滚动轴承故障诊断与分析.docx
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滚动轴承故障诊断与分析
滚动轴承故障诊断与分析
Examinationandanalysisofseriousbreakfault
downinrollingbearing
学院：
机械与汽车工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
2010020101
姓名：
学号：
指导老师：
王林鸿
:
摘要,滚动轴承是旋转机械中应用最广的机器零件，也是最易损坏的元件之一轴承的工作好坏对机器的工作状态有很旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，对滚动甚至造成设备损坏。
因此,大的影响，其缺陷会产生设备的振动或噪声，轴承故障的诊断分析,在生产实际中尤为重要。
关键词：
振动滚动轴承故障诊断RollingbearingisthemostwidelyusedinrotatingAbstract:
easilymachineryofthemachineparts,isalsooneofthemost
damagedcomponents.Manyoftherotatingmachineryfault
associatedwithrollingbearings,bearingtheworkofgoodor
badhasgreatinfluencetotheworkingstateofthemachine,
evenandofvibrationornoise,produceitsdefectcanequipment
causeequipmentdamage.Therefore,thediagnosisofrolling
bearingfaultanalysis,isespeciallyimportantinthe
practicalproduction.
Keywords:
rollingbearingfaultdiagnosisvibration
引言：
％30滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。
如何准确判断出它的末期故障是非常重要的，可减少不必要的停机修理，延长设备的使用寿命，避免事故停机。
滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等。
即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损。
总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的，因而对作为运转机械最重要件之一的轴承，进行状态检测和故障诊断具有重要的实际意义，这也是机械故障诊断领域的重点。
一滚动轴承故障诊断分析方法
1滚动轴承故障诊断传统的分析方法
1.1振动信号分析诊断
振动信号分析方法包括简易诊断法、冲击脉冲法（SPM法）、共振解调法（IFD法）。
振动诊断是检测诊断的重要工具之一。
（1）常用的简易诊断法有：
振幅值诊断法，反应的是某时刻振幅的最大值，表示的波峰因素诊断法，适用于表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断；
是峰值和均方根值之比，适用于点蚀情况下的诊断；概率密度诊断法，通过概率密度曲线进行故障判断，一般作为故障的定性分析；峭度系数诊断法具有与波峰类似的变化趋势，它的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，但缺乏早期报警能力，在故障严重时会失去诊断能力，适用于点蚀故障诊断。
（2）冲击脉冲法（SPM）是在滚动轴承运转中，当滚动体接触到内外道面的缺陷区时会产生低频冲击作用，所产生的冲击脉冲信号会激起SPM传感器的共振，共振波形一般为20kHz一60kHz,包含了低频冲击和随机干扰的幅值调制波，经过窄带滤波器和脉冲形成电路后，得到包含有高频和低频的脉冲序列。
但这种固定中心频率和带宽的方法也有其局限性，因为滚动轴承局部损伤故障所激起的结构共振频率并不是固定不变的。
在实际使用中，当背景噪声很强或有其他冲击源时，SPM诊断效果很差，失去了实际意义。
（3）共振解调技术，亦称为包络检波技术。
它是对低频（通常是数千Hz以内）的冲击所激起的高频（数十倍于冲击频率的）共振波形进行包络检波和低通滤波，即解调，以获得一个对应于低频冲击的、而又放大并展宽了的共振解调波。
共振解调法诊断滚动轴承故障的基本原理可以完整地概述为：
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其相互作用的其它的元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、传感器甚至附加的谐振器（可以是机械式的，也可以是电的）等的固有频率而激起这个测试系统的高频固有振动。
根据实际情况，可选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于轴承外圈或传感器等的谐振频率的带通滤波器对测取的轴承振动信号进行带通滤波。
然后，通过包络检波器进行检波，除去高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析，在频谱图上即可找出特征频率分量和对应的故障元件。
1.2油液分析诊断
轴承故障的一个主要原因是润滑不当。
对润滑油进行分析，可了解轴承的润滑与磨损状态，进而采取措施控制故障发展。
常用的有理化指标分析、污染度测试、油液中金属含量分析、红外光谱分子结构分析、铁普分析。
通常需要一种以上方法进行综合判断，以提高诊断的准确性。
2滚动轴承故障诊断现代分析方法
2.1小波变换在轴承故障中的应用
在轴承故障诊断中，常常只对轴承的局部异常区域所引起的信号局部变化感兴趣，这些信号由于非常微弱、能量很小，往往容易被噪声淹没而难以辨别。
当故障诊断应用傅立叶变换进行分析时，不能进行局部化分析。
而具有良好时域和频域局部化特性的小波变换，能对信号的高频、短时成分准确地在时域和频域中进行分析，可将故障特征信号有效地分离出来，从而对故障做出分析与解析。
采用连续小波变换和独立分量分析的方法对滚动轴承的信号进行消噪和分离，可以提高信号的信噪比和诊断率。
对滚动轴承的早期故障诊断，可将小波滤波和循环平稳度分析方法相结合，采用最小熵方法对小波滤波器参数进行优化。
2.2遗传算法在轴承故障中的应用
遗传算法（GA）是建立在自然选择和群体遗传学机理基础上的随机、迭代和进化，具有广泛适用性的搜索方法。
它模拟了自然选择和遗传过程中发生的繁殖、交配和变异现象，根据适者生存、优胜劣汰的自然法则，利用遗传算子逐代产生，优选个体，最终搜索到较优的个体。
2.3专家系统在轴承故障中的应用
近年来随着人工智能技术的发展，专家系统技术得到了迅速的推广。
所谓专家系统就是一个智能的计算机程序，它能模拟专家在处理问题时的一些推理方法，利用已有的知识建立模型，解决问题。
将基于知识的专家系统技术应用于故障诊断领域，可以使滚动轴承诊断分析和决策分析更加准确可靠。
2.4模糊诊断在轴承故障中的应用
由于滚动轴承信号中故障特征振动与故障类型不存在绝对的对应关系，一种故障可能引起多种特征，而一种故障特征可能对应多类故障，因此近年来，模糊理论被引进到轴承故障诊断领域。
轴承故障模糊诊断中的概念是模糊概念，可以用模糊集合来表示，而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的。
二滚动轴承故障诊断案例分析
1案例一123泵轴承的故障诊断分析
大庆石化公司腈纶厂系统车间有盐水输送泵8台，属离心式双吸泵，功率较大，是腈纶厂设备中长期运行，重要的生产设备。
位号123泵由于长期运行，振动值较大，所以在不影响生产情况下让123泵备用。
2004年9月lO日，由于生产需要，要求123泵投人生产，在开启运行中，发现其振动值较大，继续运行可能发生事故，于是对其振动进行测量并采集频谱对其进行故障诊断。
‘
1）故障分析
123泵主要参数见表1，123泵测点位置图如图1所示。
对其现场测量振动值见表2所示。
通过现场测量数据，发现泵后轴承的轴向振动值超标，振动较大，并且杂声较大。
对其进行频谱采集，时域谱和幅值谱图如图2、图3所示。
通过泵后轴承轴向时域波形图，可明显地看到冲击信号的存在，峭度指标达到3．59，并且频谱图中大量高次谐波的存在，说明轴承可能已经存在问题。
该得到的轴承元件的故障转速下根据轴承参数，min／1480r在，63ll泵轴承型号为
特征频率是：
内环121．93Hz；外环75．38Hz；保持架9．42Hz；滚动体98．74Hz。
泵后轴承的轴向频谱，出现了390I-Iz明显的频率信号，其次为415Hz和510Hz。
由下式可得：
接近于390Hz，伴有415Hz和510Hz的2、3次谐波，所以诊断为轴承内圈可能发生点蚀或偏心。
维修车间对该泵进行了拆卸检修，更换泵的后轴承，检查后轴承损坏情况，发现故障原因为轴承内环点蚀严重。
2案例二内圈滚道剥落故障诊断
备煤车间1号破碎机已接近大修期,于1996年4月15日对破碎机轴承进行测试。
图1是用北京振通902机器分析仪/数据采集器,对1号破碎机后轴承水平测点采集的包络功率频谱图。
图1
计算破碎机轴承故障特征频率:
轴承型号:
22232（原3532）
N=740r/min
转速fe=94.966Hz轴承外圈故障特征频率fi=127.033Hz。
轴承内圈故障特征频率图1中130.00Hz的谱峰与轴承内圈故障特征频率127.03Hz比较接近,并且幅值较高。
在二倍频260.00Hz处有较低峰值,115.00Hz的谱峰是被转频12.
33Hz调制的边频带。
在二倍频260Hz两旁也有被转频调制的边频带。
由于轴承内圈随轴一起转动,所以,以轴承内圈故障特征频率的各阶倍频（包括零倍频）
为中心,两旁将出现被转频调制的边频带。
图2是使用美国恩泰克公司的EDL数据采集器,于5月29日对该轴承轴向测点采集的幅值频谱图,图中129.01Hz
的谱峰较接近轴承内圈故障特征频率,255.00Hz为二倍频,50.44Hz的谱峰是转频的四倍频,与4月15日所作的分析相吻合。
该测点振动速度有效值为26.0mm/s,根据国际ISO2372振动烈度标准,已达到D级,即不可使用的范围。
根据4月15日和5月29日的频谱图分析,又根据滚动轴承故障特征频率一般在号破碎机后轴承1可以判断,是滚动轴承故障的特征之一。
因此,以下Hz0001
内圈滚道有剥落坑。
大修时拆机验证,该轴承内滚道有30mm×15mm,深1mm
的一块顺向剥落坑。
图2
3案例三外圈滚道压痕故障诊断
1996年8月29日,1号破碎机大修完毕试车,对其进行振动测试,发现电机前轴承处振动位移值较大,表1是电机前轴承测量数据。
参照国际ISO2372
振动烈度标准,属较正常范围。
但垂直方向加速度峰值13.68m/s2,水平方向位移峰峰值119.8um,轴向包络幅值3.75m/s2,均高出平时测量值,所以对该测点采集包络谱进行分析。
计算轴承（型号:
N324（原2324）,转速:
740r/min）故障特征频率:
外圈fefi=103.15Hz。
图3故障特征频率是水=69.52Hz,内圈故障特征频率平测点的包络幅值谱,可以看出,图中70.00Hz的谱峰比较接近轴承外圈故障特征频率,69.52Hz、140.00Hz、210.00Hz和285.00Hz的谱峰均为70.00
Hz的倍频,各阶倍频两旁基本没有被转频调制的边频带。
从图3的时域波形可接近71.94Hz,频率范围为,的冲击脉冲信号13.5ms有间隔周期为,以看出
轴承外故障特征频率。
对轴向测点做倒频谱分析（图4）,在14.46ms处有较高尖峰,经计算频率范围为69.156Hz,也接近轴承外圈故障特征频率。
根据以上分析,初步可判断该轴承外圈滚道存在表面损伤。
但该测点的振动速度有效值未超出国际ISO2372振动烈度标准。
可以判断出损伤的程度较轻。
据经验所知,轴承有单个损伤点时,频谱图上轴承故障特征频率峰值较高,其倍频峰值较低。
而图3表明轴承故障特征频率峰值与其倍频峰值相差不大,并呈衰减趋势。
损伤可能不是单一剥落坑,估计是由多处轻微损伤所至。
拆机检查发现轴承外圈滚道内
有7～8条不同程度的压痕,其中四条较严重,约20mm宽,0.2mm深。
经了解,这台电机在半年前更换新轴承后,一直存放在备件库,压痕是由于一直未盘车造成的。
4案例四煤气鼓风机轴承的故障诊断分析
煤气鼓风机是我厂重点设备,对其进行定期状态监测,3#煤气鼓风机配用电机功N:
2986r/min,轴承型号:
—2,转速6222/P64（原4E222）,JB710M1,率630kW型号fe=200.67Hz;轴承内圈故障轴承外圈故障特征频率计算轴承故障特征频率如下:
fifem保持架碰撞内=20.067Hz;保持架碰撞外圈故障频率=296.99Hz;特征频率．
fim=29.699Hz.1996年11月19圈故障频率日,在3#鼓风机电机前轴承垂直测点的频谱图上发现有29.89Hz的谱峰（见图5）,非常接近保持架碰撞内圈故障频率,
图中149.53Hz是29.89Hz的五倍频。
199.94Hz的谱峰接近于轴承外圈故障特征频率,300.74Hz的谱峰接近轴承内圈故障特征频率,该测点振动速度有效值为2.03mm/s。
在11月28日前轴承水平测点的频谱图上发现有295.00Hz的谱峰（图6）,
图5
接近轴承内圈故障特征频率。
11月29日该测点的频谱图上仍有29.89Hz的五倍频149.49Hz及199.42Hz和296.11Hz的谱峰（图7）,振动速度有效值4.08mm/s,对照国即可使用范围。
级B属,振动烈度标准ISO372际．
从频谱图（图5～图7）分析,保持架和内、外圈故障特征频率的峰值都不大,振动速度值也未超出国际ISO2372振动烈度标准,所以,没有引起重视。
时隔5天,
12月4日凌晨5时,电机前轴承温度开始上升,7时50分轴承温度高达80℃,被迫停机。
拆机检查发现前轴承保持架已断开,挤到钢球与滚道中间,内圈滚道有50mm长,10mm宽的点蚀麻面,外圈滚道有轻微损伤。
事故发生后,对监测数据和频谱图进行了认真分析。
在发生事故前,该测点的振动速度有效值呈上升趋势,7月26日为3.36mm/s,11月19日为3.37mm/s,11月29日为4.08mm/s。
图5中29.89Hz的保持架碰撞内圈的故障特征频率说明,该轴承保持架在11月19日已存在缺陷。
图5～图7上的内圈、外圈故障特征频率说明,内圈、外圈滚道在11月19日也已存在缺陷,11月29日,内圈故障特征频率的谱峰幅值由11
月19日的0.45g上升到1.1g,外圈故障特征频率的谱峰幅值由0.3g上升到0.7
g。
由于对轴承故障特征频率的出现未能引起足够重视,对振动数据和频谱图没有进行认真分析,由此造成了12月4日的事故发生。
结论：
以上例举了在实践中遇到的四个典型实例,可得出以下几点结论。
（1）轴承故障特征频率是诊断滚动轴承缺陷的有效方法。
（2）利用包络谱、倒频谱分析技术可较准确地判断滚动轴承缺陷的部位及损伤程度。
（3）滚动轴承滚道内单一剥落坑,在频谱图上表现为轴承故障特征频率峰值较高,其倍频峰值较低。
（4）滚动轴承滚道多处损伤,在频谱图上表现为轴承故障特征频率的峰值与其倍频的峰值相差不大、并呈衰减趋势。
（5）滚动轴承内圈滚道故障,在频谱图上表现为内圈故障特征频率及其倍频两旁均出现被转频调制的边频带。
而外圈滚道故障,在外圈故障特征频率及倍频两旁基本不出现边频带。
否则将酿成重大事故。
要引起足够重视,发现轴承早期故障特征频率信号（6）
交流发电机异常声分析案例五5
某品牌的6303和6202轴承分别用于轿车交流发电机的皮带驱动端和电刷端，在该轿车出厂检测的过程中发现交流发电机的驱动端出现异常声响，而该轿车的运行总里程还不超过20km。
现对其出现异常声的原因进行分析。
1）交流发电机异常声分析
在滚动轴承运行的过程中，轴承元件的表面损伤点反复撞击与之接触的其他元件表面而产生低频振动，这些频率一般在1kHz以下，该频率称为轴承故障特征频率。
通过对监测到的振动信号进行技术处理，分离和突出故障特征信息，从而对轴承的早期故障进行监测和诊断。
拆下该交流发电机，用专用振动仪器在水平和垂直两个方向分别测发电机5
000r／min时的振动速度信号，并做包络处理，其频谱如图1和图2所示。
滚动轴承故障特征频率可以通过以下计算公式计算得到。
外圈故障特征频率：
式中：
Dw为钢球直径；Dpw为球组节圆直径；a为接触角；z为钢球数；n为转速。
对于6303轴承，Dw=8.731mm，Dpw=32mm，a=0，Z=7；对于6202轴承，Dw=6．000mm，Dpw=25.260mm，a=0，Z=8。
由此可得，在5000r／min下6303轴承的内、外圈及钢球的故障频率分别为fi=371．25Hz，fe=212．09Hz，fw
=282．69Hz；6202轴承的内、外圈及钢球的故障频率分别为。
04Hz．fw=331，16Hz．51Hz,fe=254．fi=412．
从图1和图2可以发现，该发电机的振动速度频率谱中存在明显的6303轴承内、外圈及钢球故障特征频率，且轴承内、外圈的故障特征频率的幅值明显比钢球的要高，可以初步判断交流发电机皮带驱动端轴承已经出现故障，交流发电机的异常声应该由此引起。
轴承失效的根本原因需进一步分析。
2）轴承检测和失效分析
2．1摩擦力矩的检测
用手旋转该轴承，有轻微的间歇卡滞感。
2．2振动速度的检测
在轴承振动速度专用检测仪上用电感式传感器检测该轴承的振动速度和噪声水平。
其噪声水平和振动数值均很高，其中振动速度值超过了1mm／s，大大超出振动速度的质量控制范围。
检测结果与交流发电机的振动频谱图相吻合。
2．3尺寸公差和径向游隙检测
均在质量控制标准范在轴承专用检测仪上检测该轴承尺寸公差和径向游隙，
围之内（表1），排除了制造精度引起轴承损伤的可能性。
2．4拆分检测
去掉该轴承的密封圈，观察轴承内部的情况，润滑脂已经变成黑褐色，且聚酰胺保持架已变成黑色，很明显轴承内部已经受到了严重污染。
分拆并清洗掉轴承的润滑脂，在立式显微镜下检查轴承内、外沟道和钢球，发现内、外沟道上均有7处等间距的锈蚀点，且这些锈蚀点分布在沟道的同一侧，钢球上也有局部锈蚀点，如图3所示。
这些特征表明，轴承沟道和钢球的局部已经产生了典型的湿气腐蚀，是轴承处于平放状态或安装到交流发电机上之后由水或潮气引起的。
2．5润滑脂红外光谱对比检测
为了进一步确定轴承内部受到何种程度的污染，在红外光谱仪上对该轴承的润滑脂和新润滑脂做了红外光谱的对比检测，检测结果如图4所示。
由图4知，两者没有明显差异，说明轴承润滑脂性能未严重劣化。
但在元素分析中发现，旧油脂中含有较高的铁、钠、钙等元素，此为外界污染物侵入润滑脂并引起轴承磨损或锈蚀所致。
此结论和轴承拆分检测结果基本相吻合。
3）失效模式的讨论
3．1汽车模拟测试过程中水／水汽进入轴承的可能性
该汽车在终检模拟测试过程中，在运转的交流发电机处安装了5个水平喷水嘴和l5只垂直喷水嘴，喷水嘴喷出的水具有一定的压力和流量。
理论上高速旋转状态下的密封深沟球轴承的密封圈是不能有效防止动态压力水侵入的，因此在该
试验验证条件下很可能会引起水汽侵入轴承内部。
如果要有效地防止动态压力水的侵入，则需要附加专门的工业密封。
但是由于该应用条件下的轴承通常处于交流发电机皮带和壳体之间的半封闭状态的空间里（图5），试验验证表明其在
实际的应用中是不太可能受到动态压力水的直接冲击，而仅仅会受到水汽或少量飞溅水的入侵，因此该汽车终检方法有待商榷。
3．2密封圈损伤的可能性
为了证实轴承的密封圈是否存在损伤，检查了轴承密封圈的外表面和隔圈的尺寸。
结果表明：
密封圈完好，隔圈的尺寸也在设计要求的范围之内，均未有异常情况。
3．3防动态液压水性能试验
为了进一步验证轴承的密封是否具有防动态压力水的性能，对5套轴承依照企业标准分别做了静态水、静态压力水、动态压力水（且轴承旋转）等试验，结果表明该轴承内部未侵入大量液体，防水性能良好。
这说明在实际应用中，轴承本身的密封可以在一定程度上防止较小压力和流量的动态压力水侵入轴承内部。
4）结论
通过诊断和分析可知，该交流发电机皮带驱动端轴承的异常声主要是由于水或潮气侵入其内部，使其受到湿气腐蚀而产生失效所致。
另外，考虑到实际使用工况，汽车制造企业应对汽车交流发电机的测试方法作适当改进，且对该轴承采取适当的保护性工业密封，以避免该轴承在试验阶段的非正常失效。
案例六：
旋转机械滚动轴承案例6
先后诊断仪对重要辅机进行离线检测，CSI月正式利用1年2002邹县发电厂于
发现不同设备的早期故障，其中1号炉柄排粉机的诊断案例克分证明了新技术在邹县发电厂状态检修中的作用。
1）1号炉丙排粉机早期故障的发现和分析
邹县发电厂1号炉丙排粉机是单级离心式风机，型号M5—36—1JM0210／2D，流量136．85km3/h，全压13.043kPa，转速1485l／min，介质为浓度小于10％的煤粉气流，介质温度70～100摄氏度。
配用1台高压交流电动机。
功率850KW。
风机为恳臂转子，同侧双支撑结构，2组支撑轴承布置在同一个轴承箱体内，46号机械油润滑，轴承箱体内通有工业水对轴承进行冷却。
风机侧为2个并列放置的单列向心短圆柱滚子轴承。
风机整体结构见图l。
l号炉大修前，诊断中心定期对设备进行检测，通过对采集的数据进行分析，发现1号炉丙排粉机叶轮侧轴承存在隐患。
通过1号炉丙排粉机叶轮侧轴承水平方向振动频谱图分析各振动尖峰值，发现该处轴承外圈故障频率（BPFO）及其倍频出现，说明轴承外幽出现了故障现象。
同时，倍频两侧均分布有1X转速频率的边带，说明轴承外圈故障已严莺到一定程度。
图2为1号炉丙排粉机叶轮侧轴承水平方向振动频谱图。
该部位轴承为日奉NSK轴承，型号Nu334。
对照轴承手册可知相当于SKF—Nu334型号轴承，利用RBMware软件的轴承故障频率计算功能，可计算出该轴承各故障频率（见表1）。
RBMware是以可靠性为基础的维修软件，即运用一系列先进的技术手段，如机械振动分析、润滑油液分析、红外热成像、对中与平衡、马达分析、超声波分析等技术探测设备状态，找出设备故障根源；通过识别和消除故障根源．延长设备的使用寿命；提供可靠的设备信息，辅助企业重大决策；系统化地合理配置各种维修方式，提高企业管理水平。
RBMware的实施是由一套分析软件和相关技术的精密检测仪器共同实现。
从表1可知，额定转速时轴承外圈1x故障频率为154.10Hz。
对照
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