状态监测与故障诊断技术 第六章 滚动轴承诊断.doc

第六章 滚动轴承诊断第一节 滚动轴承的振动监测 ????轴承故障的监测与诊断一向是机械故障诊断技术中的重要内容。据统计，约30%的旋转机械的故障是由于滚动轴承的损坏所造成的。由于设计不当，或零件的加工和安装工艺不好，或轴承服役条件欠佳，或突加载荷的袭击，使轴承在承载运转一段时间后会产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中其缺陷还会进一步扩展，使轴承运转状态逐渐恶化以致完全失效。轴承失效形式较多，如组成轴承的各元件由于相互运动而磨损；由于润滑油中的水份使元件表面产生了化学腐蚀；由于不洁的润滑油中含有金属碎块致使轴承元件表面形成压坑；由于承受反复载荷而产生的疲劳点蚀、剥落或裂纹，甚至导致破断等等。　　轴承的种种缺陷可以在轴承的运转状态下用各种方法加以检测。例如，可以采用振动和噪声的测试及分析技术，铁谱分析技术或测定轴承的温度等方法。　　实践告诉我们：这些滚动轴承的故障大部分可归结为表面的劣化，进而使振动加剧。因此，与表面状态关联的振动信号反应最为灵敏，从中可以吸取到反映轴承状态的重要信息。振动监测方法已趋成熟，最为可靠也易于实现。 第一节 滚动轴承的振动监测 一、 滚动轴承的振动与特征 　　1． 新轴承的振动 　　滚动轴承在旋转时，即使是新的轴承也会产生振动，它主要是由下列两种振动组合而成的。第一种是由于轴承滚动元件的不圆度、凹凸不平的粗糙度和波纹度而引起的振动，这种粗糙不平的起伏是随机的，因而所引起的振动也是随机的，但振级极小；第二种是由于外力的激励而引起的轴承某个元件，在其固有频率上的振动。对各种轴承元件，其固有频率有一确定范围，可按下式计算求得。　　钢球的固有频率为：　　式中r--钢球半径(m)；　　　 ρ--材料密度（kg/m3）；　　　 E--材料弹性模具（N/m2）；　　 轴承套圈在圈平面内的固有频率为 　　式中 I--套圈截面绕中性轴的惯性矩（m4）；　　　　a--回转轴线到中性轴的半径（m）；　　　　M--套圈单位长度内的质量（kg/m）。 　　轴承元件的固有频率其可能范围大致在20-60kHz。人们往往利用此段频率作为诊断频带，因为轴承元件的缺陷或其不规则表面在运转中引起的脉冲冲击能激发轴承某个元件以其固有频率振动，从而使故障信号在此频带中得到放大，提高了故障信号的信噪比。 2． 滚动轴承产生缺陷后的振动 　　由于润滑不良和混入异常物等原因使滚动元件表面劣化，致使滚动表面原来的凹凸不平程度变得更加厉害，这种凹凸不平仍具有随机性。因此，由此而引起的振动也保持其随机性，只是由于凹凸形状的变大，相应的激振力也会增大。因此，由此所产生的振动，其振幅也相应增大。见图6-1所示。　　当轴承的滚动体表面上产生剥落和裂纹等局部缺陷时，随着轴承的旋转，缺陷部分每当与其它元件表面接触一次就会产生一个冲击激振力，该冲击具有明显的周期性。这种周期性脉冲振动一旦出现，就告诉人们：该轴承的某个元件已产生了某种缺陷。　　 轴承内、外圈上出现裂纹或斑痕后，轴承产生振动的波形是不同的。如图6-2所示。　　图6-2（a）为轴承外圈表面产生剥落时的振动时域波形。由于外圈固定不动，其承受的力不变，时域波形呈现出一串等幅的脉冲波形；图6-2（b）为轴承内圈表面产生剥落时的振动波形。由于内圈随轴旋转，因此承受的压力具有周期性变化，其时域波形呈现出脉冲幅值受到某一低频信号的调制现象。 　　由于轴承安装质量不高，对中不良，使得保持架座孔和引导面受到偏载，进而会导致保持架断裂。保持架断裂会产生某一固定频率的振动，其频率大小由其断裂的段数而定。　　以上的各种故障或缺陷所产生的振动，其频率范围均在0-20kHz内，如轴承出现上述故障，则在轴承振动的频谱图上可以找出其相应的频率成分，并可进行故障的分析和诊断。　　频率在60kHz以上的信号属于声发射范围，需用声发射仪来接受其信号。声发射是一种动态发射。当轴承在运行中由于润滑不足而工作表面产生胶合，或当点蚀继续扩展产生裂纹的时候，都会产生声发射信号。　　图6-3是一个航空轴承在专用的滚动轴承试验台上试验所测得的频谱图。该轴承的参数为：轴承滚道节距D=70mm，钢球直径d=12.7mm；滚动体个数z=14，接触角a=27度-30度，试验转速为1000rpm,预加载荷为2270N。　　从图上可以清楚地看到分别处在I，II，III三个频带中的几个对应的频谱。第I段为0-20kHz，在该频段中的各谱峰反应了轴承滚动元件表面缺陷的振动值；第II段为20-60kHz，为轴承各元件的自振频率的频段；第III段60kHz，它反应了声发射信号。二、 滚动轴承缺陷的振动特征频率 　　滚动轴承各元件表面上产生的缺陷，如剥落坑、裂纹或胶合斑痕等使轴承在运转中产生振动，其振动的特征