1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 轴承运行状态监测与故障诊断方法研究 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1 摘 要 滚动轴承作为机械设备中重要的零件，是机械设备的重要故障源之一。滚动轴承的状态监测与故障诊断技术在了解轴承的性能 状态和及时发现潜在故障等方面起着至关重要的作用，并且可以有效提高机械设备的运行管理水平及维修效能，具有显著的经济效益。 所以滚动轴承的故障诊断又有十分重要的意义。本文介绍了多种轴承故障诊断的方法，采用了基于时域和频域分析技术的轴承故障诊断技术，并通过实验数据的采集与分析处理，证明了这两种方法可以较好的对轴承
2、运行状态及故障程度进行判断。 关键词：滚动轴承，故障诊断，时域分析，频域分析 2 Study on Bearing Condition Monitoring and fault diagnosis Abstract As an important part of mechanical equipment, rolling bearing is one of the important fault sources.The technology of condition monitoring and fault diagnosis of the rolling bearing is very im
3、portant in learning bearings performance atatus and discovering the potential fault timely,and it can improve the operation and management level and performance maintenance of mechanical equipment effectively,it has significant economic benefits. So we can see that fault diagnosis of rolling bearing
4、 is of quite significance.I introduced a vatiety of bearing fault diagnostic methods,this text adopt the technology of fault diagnosis of bearing based on the time-domain and frequency-domain analysis techenology,and by construction of the accumlation of experiment statistics and analysis processing
5、,it is proved that the bearing fault technology based on time-domain and frequency-domain analysis can distinguish the bearing running state and degree of fault fine. Keywords: rolling bearing,fault diagnosis,time-domain, frequency-domain 3 目录 摘 要 . I Abstract . 2 1绪论 . 4 1.1滚动轴承故障诊断的背景与意义 . 4 1.2滚动
6、轴承故障诊断的发展现状 . 4 1.3课题研究的目的及内容 . 6 2滚动轴承故障诊断方法的研究与分析 . 7 2.1滚动轴承故障的主要形式与原因 . 7 2.2振动分析诊断的基本原理 . 8 2.3滚动轴承故障诊断方法 . 9 2.4滚动轴承振动的基本参数 . 10 2.4.1滚动轴承的结构 . 10 2.4.2滚动轴承的故障特征频率 . 10 3滚动轴承故障诊断实验设备 . 12 3.1旋转机械振动分析及故障诊断试验平台系统简介 . 12 3.2 QLVC-ZSA1 型振动信号分析仪简介 . 14 3.3 测振传感器的选择 . 16 3.3.1常用的测振传感器 . 16 3.3.2 传感器
7、的选择 . 16 4时域与频域分析在滚动轴承故障诊断中的应用 . 17 4.1时域分析法 . 17 4.4.1时域 波形分析 . 17 4.1.2时域参数分析 . 17 4.2 频域分析法 . 18 4.2.1 频谱的概念与分析原理 . 18 4.3 实验数据分析 . 18 4.3.1 计算轴承故障特征频率 . 18 4.3.2 被测轴承的时域波形分析 . 19 4.3.3 被测轴承的时域参数分析 . 22 4.3.4 被测轴承的频谱分析 . 24 结论 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 29 4 1 绪论 1.1滚动轴承故障诊断的背景与意义 装备制造业是
8、为国民经济和国防建设提供技术的重要产业，而振兴装备制造业的重中之重是提高装备的创新和产品的国产化，轴承产品作为装备制造业中重大装备的基础零件，也必须实现其自主创新和国产化。从文献所知，国务院在关于加快振兴装备制造业若干意见中提出 ,选择 16 个对国家经济和国防建设有重要影响的关键领域，以重大装备为重点，尽快扩大自主装备的市场占有率 1。而在这 16 个关键领域中的重大技术 装备中 ,绝大部分都要装用轴承，并且需要高技术的轴承来保证其精度、性能、寿命和可靠性。据数据显示 ,至2010年，这 16个关键领域每年要配套轴承约 550.5万套，产值约 116.5 亿元。滚动轴承作为机械设备中重要的零
9、件，是机械设备的重要故障源之一。统计表明：在使用滚动轴承的机械中，大概有 30%的机械故障是由滚动轴承引起的。在感应电机故障中，滚动轴承故障约占电机故障的 40%左右 ,而齿轮箱各类故障中的轴承故障率仅次于齿轮占 20%。有关资料表明，我国现有的机车用的滚动轴承，每年约 40%要经过下车检验，其中的 33%左右被更换。 因此，改定期维修为状态监控维修，研究机车轴承故障监测和诊断，有重要的经济效益和实用价值 2。据统计，对机械设备应用状态监测与故障诊断技术，事故发生率可降低 75%，维修费用可减少 25 50%。滚动轴承的状态监测与故障诊断技术在了解轴承的性能状态和及时发现潜在故障等方面起着至关
10、重要的作用，并且可以有效提高机械设备的运行管理水平及维修效能，具有显著的经济效益。 1.2滚动轴承故障诊断的发展现状 （ 1）国内滚动轴承故障诊断研究发展与现状 现在， 我国在滚动轴承监测与 故障 诊断 技术 方面的 研究 经历了 2 个 重要 阶段 :从 70年代末到 80 年代初，主要 是 吸收国外先进技术，并对一些故障 原 理和诊断方法展开研究；从 80年代初期到现在，全 面 开展了对滚动轴承的故障诊断新理论及其应用的研究工作 ， 引入先进技术，大大 提高了 诊断 系统 实施性， 并取得了丰硕成果 。 理论方法的研究。杨江天等人采用 1 又 1/2 谱分析方法 3，提取滚动轴承振动信号中
11、 因为 二次相位祸合产生的非线性特征，定量描述轴承故障。吕志民等将分形维数 4用于 记录 滚动轴承在不同故障状态下表现的非线性行为，对故障 进行 分类。 通过 采用连续小波分析 5的方法对滚动轴承振动加速度信号进行处理，何晓霞等人提取滚动轴承故障特征。任国全等人提出了基于正交变换的滚动轴承故障诊断 方法 ，对 故障轴承 进行了 准确 的诊断。刘华等人对小波变换5 进行了研究，并介绍小波包理论。王太勇等人 通过 分析前向型神经网络动力系统模型 6，大大提高 了 学习速度。 因为 滚动轴承故障信号含有调幅成份的特点，秦恺等人提出利用谱相关密度来 计算 滚动轴承故障特征的方法。汪世益等人采用二次 F
12、FT 法 对高频谱峰群进行分析，诊断产生疲劳剥落的轴承元件。傅勤毅等人在联合时频分析的基础上提出一种短样本分析方法 7。在共振解调技术的基础上，崔宝珍等人采用小 波分析方法对滚动轴承的故障进行了 准确 的诊断。针对 强噪声背景 ， 张辉等人提出了自相关及互相关小波包消噪滚动轴承故障诊断方法。 诊断系统 设计 与实现方面。吉林大学开发的滚动轴承的 运行状态 监测与故障诊断系统，具有在线监测、报警等功能。 这套 滚动轴承状态监测系统，采用了振动监测和温度监测系统对轴承进行在线监测，发现故障后，则采用共振解调法诊断出故障的部位及其趋势等。基于计算机数据采集 ， 浙江大学开发 了一套滚动轴承故障诊断虚
13、拟仪器系统，能在线计算和显示轴承的各种 运行 参数，还具有 比较 全面的频谱分析功能，但其故障诊断功能 较差，不能确定滚动轴承的故障位置。华侨大学开发的滚动轴承在线监测与故障诊断专家系统可用于对轴承的运行情况进行在线监测，能及时预报轴承在运行中出现的异常现象并对故障进行诊断，分析故障原因和提出相应的处理对策，但该系统不能实现高速采集，缺乏轴承幅域参数计算，工业现场的实际应用性不强。 （ 2）国外滚动轴承故障诊断的发展与现状 在国外，滚动轴承的故障诊断始于 20 世纪 60 年代，在其后的几十年的发展过程中，各种方法和技巧不断产生、发展和完善，应用领域不断扩大，诊断的有效性不断提高。但是由于种种
14、原因和局限性，这些技术中大 部分并未真正普及应用在实际的轴承故障诊断中。总体来说，滚动轴承故障诊断的发展相继经历了以下阶段： 最早使用的轴承诊断方法是将听音棒接触轴承部位 8，依靠听觉来判断轴承有无故障。这种方法至今仍在使用，不过已经逐步使用电子听诊器来替代听棒以提高灵敏度。后来逐步采用各式测振仪器、仪表并利用位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障 9。这可以减少对设备检修人员的经验的依赖，但仍然很难发现早期故障。 随着对滚动轴承运动学、动力学的深化研究，对轴承振动信号中频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有 了比较清楚地了解， FFT 级数的发展也使得利用频率域分析和检
15、测轴承故障成为一种有效的途径 10。也是目前滚动轴承监测诊断的基础。 近几年在机械诊断领域内只能诊断技术与信号处理方法的结合已得到广泛应用，随着智能技术的不断发展，轴承状态监测及其故障的智能诊断将是故障6 诊断技术的发展趋势 11。 1.3课题研究的目的及内容 当滚动轴承出现局部损伤类故障后，振动信号中包含了以故障特征频率为周期的周期性冲击成分 .其特点就是在平稳振动的基础上，每隔一定时间就出现一个冲击成分。滚动轴承所出现的故障不同，振动信号中所包含的 冲击成分的特征频率也不相同。滚动轴承典型故障的特征频率可以根据公式来计算。这样，只要计算轴承故障时的特征频率即可判定所出现的故障类型。 振动检
16、测方法中的时域诊断方法是发展最早的一种检测方法。时域诊断可以理解为振动信号的时域图像分析方法 12。在时域诊断中，普通采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征来进行分析和诊断。应用比较广泛的有：振动信号的平均值，均方根值，方差，概率密度函数，概率分布函数，自相关函数，关函数，互相关函数以及峰值因子，波形因子，脉冲因子，峭度系数等无量纲特征参数 13。 采用频域分 析方法可以对轴承早期故障进行精密诊断，直接对轴承振动信号进行频谱分析，结合频谱图的频率结构和特征频率分析，也可以判别轴承的好坏 14。在轴承的运转过程中，由于故障的存在导致轴承振动系统的共振而引起周期性的脉动冲击响应。在信号的频谱图
17、中，在高频范围内有最明显的反映，频域诊断就是基于这一基本原理。 7 2 滚动轴承故障诊断方法的研究与分析 2.1滚动轴承故障的主要形式与原因 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、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。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而不能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承的主要故障形式与原因如下。 1.疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表
18、层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴 承的寿命试验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴承故障监测的重要性。 2.磨损 由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因
19、而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。 此 外，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。 3.塑性变形 当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。 4.锈蚀 锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、
20、碱性物质直接 侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表8 面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。 5.断裂 过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。 6.胶合 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，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上
21、的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。 7.保持架损坏 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，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等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。 2.2 振动分析诊断的基本原理 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成的。一般情况下，滚动轴承在工作是外圈与轴承座或机壳相连接，固定或相对固定；内圈与机械的传动轴相连，随轴 一起转动。在机械运转时，滚动轴承的振动主要源自两个发面，一方面是诸如轴承本身的机构特点、加工装配误差和运行过程中出现的故障等内部因素，另一方面来自传动轴上其他零件的
22、运动和力的作用。当传动轴在一定的载荷下，以一定的转速运行时，对轴承和轴承座或壳体组成的振动系统产生激励，在多种因素的作用下使该系统产生振动响应。 在引起滚动轴承振动的诸多因素中，由轴承结构特点引起的振动，在轴承一定的转速下，具有确定的性质，频率较低。由轴承制造和装配误差引起的振动在理论上大都具有周期性。由轴承内部缺陷或故障引起的振动往往是冲击性振 动。这种振动信号的特点是每个冲击的作用时间较短，却具有很宽的频率范围；时域能量不大，频谱却丰富；而且具有明显的周期性。由外部激励引起的振动一般在轴承总的振动能量中所占的比例不大，且以低频周期成分为主。 由上述分析可以知道，通过安装在轴承座上的传感器拾
23、取到的振动信号，是由各种内外因素共同作用而成的。它除了反映有关轴承本身工作情况的信息外，还包含了很多来自设备或机组中其他运动部件和结构的信息。对轴承故障诊断来讲，这些信息多属无用的噪声信息，称为背景噪声。一般情况下，在轴承现场诊断中都有较大的背景噪声，而滚动轴承 早期故障引起的振动相对来说要弱得多，所以往往会淹没在背景噪声中而不易提取出来。因此，采用何种振9 动监测和信号处理技术来抑制背景噪声，提高信噪比，突出故障信息，从而有效地进行诊断，是滚动轴承故障诊断研究工作的重点所在 15。 2.3 滚动轴承故障诊断方法 根据故障监测和诊断方法原理的不同，滚动轴承的故障诊断技术主要为振动诊断技术、油液
24、诊断技术、热诊断技术、声学诊断技术、油膜电阻诊断技术、光纤诊断技术等 16,其中振动诊断技术、铁谱诊断技术、热诊断 (热成像诊断和温度诊断 )技术应用最为广泛。 （ 1）振动信号基的故 障监测和诊断技术 基于振动信号的滚动轴承故障监测和诊断技术，主要是通过对运行过程中轴承振动信号的采集和处理来来对滚动轴承出现的疲劳剥落、变形、压痕、局部腐蚀等现象进行监测与诊断。该方法应用广泛，理论和实践都相对比较成熟，可以实现在线监测。 （ 2）油液基的故障监测和诊断技术 滚动轴承故障的主要形式是磨损、断裂、腐蚀等，油润滑或油冷却的轴承在运行的过程中，会将相关的信号带入到循环油液中，因此对运行过程中的油液进行
25、观察、析，可以了解轴承的运行状态，推断出轴承故障的形式和部位。 （ 3）温度基的故障监测和诊断技术 温 度诊断技术是一种相对比较常规简单的诊断技术，对运行过程中轴承温度的监测来对轴承故障进行监测和诊断。轴承的运转温度主要由轴承的载荷、转速、摩擦力矩、润滑剂类型、粘度、轴承类型等因素决定，因此轴承的温度可以一定程度反映轴承的运转参数的变化和运行的故障，特别是对轴承烧伤的诊断效果比较好。 （ 4）声学基的故障监测和诊断技术 声学监测和诊断技术是近几年发展起来的新技术，通过对轴承由于变形、 剥落或裂纹等原因产生的波的监测实现对轴承故障的诊断。由于轴承经常在工作中受到载荷作用，使材料产生错位运动或塑性变形，在这过程中伴 随着声信号的产生。金属材料的发射频率可达几十至几百兆赫兹，其信号的强度差异小 ,故需要电荷放大器等仪器的辅助。 声信号随着轴承故障类型的不同而不同，从而实现对不同故障的有效诊断。该方法的诊断过程快速、简便，但它需要专用的设备，格比较昂贵，使得该诊断技术的推广应用受到了一定的限制。 （ 5）油膜电阻基的故障监测和诊断技术 如果轴承在运转过程中，滚道和滚动体之间形成很好的油膜，则内外圈的电阻值可达兆欧姆，但当润滑油膜遭到破坏后 ,内外圈之间的电阻可降低至零欧姆，该故障诊断技术正是利用这一特性，轴承的润滑状态和轴承的磨 损、腐蚀
