 所示的純低周期包絡(luò)波作為新的振動(dòng)波形進(jìn)行頻譜分析 獲得明顯的沖擊頻率及其諧波成分的頻譜分析圖 圖7 7兩種信號(hào)處理方法比較 例 共振解調(diào)法 包絡(luò)檢波頻譜分析法 實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波的方法有多種 常用的有兩種方法 希爾伯特 Hilbett 變換法和檢波濾波法 圖7 7為204型軸承加了30N軸向力 在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測(cè)試分析的結(jié)果 圖7 7 a 為原信號(hào)直接用低頻信號(hào)接收法得到的頻譜 圖中譜峰密集 較難尋找出故障的特征頻率 圖7 7 b 為經(jīng)過包絡(luò)檢波后的頻譜圖 清楚地顯示出故障的特征頻率 其中91 25Hz是軸承外圈的間隔頻率 理論計(jì)算值為92 5Hz 145Hz 290Hz和436Hz是內(nèi)圈的間隔頻率及其諧波 該軸承的實(shí)際故障是內(nèi) 外滾道表面上各有一處疲勞剝落 6 頻譜分析法將低頻段測(cè)得振動(dòng)信號(hào) 經(jīng)低通抗疊混濾波器后 進(jìn)行FFT快速富里葉變換 得到頻譜圖 根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式計(jì)算得到各項(xiàng)特征頻率 在頻譜圖中找出 觀察其變化 從而判別故障的存在與部位 需要說明的是 各種特征頻率都是從理論上推導(dǎo)出來的 而實(shí)際上 由于軸承的各幾何尺寸會(huì)有誤差 加上軸承安裝后的變形 FFT計(jì)算誤差等因素 使得實(shí)際的頻率與計(jì)算所得的頻率會(huì)有某些出入 所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí) 需在計(jì)算的頻率值上找其近似的值來作診斷 圖7 8故障軸承與完好軸承的頻譜圖對(duì)比a 故障軸承b 完好軸承 例如 圖7 8a 是一個(gè)外環(huán)有劃傷的軸承頻譜圖 明顯看出其頻譜中有較大的周期成分 其基頻為184 2Hz 圖7 8b是與該軸承同型號(hào)的完好軸承的頻譜圖 通過比較可以看出 當(dāng)出現(xiàn)故障后頻譜圖上有較高階諧波 在此例中出現(xiàn)了184 2Hz的5階諧波 且在736 9Hz上出現(xiàn)了諧波共振現(xiàn)象 需要指出的是 圖7 8是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室作出的圖形 實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)是極復(fù)雜的 包含了諸多軸 齒輪等強(qiáng)振信號(hào) 而滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)因?yàn)閺?qiáng)度太小 而被淹沒 只有機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械 如低轉(zhuǎn)速的水泵 才能復(fù)現(xiàn)與圖7 8相似的頻譜圖 滾動(dòng)軸承原故障信號(hào)弱 并不意味常規(guī)的FFT信號(hào)分析技術(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷束手無策 我們都知道滾動(dòng)軸承以其尺寸精度固定了轉(zhuǎn)軸的軸心空間位置 一旦滾動(dòng)軸承內(nèi)的故障引發(fā)振動(dòng) 必然影響轉(zhuǎn)軸的軸心位置 導(dǎo)致對(duì)應(yīng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅加大 若能排除軸上其他零件的原因 例如齒輪的轉(zhuǎn)子不平衡力是不隨時(shí)間變化的 即可診斷出軸承故障 軸上的齒輪等零件的振動(dòng)也會(huì)受到軸承振動(dòng)的影響 導(dǎo)致自身的振動(dòng)出現(xiàn)幅值增大 諧頻成分增多的現(xiàn)象 7 倒頻譜分析法對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)情況 其諧波成分更加復(fù)雜而密集 僅僅去觀察其頻譜圖 可能什么也辨認(rèn)不出 這是由于各運(yùn)動(dòng)件在力的相互作用下各自形成特有的特征頻率 并且相互疊加與調(diào)制 因此在頻譜圖上則形成多族諧波成分 如果應(yīng)用倒頻譜則較易于識(shí)別 倒頻譜 對(duì)于存在調(diào)頻 調(diào)幅現(xiàn)象的信號(hào) 其功率譜上會(huì)出現(xiàn)周期分量或等間隔的旁瓣 利用倒譜分析方法 對(duì)功率譜上的周期分量進(jìn)行再處理 找出功率譜上不易發(fā)現(xiàn)的問題 處理過程 例 圖7 9a 是內(nèi)圈軌道上有疲勞損傷和滾子有凹坑缺陷軸承的振動(dòng)時(shí)間歷程 圖7 9b則是其頻譜圖 該圖不便識(shí)別 圖7 9c是其倒頻譜 明顯看出有106Hz及26 39Hz成分 理論計(jì)算上滾子故障頻率為106 35Hz及內(nèi)圈故障頻率為26 35Hz 在此看出 倒頻譜反映出的故障頻率與理論幾乎完全一致 在滾動(dòng)軸承故障信號(hào)分析中 由于存在著明顯的調(diào)制現(xiàn)象 并在頻譜圖中形成不同族的調(diào)制邊帶 當(dāng)內(nèi)圈有故障時(shí)是則內(nèi)圈故障頻率構(gòu)成調(diào)制邊帶 當(dāng)滾子有故障時(shí) 則又以滾子故障頻率構(gòu)成另一族調(diào)制邊帶 因此軸承故障的倒頻譜診斷方法可以提供有效的預(yù)報(bào)信息 圖7 9倒頻譜分析的有效性示意圖 四滾動(dòng)軸承故障診斷案例 圖7 26吐絲機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 滾動(dòng)軸承故障診斷案例 2006年6月27日 某鋼鐵公司高速線材軋制線上的吐絲機(jī) 軸發(fā)生軸承碎裂事故 被迫停產(chǎn)檢修 事后檢視在線故障診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 發(fā)現(xiàn)早在4月13日時(shí)域峰值指標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)發(fā)出紅色警報(bào) 圖7 26是吐絲機(jī)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 作為事后調(diào)查 欲對(duì)所有故障監(jiān)測(cè)指標(biāo)作一下回顧 以便認(rèn)識(shí)哪些指標(biāo)對(duì)這類故障信息敏感 所以將各項(xiàng)時(shí)域監(jiān)測(cè)指標(biāo)列舉分析如下 1 時(shí)域指標(biāo)趨勢(shì)分析 1 6 5鋼吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峰值趨勢(shì)圖由圖7 27可見 在2 6月份軋 6 5鋼時(shí) 吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)時(shí)域峰值從4月13日 50m s 開始有所上升 到4月25日達(dá)到85m s 此后到5月6日已達(dá)到260m s 以上 并且到吐絲機(jī)軸承出現(xiàn)損壞事故前在線系統(tǒng)一直連續(xù)出現(xiàn)紅色警報(bào) 均在200m s 以上 圖7 27峰值指標(biāo)趨勢(shì)圖 2 軋 6 5鋼吐絲機(jī)a35水平測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)趨勢(shì)圖由圖7 28可見 在2 6月份軋 6 5鋼時(shí) 吐絲機(jī)a35水平測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)在4月13日之前維持在5以下 到4月16日達(dá)到10 此后到5月25日之間一直維持在6 5以上 軸承在正常狀態(tài)下的峰值系數(shù)為5左右 說明吐絲機(jī)在4月13日時(shí)已有故障隱患了 到5月25日后吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峰值系數(shù)又降到5以下 說明此時(shí)軸承到已經(jīng)損壞了 圖7 28峰值系數(shù)趨勢(shì)圖 3 軋 6 5鋼吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度指標(biāo)趨勢(shì)圖由圖7 29可見 在2 6月份軋 6 5鋼時(shí) 吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度在4月13日之前維持在5以下 到4月16日達(dá)到14 此后到5月25日之間一直維持在6 5以上 軸承在正常狀態(tài)下的峭度為3左右 說明吐絲機(jī)在4月13日 9 4 時(shí)已有故障隱患了 到5月25日后吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)峭度又降到5以下 說明此時(shí)軸承到已經(jīng)損壞了 由以上分析可見 從峰值 峰值系數(shù) 峭度三個(gè)時(shí)域指標(biāo)都可看出吐絲機(jī)軸承在4月13日時(shí)已有故障隱患了 在5月初到5月25日是軸承逐漸損壞時(shí)期 若在這個(gè)時(shí)期能夠?qū)ν陆z機(jī)進(jìn)行必要的檢查 就可避免6月27日軸承碎裂事故的發(fā)生 圖7 29峭度指標(biāo)趨勢(shì)圖 2 頻域指標(biāo)趨勢(shì)分析 軋 6 5鋼吐絲機(jī)II軸軸頻幅值趨勢(shì)圖由圖7 30可見 在2 6月份軋 6 5鋼時(shí) 吐絲機(jī)II軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的幅值在4月24日之前維持在0 25m s2以下 4月24日開始上升 達(dá)到0 4m s2 到5月6日達(dá)到9 659m s2 此后到6月27日之間一直維持在8 5m s2以上 6月6日最高達(dá)到30 82m s2 說明吐絲機(jī)在4月24日 0 4 時(shí)已有故障隱患了 到5月6日幅值發(fā)生突變 增大了20多倍 說明此時(shí)吐絲機(jī)軸承已經(jīng)損壞了 圖7 30II軸軸頻幅值趨勢(shì)圖 3 譜圖分析 1 a35測(cè)點(diǎn)正常時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖 軋 6 5鋼 圖7 31 a 吐絲機(jī)06年3月9日19 00時(shí)域波形圖 圖7 31 b 吐絲機(jī)06年3月9日19 00頻域波形圖 特征頻率表1 特征頻率表1 圖7 31軋 6 5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速 1071r min 吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù) 圖7 31顯示為吐絲機(jī)3月9日19 00的時(shí)域和頻域波形圖 吐絲機(jī)II軸 高速軸 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為0 151m s 并且II軸軸頻的2 5 7倍頻的振幅較為突出 見特征頻率表1 這時(shí)II軸已有輕微松動(dòng)故障了 由于振幅相對(duì)很低 不易看出 2 a35測(cè)點(diǎn)峰值明顯上升時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖 軋 6 5鋼 圖7 32 a 吐絲機(jī)06年4月25日4 00時(shí)域波形圖 圖7 32 b 吐絲機(jī)06年4月25日4 00頻域波形圖 特征頻率表2 特征頻率表2 圖7 32軋 6 5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速 1052r min 吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù) 圖7 32顯示為吐絲機(jī)4月25日4 00的時(shí)域和頻域波形圖 吐絲機(jī)II軸 高速軸 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為0 386m s 并且II軸軸頻的2 5 7倍頻幅值較為突出 見特征頻率表2 與3月9日波形圖相比 II軸 高速軸 軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅上升了2倍多 且II軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2 5 7倍頻幅值也相對(duì)上升了 表明吐絲機(jī)II軸松動(dòng)故障在逐漸加重 3 a35測(cè)點(diǎn)峰值上升非常大時(shí)的時(shí)域波形及頻譜圖 軋 6 5鋼 圖7 33吐絲機(jī)06年5月6日10 00時(shí)域和頻域波形圖 特征頻率表3 特征頻率表3 圖7 33軋 6 5鋼時(shí)轉(zhuǎn)速 1063r min 吐絲機(jī)a35測(cè)點(diǎn)譜圖數(shù)據(jù) 圖7 33顯示為吐絲機(jī)5月6日10 00的時(shí)域和頻域波形圖 吐絲機(jī)II軸 高速軸 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的振幅為9 659m s 并伴有II軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2 3倍頻振幅較為突出 見特征頻率表3 與4月25日波形圖相比 II軸 高速軸 軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率振幅上升了20多倍 且II軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2 3倍頻振幅也相對(duì)上升了 表明吐絲機(jī)II軸上軸承已經(jīng)損壞了 這個(gè)時(shí)間距軸承破碎還有40多天 而且頻譜圖上已有極明顯的故障征兆 低頻段升高20倍 使高頻振幅都?jí)合氯チ?