滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

259

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

滚动轴承是机器的易损件之一,旋转机械的故障约有30%是因滚动轴承引起的,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、腐蚀等都可能会导致轴承过早损坏,即使在安装、润滑维护都正常的情况下,经过一段时长,也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。轴承往往因安装不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化,轴承在不正常的状态下运转并提早失效。滚动轴承的主要故障形式主要有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、断裂、胶合、保持架损坏等。

滚动轴承振动的典型结构

它由内圈、外圈、滚动体和保持架4部分组成。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

滚动轴承振动的典型结构

滚动轴承的几何参数:

轴承节径D:轴承滚动体中心所在的圆的直径

滚动体直径d:滚动体的平均直径

内圈滚道半径r1:内圈滚道的平均半径

外圈滚道的半径r2:外圈滚道的平均半径

接触角α:滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角

滚动体个数Z:滚珠或滚珠的数目

故障轴承振动信号特点

轴承发生故障后,其振动特征会有明显的变化

一、疲劳剥落损伤

当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后(图1以夸大的方式呈现疲劳剥落坑),在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。图2显示钢球落下产生的冲击过程的示意图。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图1 轴承零件上的疲劳剥落坑

在冲击的第一阶段,在碰撞点产生很大的冲击加速度[图2a和b],它的大小和冲击速度v成正比(在轴承与疲劳损伤的大小成正比)。第二阶段,构件变形产生衰减自由振动[图2c],振动频率取决于系统的结构,为其固有频率[图d]。振动的增加量A也与冲击速度v成正比[图2e]。

在滚动轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小,大致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时长成反比,所以其频谱可从直流延展到100-500kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起轴承-传感器系统的面有振动。由于从冲击发生处到测量点的传递特性对此有很大影响,因此测点位置选择非常关键,测点应尽量接近承载区,振动传递界面越少越好。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图2 冲击过程示意图

有疲劳剥落故障轴承的振动信号如图3a所示,图3b为其简化的波形。T取决于碰撞的频率,T=1/f碰。在简单情况下,碰撞频率就等于滚动体在滚动道上的通过频率Zf或Zf或滚动体自转频率fbc。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图3 有疲劳剥落故障轴承的振动信号

二、磨损

随着磨损的进行,振动加速度峰值和RMS值缓慢上升,振动信号呈现较强的随机性,峰值与RMS值的比值从5左右逐渐增加到5.5-6。如果不发生疲劳剥落,最后振动幅值可比最初增大很多倍,变化情况见图4。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图4 轴承磨损时振动加速度

三、胶合

图5为运转过程中发生胶合的滚动轴承的振动加速度及外圈温度的变化情形。在A点以前,振动加速度略显下降,温度缓慢上升。A点之后振动值急剧上升,而温度却还有些下降,这一段轴承表面状态已恶化。在B点以后振动值第二次急剧上升,以致超过了仪器的测量范围,同时温度也急剧上升。在B点之前,轴承中已有明显的金属与金属的直接接触和短暂的滑动,B点之后有更频繁的金属之间直接接触及滑动,润滑剂恶化甚至发生炭化,直至发生胶合。从图中可以看出,振动值比温度能更早地预报胶合的发生,由此可见轴承振动是一个比较敏感的故障参数。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图5 发生胶合的轴承试验曲线

从时域波形上,我们可以进一步分析有故障滚动轴承的波形特点。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图6 正常轴承的振动

正常轴承的时域振动波形如图6所示。没有冲击尖峰,没有高频率的变化,杂乱无章,没有规律。

1、固定外圈有损伤点的振动

若载荷的作用方向不变,则损伤点和载荷的相对位置关系固定不变,每次碰撞有相同的强度,振动波形如图7所示。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图7 外圈有损伤点的振动

2、转动内圈有损伤点的振动

若载荷的作用方向不变,当滚动轴承内圈转动时,则损伤点和载荷的相对位置关系呈周期变化。每次碰撞有不同的强度,振动幅值发生周期性的强弱变化,呈现调幅现象,周期取决于内圈的转频,图8所示。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图8 内圈有损伤点的振动

3、滚动体有损伤点的振动

若载荷的作用方向不变,当滚动体上有损伤点时,则发生的振动如图9所示,这种情况和内圈有损伤点相似,振动幅值呈周期性强弱变化,周期取决于滚动体的公转频率。

滚动轴承振动的典型结构以及4大常见故障下的振动信号特征分析!

图9 滚动体有损伤点的振动

四、分布故障(均匀磨损)

轴承工作面有均匀磨损时,振动性质与正常轴承相似,杂乱无章、没有规律,故障的特征频率不明显,只是幅值明显变大。因此,只可能根据振动的均方根值变化判别轴承的状态。

留下一个答复

Please enter your comment!
Please enter your name here