1、轧机滚动轴承的故障诊断技术,西北工业大学,设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法,主 要 内 容,2005年1月19日22点20分，某钢铁厂粗轧机齿轮箱轴承损毁，整条生产线被迫停机，事故检修共用了48小时。,轴承保持架断&轴承内圈破裂,轴承严重损坏,直接经济损失3000多万！,设备状态监测与故障诊断概述,2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，航天飞机直接经济损失24亿美元，飞机上所有的航天员全部罹难。,设备状态监测与故障诊断概述,1979年3月，美国三里岛核电站设备发生故障，造成几十亿美元的经济损失，核辐射极大危害
2、当地居民的身体健康。,设计、制造、安装、使用,长期运行中，设备故障难以避免,及时发现设备的异常和故障，尽早采取防治措施,可以早发现、早预防，保证生产正常运行，减少经济损失，防止安全事故发生。,掌握设备过去和现在的运行状态，预测设备未来的工作状态，可以为设备管理和维修决策提供技术根据,为什么要进行设备故障诊断？,医生,工程师,看病,设备故障诊断的思想来源于医学诊断：,什么是设备故障诊断？,医学诊断方法,设备故障诊断方法,听、摸、看、闻,振动与噪声监测,温度测量,油液分析,应力应变测量,无损检测技术（裂纹）,望、闻、问、切,听心音、做心电图,量体温,验血验尿,量血压,X射线、 超声检查,问病史,查
3、阅设备档案资料,什么是设备故障诊断？,设备故障诊断的思想来源于医学诊断：,设备故障诊断是一种在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，了解和掌握设备工作状态，确定设备的整体或局部是否工作正常，发现早期故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。,什么是设备故障诊断？,状态监测 分析诊断 决策处理,如何进行设备故障诊断？,事后维修(Breakdown Maintenance, BM),计划维修(Time Based Maintenance, TBM),预知维修(Predictive Maintenance, PM),我国目前情况：以设备状态为基础，与计划维修相结合的预防维修制度,也称被动维修，那时的机器
4、小、简单、易修， 损失也不大（我国解放前就是这种状况）； 第二次世界大战之后，发展成为定期维修。,国际上20世纪60年代中期开始，我国80年代才开始； 20世纪90年开始，以可靠性为中心的维修。,设备维修方式的变革,设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法,主 要 内 容,热轧轧机轴承,热轧主工艺流程,近年来工业的发展对轧件的质量要求越来越高，主要体现在： 板形要求（平直度、厚度、波度等形位公差）严格； 板材的强度等机械性能有很大提高，从而导致轧制工艺的改革，对轧辊辊系的轴承配置有了很大变化。,热轧轧机轴承,轧制力增大，
5、导致轴向力增大。因此，辊颈部位必须要配置能承受推力载荷的专用轴承。,四列圆锥滚子轴承,冷轧轧机轴承,冷轧主工艺流程,冷轧板规格；0.60.8mm,板厚精度误差 ,轧辊转速rpm,精度提高40,1）加减速度时；板厚精度提高5倍2) 速度稳定时；板厚精度提高2倍,1.5,1,0.5,0,0 500 1000 1500,滚动轴承化对冷轧板材厚度精度的变化,滚动轴承,油膜轴承,冷轧轧机轴承,滚动轴承,滚动轴承,油膜轴承,油膜轴承,冷轧轧机轴承,支承辊,工作辊,全密封四列圆锥滚子轴承,四辊轧机轴承,油膜轴承,主要以滚动轴承为主进行讨论,滚动轴承的故障形式与机理,工作情况复杂：变速、变载 (重载)工作环境
6、恶劣：高温、高湿、粉尘,轧机轴承故障诊断存在的难点,滚动轴承的故障形式与机理,疲劳剥落（点蚀 ）因受滚动压应力磨损因受压力又有与内外座圈的相对滑动 腐蚀润滑油中的水分几其它化学物质产生锈蚀裂纹由于磨削或淬火时作用而产生塑性变形胶合保持架损坏,滚动轴承常见故障,滚动轴承的故障形式与机理,内圈疲劳失效,外圈疲劳失效,滚动轴承常见故障,疲劳剥落原因：内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑后果： 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧,滚动轴承的故障形式与机理,滚动轴承常见故障,锈蚀原因：水分或酸、碱性物质的侵入后果：容易
7、导致剥落高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常工作,磨损原因：尘埃、异物的侵入润滑不良后果：轴承游隙增大，表面粗糙度增加轴承运转精度降低，振动和噪声增大,滚动轴承的故障形式与机理,塑性变形原因：轴承受到过大的冲击载荷或静载荷硬度很高的异物侵入后果：运转过程中产生剧烈的振动和噪声压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落胶合原因:在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，使一个表面上的金属粘附到另一个表面上后果:出现压痕，产生剥落区,滚动轴承常见故障,滚动轴承的故障形式与机理,保持架损坏原因：由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形保持架和
8、滚动体之间的摩擦增大，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦后果：会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏断裂原因：过高的载荷可能引起轴承零件断裂金属材料有缺陷和热处理不良转速过高，润滑不良后果：轴承出现裂纹，加速劣化,滚动轴承常见故障,滚动轴承的故障形式与机理,装配不当润滑不良腐蚀水分和异物侵入是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域过热征兆是滚道，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时引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能过载引起过早疲劳(包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷
9、),造成滚动轴承故障的主要原因,设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法,主 要 内 容,滚动轴承故障诊断的基本知识,时域分析,特征值 统计分析，如：概率密度分析 相关分析 时域多段平均,滚动轴承故障诊断的基本知识,频域分析,滚动轴承故障诊断的基本知识,滚动轴承的振动机理,内圈故障频率： fi = 0.6zfr 外圈故障频率： fo = 0.4zfr 保持架故障频率：fc =0.381 0.4fr,外圈与保持架关系： fo = zfc 外圈与内圈关系： fo + fi = zfr 滚动体与转频关系：fb = 0.23 z
10、fr (z 10),故障频率经验公式,( fr 为转频 ；z为滚动体个数 ),滚动轴承故障诊断的基本知识,滚动轴承常见故障图谱,内圈产生缺陷，内圈故障特征频率被转频或保持架特征频率调制,外圈产生缺陷，外圈故障特征频率冲击幅值相等,滚动轴承故障诊断的基本知识,滚动轴承常见故障图谱,滚动体产生缺陷，滚动体故障特征频率被保持架特征频率所调制,滚动轴承如果存在润滑不良造成的干磨擦故障，在时域波形中会出现削波现象,滚动轴承故障诊断的基本知识,三八诊断法,三个频段,八个确认,高频段指频率范围处于20005000Hz的频段，主要是轴承固有频率，在轴承故障的早期，高频段反映比较敏感 中频段指频率范围处于800
11、1600Hz的频段，一般是由于轴承润滑不良而引起碰磨产生的频率范围 低频段指频率范围处于0800Hz的频段，基本覆盖轴承故障特征频率及谐波,非同步频率 保持架频率与转频的关系 保持架与外圈故障频率的关系 内圈与外圈关系 滚动体频率与转频的关系 共振解调 时域波形特征 已知的故障特征,滚动轴承的“三八诊断法”,滚动轴承“三八诊断法”,首先根据转速 n ，计算得到转频 fr = n / 60 确认一：找到转频的非同步频率,转频24.84Hz及谐波,非同步频率203.28Hz及谐波,滚动轴承的“三八诊断法”,滚动轴承“三八诊断法”,确认二：保持架故障频率与转频的关系 fc = 0.381 0.4fr
12、,保持架频率7.031Hz,转频16.56Hz,确认三：保持架故障频率与外圈故障频率的关系 fo = zfc,保持架频率7.031Hz,外圈故障频率134.84Hz,转频16.56Hz,滚动轴承的“三八诊断法”,滚动轴承“三八诊断法”,确认四 ：内圈、外圈故障频率与转频的关系 fo + fi = zfr,确认五：滚动体故障频率与转频的关系 fb = 0.23 zfr (z 10),外圈频率135.78Hz,内圈频率179.53Hz,转频16.56Hz,转频16.56Hz,滚动体故障频率55.78Hz,滚动轴承的“三八诊断法”,确认六 ：用共振解调法识别故障频率,确认七：时域图识别故障频率,冲击
13、频率137.50Hz及谐波,滚动轴承的“三八诊断法”,确认八 ：确认已经验证过的故障频率是否存在,故障频率203.68Hz,设备在经过一次或几次测量后，可以确认滚动轴承某个故障特征频率，若在以后的测试中再次出现这个已经确认的故障特征频率，则可以不作其他验证,滚动轴承的“三八诊断法”,1780精轧机架辊轴承故障诊断无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断,案例分析,1780精轧机架辊轴承故障诊断,转速：318rpm轴承型号：NSK 22219EA滚动体个数：20,计算得到故障频率：,1780精轧机架辊轴承故障诊断,1#机架辊传动侧轴承:（垂直方向）,保持架：2.12Hz滚动体：18.29Hz外 圈：4
14、2.4Hz内 圈：63.6Hz,滚动体2倍的故障频率36.41Hz,1780精轧机架辊轴承故障诊断,1#机架辊传动侧轴承:（水平方向）,保持架：2.12Hz滚动体：18.29Hz外 圈：42.4Hz内 圈：63.6Hz,滚动体2倍的故障频率36.41Hz,1780精轧机架辊轴承故障诊断,1#机架辊传动侧轴承前后两次测量比较,垂直方向,水平方向,自由能量增大，说明1#机架辊传动侧轴承存在劣化趋势,1780精轧机架辊轴承故障诊断,2#机架辊传动侧轴承:（垂直方向）,保持架：2.12Hz滚动体：18.29Hz外 圈：42.4Hz内 圈：63.6Hz,滚动体2倍的故障频率36.64Hz及其谐波,存在5
15、.15Hz的转频 边带,1780精轧机架辊轴承故障诊断,2#机架辊传动侧轴承前后两次测量比较,垂直方向,水平方向,相隔半个月的测量发现，频谱前后差别不大,1780精轧机架辊轴承故障诊断,结论：,1#、2#机架辊驱传动侧轴承故障劣化状态明显1#辊轴承比较严重，滚动体磨损量明显增大，保持架有冲击,1780精轧机架辊轴承故障诊断无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断,案例分析,无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断,电机额定转速：5501000rpm电机额定功率：1350Kw,计算得到故障频率：,无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断,上穿孔机测量数据分析,低频段分析,高频段分析,存在59.2Hz的外圈故障频率
16、及其谐波,保持架：4.23Hz滚动体：26.59Hz外 圈：59.23Hz内 圈：88.62Hz,时域存在削波现象，说明故障很严重,自由能量大，故障较严重,冲击明显，存在外圈故障,时域分析,说明轴承存在问题,无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断,下穿孔机测量数据分析,保持架：4.23Hz；滚动体：26.59Hz；外圈：59.23Hz；内圈：88.62Hz,存在133Hz的齿轮啮合频率及其倍频成分,说明齿轮存在问题,1780精轧机架辊轴承故障诊断,结论：,上穿孔机一轴轴承损坏下穿孔机一、二轴齿轮啮合异常,设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障
17、诊断的新技术与新方法,主 要 内 容,非线性非平稳信号处理方法基于无线传感器网络的状态监测声发射检测技术声学检测技术多传感器信息融合技术,新技术与新方法,非线性非平稳信号处理方法,载荷时变、润滑不良、装配误差、故障劣化,机械设备运行过程中表现出复杂的非线性非平稳现象,研究新方法提取故障特征,非线性非平稳信号处理方法,非线性非平稳信号处理方法,线性与非线性,如果一个系统的输出与其输入成正比，则它是线性的；反之即为非线性。,非线性非平稳信号处理方法,Jeffcott 转子发生碰摩的动力学模型,机械工程中的非线性现象,振动位移随转速比变化分叉图,振动位移随定子刚度变化分叉图,非线性非平稳信号处理方法
18、,小波包分析：轴承故障,非线性非平稳信号处理方法,内圈故障,外圈故障,小波包分析能够有效提取轴承故障特征,小波包分析后的信号,小波包分析后的信号,非线性非平稳信号处理方法,非线性非平稳信号处理方法,形态学分析：轴承故障,原始信号,形态学分析后的信号,时间 t/s,频率 f/Hz,加速度 a/(ms-2),时间 t/s,加速度 a/(ms-2),156 Hz,加速度 a/(ms-2),加速度 a/(ms-2),频率 f/Hz,184 Hz,156 Hz,127 Hz,311 Hz,467 Hz,29 Hz,形态学分析能有效提取出故障频率及其倍频、边频成分,非线性非平稳信号处理方法,非线性非平稳信
19、号处理方法基于无线传感器网络的状态监测声发射检测技术声学检测技术多传感器信息融合技术,新技术与新方法,传统监测系统的特点有线连接有源供电存在的主要困难对于移动和旋转设备，应用受限对于分布区域广的监测对象，布线复杂、成本增加、可扩展性差，可维护性差信号长距离传输常会引入噪声干扰，可靠性降低高温、高危等环境中监测节点和线路的维护临时监测节点与监控系统之间的通信。,基于无线传感器网络的状态监测,无线传感器网络是采用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络无线通信传输可靠性高自组织维护方便扩展性好,基于无线传感器网络的状态监测,无线传感器网络,鞍钢冷轧厂连退炉辊406个点轴承温
20、度监测,基于无线传感器网络的状态监测,无线传感器网络,无线传感器应用实例1,2007年11月15日鞍钢冷轧厂3#线进行年修，连退炉区的轴承温度从正常的工作温度变化到检修时的室温。监测系统的记录数据如实地描述了轴承温度的变化，正确地反映了轴承工作状态的变化。,基于无线传感器网络的状态监测,无线传感器网络,2008年1月6日上午，由于机组长时间生产厚料，炉区快冷段冷却风机在长时间高温和满负荷的运行状态下，轴承座温度值较高且呈上升趋势。在发现这个现象后，在风机轴承座处增加一台轴流风机，对该轴承进行冷却。轴承座温度逐渐恢复正常，从而避免了轴承在长时间高温高速运行状态下发生研磨的可能性。,基于无线传感器
21、网络的状态监测,无线传感器应用实例2,无线传感器网络,08年1月31日，在查看炉温检测曲线时发现MGR25#辊自1月26日起温度一直相对较高，但未达到报警线。到现场实际检查，发现该轴承座润滑油油质较差，呈黑褐色，但轴承未发现磨损和其它异常，之后将轴承座进行反复冲洗，并更换新的润滑油，经过一段时间观察，该轴承座温度呈下滑趋势，并趋于平稳。,基于无线传感器网络的状态监测,无线传感器应用实例3,无线传感器网络,基于无线传感器网络的状态监测,鞍钢冷轧厂四辊轧机轴承温度监测,四辊轧机的轴承温度可以间接地反映设备的运行状态。轧辊轴承所处的工作环境极其恶劣，在生产中长期有乳化液进行喷淋，若用传统的有线方式进
22、行监测，难以安全布线，无法实现实时监测。 利用无线传感器网络技术，并对其进行高密封等级防护(IP68)。,非线性非平稳信号处理方法基于无线传感器网络的状态监测声发射检测技术声学检测技术多传感器信息融合技术,新技术与新方法,声发射检测技术,对内部缺陷的增长可实行动态、实时检测 检测灵敏度很高可采用多通道对大型构件实行整体性检测适用于高低温、核辐射、易燃、易爆及剧毒环境下的检测,声发射检测技术的特点：,声发射是一种动态无损检测方法，即在构件或材料的内部结构缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测,传统技术存在的问题：,振动适于检测表面缺陷，但对表面微裂纹对内部缺陷无能为力 超声波检测需要外部
23、发射超声波,新技术与新方法,声学检测技术,声学检测是基于声学的一种非接触式测量方法。,对于传感器不易安装，在高温、高湿、腐蚀、有毒有害以及人类不易接近 或操作的环境下，可以使用声音探头代替 由于传感器不安装在设备上，避免由于传感器安装影响设备运行 声音的可回放性，对于可以借助人耳进行有效地辅助分析判断,安放在机场跑道上的麦克风阵列,麦克风,采集工作站,新技术与新方法,多传感器信息融合,目前监测系统存在的问题设备运行的不确定性因素较多采集信息的多样性、随机性较大 信息融合的优势利用多传感器系统信息冗余性和互补性，形成比单个传感器更全面、更可靠的状态信息提高了诊断的准确性，减少了虚警和漏报率减少了信息的模糊性，增加了可信度改善了系统的可靠性和鲁棒性 扩展了系统的空间、时间覆盖范围,新技术与新方法,谢 谢 ！,轧机滚动轴承的故障诊断技术,
