4-典型机器故障振动特征分析（二）轴承和齿轮

1、典型机器故障振动特征分析 （二）,典型机器故障振动特征分析 （二）,滚动轴承故障 齿轮故障,滚动轴承故障,现代工业通用机械都惊人地配备了滚动轴承。一般说来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常，它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，由于各种原因，只有10到20的轴承能达到它们的设计寿命。,滚动轴承类型,滚动轴承为什么会过早损坏？,滚动轴承过早发生故障的主要因素之一是过大的动载荷即振动。如下为理论计算滚珠轴承寿命所用的设计公式，该公式表明了为什么作用在轴承上的动载减少了轴承的寿命：,这个公式表明，转速愈高，预期的寿命愈短。重要的是理论的轴承寿命随轴承承受的的负载的三次方变化。因此，如果设计者只考虑轴承的静载和如皮带拉伸等其他部件静载。则轴承的理论计算寿命会大打折扣。,缩短滚动轴承寿命的因素,举例说明： 有一根重量为2000磅(908公斤)的转子，转速为6000转/分，在直径为3英尺（半径为18英寸）处的转子上存在一个1盎司(2835克)的不平衡质量。仅由此不平衡质量产生的离心力可以计算如下：,其它缩短滚动轴承寿命的因素及解决对策,如果转子不只是承受不平衡，还承受由于不对

2、中、松动、气蚀或其它故障引起的动载荷，轴承的实际寿命可能还要短。 此外，还有一些影响轴承寿命的因素，包括润滑不当、使用错误的润滑剂、被灰尘和其它污染物污染、不恰当的储存、进入潮气、出厂运输或使用时嗑碰、刮伤、错用轴承型号、轴承安装不当等。 最重要的解决对策是能够监测滚动轴承的状态，早期发现轴承故障，监测跟踪其发展趋势，并知道何时需更换轴承； 正确地采集轴承振动特征信号； 分析其振动特征信号完成故障诊断； 还可利用高频包络解调信号处理技术，更有效地监测出轴承故障。,轴承故障原因及其解决,过负荷 引起过早疲劳，（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷） 减少负荷或重新设计 过热 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 温度超过400F（204）使滚道和滚动体材料退火 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能,轴承故障原因及其解决,布氏硬度凹痕 当负荷超过滚道的弹性极限时产生 滚道上的凹痕增加振动（噪声） 任何静态过负荷和严重冲击产生布氏凹痕 伪布式凹痕 在每个滚珠位置产生的椭圆形磨损凹痕，光滑，有明显边界，周围有磨削 表明严重的外部振动 隔振和

3、使用抗摩添加剂,轴承故障原因及其解决,正常疲劳失效 疲劳失效指滚道和滚动体上发生碎裂，并随之产生材料碎片剥落 这种疲劳为逐渐发生，一旦开始则迅速扩展，并伴随明显的振动增加 更换轴承，和设计有更长疲劳寿命的轴承,轴承故障原因及其解决,反向载荷 角接触轴承的设计只接受一个方向的轴向载荷 当方向相反时，外圈的椭圆接触区域被削平。 结果是应力增加，温度升高，并产生振动增大和轴承早期失效,轴承故障原因及其解决,污染 污染是轴承失效的主要原因之一 污染的征兆是在滚道和滚动体表面有点痕，导致振动加大和磨损 清洁环境，工具，规范操作。新轴承的储运。 润滑油失效 滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑失效的征兆，随之产生滚道、滚子和保持架磨损，导致过热和严重故障。 滚动轴承的正常运行取决于各部件间存在良好油膜失效常常由润滑不足和过热引起,轴承故障原因及其解决,腐蚀 其征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 原因是轴承接触腐蚀性流体和气体 严重情况下，腐蚀引起轴承早期疲劳失效 除掉腐蚀流体，尽可能使用整体密封轴承,轴承故障原因及其解决,不对中 不对中的征兆是滚珠在滚道上产生的磨痕与滚道边缘不平行 如

4、果不对中超过0.001in/in，会产生轴承和轴承座异常温升，和保持架球磨损 配合松动 配合松动导致配合部件的相对运动，如果这个相对运动轻微但不间断，则产生磨损 这种磨损产生颗粒，并氧化成特殊的棕色。这导致研磨和松动加大。 如果松动增大到内圈或外圈的显著运动，安装表面（孔径，外径和侧面）将磨损和发热，引起噪声和晃动。,典型的轴承故障发展过程,滚动轴承故障特征频率,BPFO - Ball Pass Frequency Outer Race BPFI - Ball Pass Frequency Inner Race BSF - Ball Spin Frequency FTF - Cage Frequency or Fundamental Train Frequency,解调频谱作为一个早期指示故障的测量参数 检查正常频谱和解调频谱： 都没有故障频率，状态良好，作为基线继续监测 只在解调频谱存在故障频率，早期故障指示，或需要润滑 在两种频谱中都存在谱峰值，计划下一次维修更换轴承 只在正常频谱中存在峰值，同时在解调频谱中噪声水平升高，立即更换,解调分析原理,球/滚动体撞击缺陷产生 “冲击波”.

5、 轴承 “像一个鈡响” (共鸣).,解调频谱,解调频谱的测量,滚动轴承故障发展过程的四阶段,滚动轴承四种类型故障频率 1.随机的，超声频率 ,HFD ,SPM； 2.轴承零部件自振频率-500至2000赫兹范围，与转速无关； 3.旋转的故障频率-内环BPFI，外环BPFO，滚动体BSF和保 持架FTF故障频率 4.和频与差频-轴承若干故障频率之间及其它振源频率相加或相减得出的频率,滚动轴承故障发展过程四阶段典型特征,第一阶段：1.噪声正常；2.温度正常；3.可用超声，振动解调谱、声发射测量出来，轴承外环有缺陷；4.振动总量较小，无离散的轴承故障频率尖峰；5.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之十。 第二阶段：1.噪声略增大；2.温度正常；3.超声，声发射，振动解调谱通频值明显增大，轴承外环有缺陷；4.振动总量略增大(振动加速度总量和振动速度总量)；5.在对数刻度的频谱上可清楚地看到轴承故障频率，而在线性刻度的频谱上则很难看到；噪声地平明显提高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之五。 第三阶段：1.可以听到噪声；2.温度略升高；3.非常高的超声，声发射，解调谱通频值，轴承外环有故障

6、；4.振动加速度总量和振动速度总量大增；5.在线性刻度频谱上清楚地看出轴承故障频率及其谐波频率和边带频率；6.振动频谱的噪声地平明显提高；7.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之一。 第四阶段：1.噪声的强度改变；2.温度明显升高；3.超声，声发射，振动解调谱通频值迅速增大，随后逐渐减小，轴承外环处于损坏之前的故障状态；4.振动速度总量和振动位移总量明显增大，振动加速度总量减小；5.频率较低的轴承故障频率尖峰占优势，振动频谱中噪声地平非常高；6.轴承剩余寿命大于B-10规定的百分之零点二。,滚动轴承故障发展的四个阶段,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,A.仅出现滚动轴承故障频率(没有1X边带频率) B.滚动轴承跑道圆周上出现轻微磨损时，便出现轴承故障频率的谐波频率 C.磨损明显时轴承故障频率两侧出现1X转速边带频率，还可出现其它的轴承故障频率,只是 解调demo值有明显指示,解调demo值明显增大，开始出现轴承零件共振频率并伴有1X转速频率边带,解调demo值开始时减小，卡死前可能剧增。出现高频随机谱，轴承寿命成问题。,滚动轴承故障发展的四个阶段,Stage 1,Stage 2,

7、Stage 3,Stage 4,no apparent change on typical velocity spectrum,defects harmonic frequencies appear,defects fundamental frequencies also appear and may exhibit sidebands,defects harmonic frequencies develop multiple sidebands (haystack), fundamental freqs. grow and also develop sidebands,defects “fund.” frequency range,defects “harmonic” frequency range,滚动轴承故障发展的四个阶段,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,解调谱与频谱,振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息，并且可跟踪轴承故障发展，在第二，三和第四阶段中以不同的信息反映轴承不同的故障状态。 同时采用振动速度或振动加速度检测常规振动频谱可以在滚动轴 承故障发

8、展的第三阶段有效地检测到轴承的故障频率(内环故障BPFI，外环故障BPFO，滚动体故障BSF和保持架故障FTF)等。 振动解调和振动速度或振动加速度相结合可以有效地早期检测滚动轴承的故障。,用振动解调谱检测出第一阶段轴承故障,用振动频谱没有检测出第一阶段轴承故障,滚动轴承故障频率计算(1),保持架故障频率： FTF=(1/2)No1+（d/D）Cos +Ni 1-（d/D）Cos 滚动体旋转故障频率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni| 1-(d/D)Cos 外环故障频率： BPFO=(1/2)n |No-Ni| 1-(d/D)Cos 内环故障频率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| 1+(d/D)Cos 其中： d=滚动体直径； D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； =径向方向接触角； n=滚动体数目； No=轴承外环角速度； Ni=轴承内环角速度(=轴转速). 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环和轴承内环都旋转.,滚动轴承故障频率计算(2),滚动轴承保持架故障频率： FTF=(N/2)1-（d/D）Cos 滚动轴承滚动体旋转故障频率： BSF=(N/2)(D/d)1-(d/D)Cos 滚动轴承外环故障频率： BPFO=(N/2)n1-(d/D)Cos 滚动轴承内环故障频率： BPFI=(N/2)n1+(d/D)Cos 以上符号： d=滚动体直径； D=滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径)； =径向方向接触角； n=滚动体数目； N=轴的转速。 注：1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.,滚动轴承故障频率计算(3)-经验公式,外环故障频率： BPFOr0.4Nn 内环故障频率： BPFIr0.6Nn 保持架故障频率： FTFr0.4N 以上符号：

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