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滾動(dòng)軸承實(shí)用診斷技術(shù)及案例
滾動(dòng)軸承實(shí)用診斷技術(shù)及案例
1. 概述
滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械部件，也是很易損壞的元件之一,。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的許多故障都與滾動(dòng)軸承有關(guān),，滾動(dòng)軸承工作性能的好壞直接影響到整臺(tái)機(jī)器的工作性能。據(jù)統(tǒng)計(jì),，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，由于滾動(dòng)軸承損壞而引起的故障約占30%。因此,，對(duì)滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及其故障診斷技術(shù)的研究工作越來(lái)越受到人們的重視。
2. 實(shí)用的滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)
（1）FFT頻譜分析
滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,，由于軸承的旋轉(zhuǎn),，滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈之間滾動(dòng),，如果滾動(dòng)表面發(fā)生損傷,，滾動(dòng)體在這些表面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生一種交變的激振力,，由此產(chǎn)生的低頻振動(dòng)成分,，其頻率是有規(guī)律的，可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和軸承的幾何尺寸求得,。損傷發(fā)生在內(nèi),、外圈、滾動(dòng)體或保持架上時(shí)該故障頻率會(huì)有所不同,。這些頻率稱為故障特征頻率,，此頻率是故障診斷的重要依據(jù),。
有四個(gè)與軸承相關(guān)的擾動(dòng)頻率：球過(guò)內(nèi)圈頻率（BPFI）、球過(guò)外圈頻率（BPFO）,、保持架頻率（FTF）和球的自旋頻率（BSF）,，它們的計(jì)算公式很容易找到，我這里就不一一列舉了,。
由于FFT自身的特點(diǎn),，更適合處理穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)。而軸承缺陷,，特別是早期缺陷,，引起的沖擊往往是短暫的，低能量的,，容易被背景信號(hào)所“淹沒(méi)”,。因此，通過(guò)故障頻率發(fā)現(xiàn)的故障往往是中期到晚期的軸承故障,。
（2）時(shí)域波形
時(shí)域波形是原始的振動(dòng)信息,，因此也是真實(shí)、直觀的反映振動(dòng)形態(tài)和振動(dòng)大小的工具,。時(shí)域波形一般適合如低速拍頻,、短暫沖擊、瞬態(tài),、軸承缺陷等情況,。對(duì)于軸承缺陷，時(shí)域波形上會(huì)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：
· 波形圖上會(huì)周期性的出現(xiàn)短暫（高頻）的脈沖信號(hào),，脈沖信號(hào)峰值較高,，但反映在振動(dòng)總量上并不高
· 有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)振幅調(diào)制的現(xiàn)象
下圖反映的就是兩個(gè)典型的軸承缺陷
典型的外圈劃痕故障
典型的內(nèi)圈點(diǎn)蝕故障
（3）自相關(guān)技術(shù)
CSI提供的軟件中包括很多有用的分析工具，自相關(guān)就是其中一項(xiàng),。
相關(guān)性是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)術(shù)語(yǔ),，表明兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)的相互關(guān)系，一個(gè)典型的表現(xiàn)是：一個(gè)變量會(huì)隨著另一個(gè)變量變化,。相關(guān)又會(huì)分成正相關(guān)和負(fù)相關(guān)兩種情況,。舉例說(shuō)明，下雪外面就會(huì)變冷,，這是正相關(guān),。出太陽(yáng)就不會(huì)下雨，這是負(fù)相關(guān),。通常用-1到+1之間的小數(shù)度量?jī)烧咧g的相關(guān)性,，+1表示當(dāng)一個(gè)信號(hào)增加時(shí)，另一個(gè)信號(hào)會(huì)成比例地增加,，而相反的,，-1則表示當(dāng)一個(gè)信號(hào)增加時(shí),，另一個(gè)信號(hào)會(huì)成比例的降低。
作為振動(dòng)分析的一個(gè)振動(dòng)工具,，自相關(guān)將波形的其中一半與另外一半進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較,。因此，當(dāng)時(shí)域波形中出現(xiàn)任何周期性的信號(hào)時(shí),，兩組信號(hào)的相關(guān)性將使得到的波形中周期性信號(hào)更加明顯,，達(dá)到削弱非周期性沖擊的目的。應(yīng)用自相關(guān)時(shí)要注意,，采集的時(shí)域波形的長(zhǎng)度至少是2個(gè)轉(zhuǎn)速周期以上,。通常4-10個(gè)轉(zhuǎn)速周期比較合適。
（4）PeakVue軸承診斷技術(shù)
相比于gSE或包絡(luò)解調(diào)而言,，PeakVue是一種監(jiān)測(cè)軸承故障的新方法,。該方法著眼于分析由于金屬與金屬之間的沖擊或摩擦形成的應(yīng)力波信號(hào)。應(yīng)力波是一種非常短暫的連續(xù)性脈沖訊號(hào)（百萬(wàn)分之一秒到千分之一秒的范圍）,。滾動(dòng)軸承如出現(xiàn)故障,，當(dāng)滾珠通過(guò)缺陷區(qū)時(shí),，由于油膜中斷會(huì)使金屬直接碰撞,，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。應(yīng)力波屬于低能量信號(hào),，隱藏在振動(dòng)頻譜底層的背景能量中,，用常規(guī)的振動(dòng)信號(hào)采集和頻譜分析難以發(fā)現(xiàn)。PeakVue專注于尋找和分離這些高頻,、低能量的應(yīng)力波,，并且加強(qiáng)信號(hào)，使其高于頻譜的背景能量信號(hào),，從而能更明顯地診斷損壞根源,。
3. 滾動(dòng)軸承故障案例
案例為一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)（3B）。電機(jī)轉(zhuǎn)速為四極異步電機(jī),，軸承為滾動(dòng)軸承FAG22226EAS,。采用加速度傳感器分別測(cè)量電機(jī)和風(fēng)機(jī)兩個(gè)軸承的軸承座外殼水平(H)、垂直(V)和軸向(A)方向的振動(dòng)量,，共12個(gè)測(cè)點(diǎn),。測(cè)點(diǎn)位置如下圖所示。
自2008-1-9日起,，時(shí)域波形中發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊信號(hào),，沖擊水平（峰峰值）達(dá)到3g左右，而頻譜圖中也開(kāi)始出現(xiàn)10.41倍頻及其諧波,，同時(shí)周圍還有1倍頻邊帶,，符合滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障,，查找軸承型號(hào)并計(jì)算故障頻率，發(fā)現(xiàn)該諧波與內(nèi)圈故障頻率基本一致（下圖中的D即故障頻率成分）,，確定為軸承故障,。開(kāi)始對(duì)其密切關(guān)注。
2008年7月14日,，對(duì)其采集振動(dòng)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)時(shí)域波形上的峰峰值已達(dá)6g以上,，而頻譜圖中也反映10.41倍頻及其諧波、1倍頻邊帶成分更加明顯,，表明此時(shí)內(nèi)圈故障已經(jīng)發(fā)展到比較嚴(yán)重的程度,。（此時(shí)振動(dòng)總量并未上升，一直維持在警告線以下,，只有1.339mm/s）
從上面的時(shí)域波形圖中,，我們可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，基本上會(huì)呈現(xiàn)一組類似的波形,，而在每個(gè)周期內(nèi),，則會(huì)有多組高頻沖擊信號(hào)，且幅值會(huì)有較大變化,。這是由于滾動(dòng)體隨著內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)出負(fù)載區(qū)所形成的振幅調(diào)制的現(xiàn)象,。經(jīng)過(guò)自相關(guān)處理后，我們甚至可以清晰看見(jiàn)兩個(gè)較高脈沖之間的相等的時(shí)間間隔（如下圖所示）,，0.00391s,，換算成頻率正是滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈故障頻率：257.71Hz（10.41倍頻）。
停機(jī)檢修時(shí)拆下的軸承照片
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4. 結(jié)論
（1）FFT頻譜分析依然是比較有效的滾動(dòng)軸承故障診斷手段,，缺點(diǎn)是比較難發(fā)現(xiàn)早期的故障,，同時(shí)也有可能遺漏某些軸承故障
（2）需結(jié)合時(shí)域波形、自相關(guān),、PeakVue等多種分析手段,，增加判斷的準(zhǔn)確性。
（3）趨勢(shì)分析對(duì)于準(zhǔn)確判斷軸承故障的發(fā)展?fàn)顩r非常有效,。