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滚动轴承的状态检测与故障诊断

来源: 时间:2014-08-18 16:38:01 次数:

当轴承某一元件表面出现局部损伤时,在受载运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、 机器结构及传感器的固有频率, 所以必然激起测振系统的共振。因此,测得的振动加速度信号包含着多个载波共振频率, 以及调制于其上的故障特征频率和其谐波成分。从而可以根据实际情况选取某一共振频率为中心,使微弱的轴承故障信号搭载在高幅值的谐振频段传递出来,再对所测信号进行绝对值处理,之后采用低通滤波,即可获得调制信号的包络线,然后进行快速傅立叶变换FFT,即可得到包含故障特征频率及其倍频成分的低频包络信号, 对包络信号进行频谱分析就可以很容易地诊断出轴承的故障来,这个过程也称为共振解调。

滚动轴承是旋转机械中的重要零件,统计表明,在使用滚动轴承的旋转机械中,大约有30%的机械故障都是滚动轴承引起的。采用状态检测与故障诊断技术后,事故发生率可降低75%,维修费用可减少25%~50%。
一、滚动轴承的失效形式
(一)疲劳剥落
滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域,这些部件因长时间承受交变载荷的作用,首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹,继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落,逐步发展到大片剥落,称之为疲劳剥落。
(二)磨损
由于滚道和滚动体的相对运动和尘埃异物引起表面磨损,润滑不良会加剧磨损,结果使轴承游隙增大,表面粗糙度增加,降低了轴承运转精度,因而也降低了机器的运动精度,表现为振动水平及噪声的增大。
(三)擦伤
由于轴承内外滚道和滚动体接触表面上的微观凸起或硬质颗粒使接触面受力不均,在润滑不良、高速重载工况下,因局部摩擦产生的热量造成接触面局部变形和摩擦焊合,严重时表面金属可能局部熔化,接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂。
(四)断裂
当轴承所受载荷、振动过大时,内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下,缺陷逐步扩展而断裂。
(五)锈蚀
水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承内部有轴电流通过时,在滚道和滚动体的接触点处引起电火花而产生电蚀,在表面上形成搓板状的凹凸不平。
二、滚动轴承的失效过程
轴承失效通常划分为四个阶段:
(一)第一阶段:轴承的超声频率振动阶段
轴承最早期的故障是表现在250kHz~350kHz范围的超声频率的振动异常,随着故障的发展,异常频率逐渐下降移到20kHz~60kHz,此时的轴承微小故障可被冲击包络和声发射的方法检测到,冲击包络值最大可达0.5gE(加速度包络,振动分析中表示振幅的一个加速度指标)。
(二)第二阶段:轴承的固有频率振动阶段
随着轴承的运转,轴承滚动表面会产生轻微的缺陷,这些轻微缺陷引起的振动会激起轴承部件的固有频率(fn)振动或轴承支承结构共振,一般振动频率在500Hz~2kHz。同时该频率还作为载波频率调制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身,后期表现为在固有频率附近出现边频。如果用加速度包络法检测会发现其包络值会上升至0.5~1.OgE左右。此时,轴承仍可安全运转。
(三)第三阶段:轴承缺陷频率及其倍频振动阶段
随着轴承微小缺陷的进一步扩展,轴承缺陷频率及其倍频开始出现,随着轴承磨损的进一步发展,更多缺陷频率的倍频开始出现,围绕这些倍频以及轴承部件固有频率的边频带数量也逐步上升。此时轴承的振动已经比较明显,应考虑尽早更换轴承。
(四)第四阶段:轴承随机宽带振动阶段
轴承已经接近完全失效,轴承的寿命已经接近尾声,甚至工频也受其影响而上升并产生许多工频的倍频,而原先离散的轴承缺陷频率和固有频率开始"消失",取而代之是随机的宽带高频"噪声振动",高频噪声振动和包络值有所下降,但就在轴承最终失效前,包络冲击值会大幅上升。
三、滚动轴承的振动特征分析方法
(一) 特征参数法
特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态, 结果分析简单和方便。在滚动轴承诊断中常用的特征参数包括有效值、峰值等各种时域特征参数和重心频率等各种频域参数。
(三) 频谱分析法
滚动轴承的振动其频率成分十分丰富, 既含有低频成分,又含有高频成分。每一种特定的故障都对应特定的频率成分, 需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来, 从而指出特定故障的存在。
(三)包络法
包络法的优点包括它能区分同时发生在同一个轴承中的数种故障特征的特征,将与故障有关的信号从高频调制信号中取出, 从而避免了与其它低频干扰的混淆, 具有极高的诊断可靠性和灵敏度。
当轴承某一元件表面出现局部损伤时,在受载运行过程中要撞击与它接触的表面而产生冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带很宽,包含轴承组件、轴承座、 机器结构及传感器的固有频率, 所以必然激起测振系统的共振。因此,测得的振动加速度信号包含着多个载波共振频率, 以及调制于其上的故障特征频率和其谐波成分。从而可以根据实际情况选取某一共振频率为中心,使微弱的轴承故障信号搭载在高幅值的谐振频段传递出来,再对所测信号进行绝对值处理,之后采用低通滤波,即可获得调制信号的包络线,然后进行快速傅立叶变换FFT,即可得到包含故障特征频率及其倍频成分的低频包络信号, 对包络信号进行频谱分析就可以很容易地诊断出轴承的故障来,这个过程也称为共振解调。

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