1、旋轉機械振動監測與診斷二 旋轉機械的振動監測與診斷旋轉機械的振動監測與診斷 滾動軸承的振動診斷方法滾動軸承的振動診斷方法 旋轉機械振動監測與診斷二 主要內容：主要內容： 旋轉機械振動監測與診斷二 第五節、滾動軸承的振動診斷方法第五節、滾動軸承的振動診斷方法 5.1 滾動軸承的失效與振動測定 滾動軸承在運行過程中，由于裝配不當、潤滑 不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能使軸 承過早損壞。即使不出現上述情況，經過一段時間 運轉，軸承也會出現疲勞剝落和磨損而不能正常工 作。總之，滾動軸承的損傷形式是十分復雜的。表 5-1為滾動軸承的主要損傷形式及產生原因。 旋轉機械振動監測與診斷二 損傷形式損傷

2、原因損傷特征損傷結果 疲勞 軸向載荷過大 軸向載荷過大，對 中不良，潤滑不良 保持架的圓度誤差 太大 裝配不當，對中不 良，軸彎曲 軸、保持架精度不 高 安裝時沖擊載荷過 大，圓柱滾子軸承的 裝配過盈量太大 向心軸承的滾道僅 一側表面剝落 雙列軸承的表面僅 一側表面剝落 滾動體及滾道接觸 邊緣剝落 滾動體的圓周方向 在對稱位置上有剝落 滾子軸承的疾馳道 和滾動體靠近端部外 表面產生剝落 受力表面較大面積 壓光和微觀剝落 使滾動體或滾道表面 產生剝落坑，并向大 片剝落發展，導致軸 承失效 膠合 潤滑不良，潤滑 脂過硬，啟動時加 速度太大 滾道面不平行， 轉速過高 潤滑不良,裝配 不當,軸向載荷過

3、 大 滾道面和滾動體 表面出現膠合 深溝球軸承的滾 道面出現螺旋狀膠 合 滾子端面和擋邊 外出現膠合 導致表面燒傷，并 使金屬從一個表面 粘附到另一表面 表5-1滾動軸承的主要損傷形式及產生原因 旋轉機械振動監測與診斷二 磨損 運輸中軸承受到振 幅很小的搖擺運動作 用 配合面間有微小間 隙造成的滑動磨損 異物落入，潤滑不 良，對中不良，裝配 不當 類似靜壓痕 在配合面上出現紅 褐色磨損粉末的局部 磨損 滾道面、滾動體面、 凸緣面、保護架等磨 損 圓錐滾子軸承擋邊 磨損過大 損傷軸承，降低軸 承運轉精度 腐蝕 軸承內部配合面等 銹蝕 滾動面上出現模板 狀凸凹 表面紅色或黑色的 銹斑 空氣中水分的

4、凝結， 腐蝕性介質侵入 電流通過產生電火 花熔化 微振，裝配不當 表面由于電流、化 學和機械作用產生 損傷，喪失精度而 不能繼續工作 破損 沖擊載荷過大，裝 配不當，膠合發展 沖擊載荷，熱處理 不當，裝配不當，膠 合發展 對中不良，裝配不 當，潤滑不良，異常 載荷，轉速過快，異 物進入 外環或內環產生裂 紋 滾動體產生裂紋 保持架斷裂 導致產生裂紋，斷裂， 使軸承失效 旋轉機械振動監測與診斷二 1.測定部位 測定部位選擇的基本思路是選擇在離軸承最近、 最能反映軸承振動的位置上。一般講，若軸承座是外 露的，測點位置可直接選在軸承座上；若軸承座是非 外露的，測點應選擇在軸承座剛性較好的部分或基礎

5、上。同時，應在測點處做好標記，以保證不會由于測 點部位的不同而導致測量值的差異。 由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的 特性，因此一般情況下都應按圖5-1所示那樣在水平 （x）、垂直（y）和軸向（z）三個方向上進行檢測。 旋轉機械振動監測與診斷二 旋轉機械振動監測與診斷二 2.測定參數 根據滾動軸承的固有特性、制造條件、使用情況 的不同，它所引起的振動可能是頻率為1kHz以下的低 頻脈動，也可能是頻率為1kHz以上，數千赫乃至數十 千赫的高頻振動，更多的情況是同時包含了上述兩種 振動成分。因此，通常檢測的振動速度和加速度分別 覆蓋了上述的兩個頻帶，必要時可用濾波器取出需要 的頻率成分。如

6、果是在較寬的頻帶上檢測振動級，則 對于要求低頻振動小的軸承檢測振動速度，而對于要 求高頻振動小的軸承檢測振動加速度。 旋轉機械振動監測與診斷二 3.測定周期 滾動軸承的振動檢測可分為： A 定期檢測 對于定期檢測，為了早期發現軸承故障，以免故 障迅速發展到嚴重的程度，檢測的周期應盡可能短一 些。但如果檢測周期定得過短，則在經濟上可能是不 合理的。因此，應綜合考慮技術上的需要和經濟上的 合理性來確定合理的檢測周期。 旋轉機械振動監測與診斷二 B 連續在線監測 連續在線監測主要適用于重要場合或由于工況 惡劣不易靠近滾動軸承的場合，以及滾動軸承加速 劣化的階段，相應的監測儀器較定期檢測的儀器要 復雜

7、，成本也要高些。 旋轉機械振動監測與診斷二 5.2 滾動軸承的振動機理 圖圖 5 5 - - 2 2 滾滾 動動 軸軸 承承 結結 構構 簡簡 圖圖 1 1 外外 圈圈 2 2 滾滾 動動 體體 3 3 內內 圈圈 4 4 保保 持持 架架 1 2 3 4 滾動軸承是由內圈、外 圈、滾動體和保持架四部 分組成。圖5-2為滾動軸承 的結構簡圖。 旋轉機械振動監測與診斷二 2.滾動軸承的固有振動頻率 滾動軸承在運行過程中，由于滾動體與內圈或外圈 沖擊而產生振動，這時的振動頻率為軸承各部分的固有 頻率。 固有振動中，外圈的振動表現最明顯，計算內圈及 外圈的固有振動頻率時，將它們看作為矩形截面的圓環，

8、 故可用如下近似公式： 2 22 (1) () 2 (/ 2)1 n n nEIg Hz A Dn E材料的彈性模量 I圓環中性軸截面二次矩 材料密度 A圓環的截面積 D圓環中性軸直徑 n變形波的節線數 旋轉機械振動監測與診斷二 5.2.2 滾動軸承的振動特征 1.滾動軸承的振動形式 引起滾動軸承振動的原因很多， 除了其本身的固有振動以外還包括以下振動： 圖圖 5 5- -3 3滾滾 動動 軸軸 承承 承承 載載 狀狀 態態 與與 滾滾 動動 體體 位位 置置 （1）軸承構造引起 的振動 圖5-3所示的 軸承，隨滾動體位置 不同，其承載狀態也 不斷變化，這將導致 內、外圈和滾動體產 生彈性變形

9、而引起振 動。 旋轉機械振動監測與診斷二 （2）滾動體的非線性伴生振動 滾動軸承靠滾 道與滾動體的彈性 接觸來承受載荷， 具有一定的彈性， 其剛性很高；當軸 承潤滑不良時，就 會出現非線性的特 性，如圖5-4所示， 從而產生非線性振 動。 圖圖 5 5 - - 4 4 滾滾 動動 軸軸 承承 的的 非非 線線 性性 特特 征征 軸軸 向向 位位 移移 推力 旋轉機械振動監測與診斷二 （3）由于精加工波紋引起的振動 若加工制造時， 在滾道或滾動體上留 有如圖5-5所示的加 工波紋，那么當凸起 數目達到一定量值時， 會產生特有的振動。 旋轉機械振動監測與診斷二 (4)滾動軸承的損傷引起的振動 當軸

10、承損傷時， 如圖5-6所示內圈 點蝕，就會引起相 應的沖擊振動。 點點 蝕蝕 圖 5-6滾 動 軸 承 的 損 傷 旋轉機械振動監測與診斷二 (三)滾動軸承的故障診斷方法 滾動軸承的 故障診斷方法 振動信號分析診斷 聲發射診斷 油液分析診斷 光纖監測診斷 其中，振動信號分析診斷方法最為常用。 旋轉機械振動監測與診斷二 5.3.1振動信號分析診斷 滾動軸承的振動信號分析故障診斷方法可分為： （1）簡易診斷法 簡易診斷的目的是初步判斷被列為診斷對象 的滾動軸承是否出現了故障。 （2）精密診斷法 精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認為 是出現了故障的軸承的類別及故障原因。 旋轉機械振動監測與診斷二

11、 用于滾動軸承簡易診斷的判定標準可大致分為 三種： 絕對判定標準 是用于判斷實測振值是否超限的絕對量值。 相對判定標準 是對軸承的同一部位定期進行振動檢測，并按 時間先后進行比較，以軸承無故障情況下的振值為 基準，根據實測振值與該基準振值之比來進行判斷 的標準。 旋轉機械振動監測與診斷二 類比判定標準 是對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進 行振動檢測，并將振值相互比較進行判斷的標準。 注：絕對判定標準是在規定的檢測方法的基礎上制定 的標準，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須 按規定的方法進行振動檢測。適用于所有軸承的絕 對判定標準是不存在的，因此一般都是兼用絕對判 定標準、相對判

12、定標準和類比判定標準。這樣才能 獲得準確、可靠的診斷結果。 旋轉機械振動監測與診斷二 （一）振動信號簡易診斷法有以下幾種： A 振幅值診斷法 這里所說的振幅值指峰值 均值 （對于簡諧 振動為半個周期內的平均值，對于軸承沖擊振動為經 絕對值處理后的平均值）以及均方根值(有效值)。 p X X 旋轉機械振動監測與診斷二 診斷的。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而 它適用于象表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故 障診斷。另外，對于轉速較低的情況，也常采用峰 值進行診斷。均值用于診斷的效果與峰值基本一樣， 其優點是檢測值較峰值穩定，但一般用于轉速較高 的情況。均方根值是對時間平均的，因而它適用于 像磨

13、損之類的振幅值隨時間緩緩變化的故障診斷。 旋轉機械振動監測與診斷二 B 波形因數診斷法 波型因數定義為峰值與均值之比。該值也是用于 滾動軸承簡易診斷的有效指標之一。 / X p X / X p X 如圖5-7所示， 當 值過 大時，表明滾動 軸承可能有點蝕， 而 值過 小時，則有可能 發生了磨損。 旋轉機械振動監測與診斷二 C 概率密度診斷法 無故障滾動軸承的振幅的概率密度曲線是典型的 正態分布曲線；而一旦出現故障，則概率密度曲線可 能出現偏斜或分散的現象。 D 峭度系數診斷法 峭度 定義 為歸一化的4階中心矩，即式中 4 4 ()( )xxp x dx 旋轉機械振動監測與診斷二 v 振幅均值

14、； v 標準差。 vx瞬時振幅 vP(x)概率密度； x 旋轉機械振動監測與診斷二 旋轉機械振動監測與診斷二 峭度系數診斷法的優點：優點：在于與軸承的轉速、 尺寸和載荷無關，主要適用于點蝕類故障的診斷。 E 沖擊脈沖法（SPM法） 沖擊脈沖法（Shock Pulse Method）的原理是， 滾動軸承運行中有缺陷（如疲勞剝落、裂紋、磨損和 混入雜物）時，就會發生沖擊，引起脈沖性振動。由 于阻尼的作用，脈沖性振動是一種衰減性振動，因而 沖擊脈沖的強弱反映了故障的程度。 旋轉機械振動監測與診斷二 當滾動軸承無損傷或有極微小損傷時，脈沖值（dB值） 很小；隨著故障的發展，脈沖值逐漸增大。當沖擊能 量達到初始值的1000倍（60dB）時，就認為該軸承的 壽命已經結束。當軸承工作表面出現損傷時，所產生 的實際脈沖值用 表示，它與初始脈沖值 之 差稱為標準沖擊能量 sv dB i dB N dB N dB sv dB i dB 根據 值可以將軸承的工作狀態分為三個區域進 行診斷。 N dB 旋轉機械振動監測與診斷二 (二