滚动轴承故障振动诊断方法

滚动轴承是机械系统中重要的支承部件,其性能与工况的好坏直接影响与之相连的转轴以及安装在转轴上的齿轮,甚至是整台机器设备的性能,在齿轮箱的各类故障中,轴承的故障率仅次于齿轮,大约占19%。 因此,开展对轴承的故障诊断具有很大的现实意义。

滚动轴承常见故障有磨损、疲劳、压痕、腐蚀、点蚀、胶合(黏着)以及保持架损坏等,当出现这些故障时,轴承必然产生异常振动和噪声,因此,可采用振动分析的方法对轴承故障进行诊断。

(1）滚动轴承的振动机理

正常情况下,滚动轴承的振动由以下五个方面的因素引起。

1)轴承刚度变化

由于轴承结构所致,滚动体与外圈的接触点变化,使轴承载荷分布状况呈现周期性变化,从而使轴承刚性参数产生周期性变化,由此引发轴承谐波振动。 无论滚动轴承正常与否,这种振动都会发生。

2)运动副

轴承的滚动表面虽加工得非常平滑,但从微观来看,仍然是高低不平的,滚动体在这些凹面之上转动,会产生交变的激振力,从而引发振动。 这种振动既是随机的又含有滚动体的传输振动,其主要频率成分是滚动轴承的特征频率。 在轴承外圈固定内圈旋转时,滚动轴承的特征频率如下:

①内圈旋转频率

式中　n——轴的转速,r/min。

②滚动体公转频率

式中　D——轴承的节圆直径,mm;

d——滚动体直径,mm;

α——接触角,(°)。

③滚动体自转频率

④保持架通过内圈频率

⑤滚动体通过内圈频率

式中　z——滚动体数目。

⑥滚动体通过外圈频率

式中　z——滚动体数目。

3)滚动轴承元件的固有频率

滚动轴承元件出现缺陷或结构不规则时,运行中将激发各个元件以其固有频率振动。 轴承元件的固有频率取决于本身的材料、外形和质量,一般为20 ～60 kHz。

4)滚动轴承安装

轴承安装歪斜、旋转轴系弯曲或轴承紧固过紧、过松等,都会引起轴承振动,振动的频率与滚动体的通过频率相同。(www.xing528.com)

5)滚动轴承常见的异常状况

当轴承状况异常时,在激振力的作用下,轴承振动加剧,振动值变大。 滚动轴承常见的异常状况可分为以下三种。

①表面皱裂是因轴承使用时间较长、轴承的滚动配合面慢慢劣化而形成的异常形态。 发生这种情况时,轴承的振动与正常轴承的振动具有相同的特点,即两者的振动都是无规则的,振幅的概率密度分布大多为正态分布,两者的唯一区别是轴承皱裂时的振幅变大了。

②表面剥落是疲劳、裂纹、压痕以及胶合斑点等失效形式所造成的滚动面的异常形态,它引起的振动为冲击振动。 在它的频谱中,一类为传输振动的低频脉动形式,另一类为轴承元件的固有振动。 通过查找这些固有振动中的某一元件运行的特征频率是否出现,即可进行故障诊断。

③轴承烧毁是由于润滑状态恶化造成的,发生此类情况时,轴承的振动值将迅速增大。

(2）滚动轴承故障的振动诊断方法

滚动轴承故障的振动诊断方法有多种,下面对常用的振幅监测法和频谱分析法进行介绍。

1)振幅监测法

①有效值(均方根值)和峰值判别法

振动信号的有效值反映了振动能量的大小,当轴承产生异常后,其振动必然增大,因而可用有效值作为轴承异常的判断指标。 有效值是对时间平均的,故适用于像磨损之类的振幅随时间缓慢变化的故障诊断。

峰值反映的是某一时刻振幅的最大值,因而适用于诊断像表面点蚀之类的具有瞬变冲击振动的故障诊断。

②波峰因数诊断法

所谓波峰因数,是指峰值与有效值之比。 采用波峰因数进行诊断的最大特点,是因为它的值不受轴承尺寸、转速及载荷的影响。 正常情况下,滚动轴承的波峰因数约为5,当轴承有故障时可达到几十,因此,轴承正常、异常的判定可很方便地进行。 另外,波峰因数不受振动信号绝对水平的影响,测量系统的灵敏度即使变动,对示值也不会产生多大影响,此法适用于点蚀类故障的诊断。

2)概率密度诊断法

将滚动轴承的振动或噪声信号通过数据处理得到不同形式的概率密度函数图形,根据图形的形式可以初步确定轴承是否存在故障以及故障的状态和位置。 无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线,而一旦出现故障,概率密度曲线就会出现变形情况。据此不难分析出如图5.6 所示的四种不同状态轴承的工作状况。 图5.6(a),接近高斯分布;图5.6(b),图形方差值较大,但无鞍形,可以说无明显故障;图5.6(c),图形特点是数据集中的成分大,在均值左右出现明显的鞍形,说明存在划伤现象;图5.6(d),图形方差值很大,数据非常分散,这是疲劳的明显特征。

图5.6　轴承的四种概率密度函数图

3)冲击脉冲诊断法

冲击脉冲诊断法的原理:滚动轴承存在缺陷时,如有疲劳剥落、裂纹、磨损和滚道进入异物,会发生低频冲击,这种冲击脉冲信号不同于一般机器的振动信号,冲击脉冲的持续时间很长,其能量可在广阔的频率范围内发散,并由于结构阻力很快被衰减下去,冲击脉冲的强弱与轴承的线速度有关,反映了故障程度。

在冲击脉冲技术中,所用的通用测量单位称为冲击值dBsv。 在测量到的轴承冲击值dBsv中,还包含了一个初始值dBt,也称为背景分贝值,其大小由轴承内径大小和转速高低确定,相当于一个没有任何损伤的轴承所具有的冲击值。 轴承工作状态好坏的冲击值是dBsv与dBt 的相对差值,称为标准值dBN,即

冲击脉冲计的刻度单位就是用dBN 值表示的。

用dBN 判断轴承状态的标准为:

0≤dBN≤20 dB　　　　　　　正常状态,轴承工作状态良好;

20≤dBN≤35 dB注意状态,轴承有初期损伤;

35≤dBN≤60 dB警告状态,轴承已有明显损伤。

使用冲击脉冲诊断法时,常常会由于经验不足或对设备工况条件考虑不周造成误诊,为防止这些情况的发生,采用该法时应注意以下两个问题:

①由于机器本身结构限制,无法完全达到SPM 传感器安装标准时,会造成信号衰减。

②设备本身结构有较大误差,如出现轴弯曲、不对中等情况时,会造成轴承状态恶化前的误报警。