濟南市鴻慷機電設備有限公司位于交通便利的泉城濟南，是全球生產滾動軸承和直線運動產品的領導企業---德國舍弗勒集團在山東的授權代理商。公司專營舍弗勒集團旗下兩大品牌德國INA軸承和德國FAG軸承，是一家順應經濟發展需要而誕生的專業化新型高端軸承公司。多年來一直從事軸承的銷售和售后技術支持，在機械行業技術方面有著非常豐富的經驗，今天濟南鴻慷機電進口軸承專家為大家介紹一下滾動軸承的振動測量技術及其簡易診斷方法。

 

 由于滾動軸(zhou)承的(de)(de)故障信號(hao)具有(you)沖擊振(zhen)(zhen)(zhen)動的(de)(de)特點，頻率極高，衰減較(jiao)快，因此利用振(zhen)(zhen)(zhen)動信號(hao)對其進行監測(ce)診斷時(shi)，除了參考前面已經介(jie)紹的(de)(de)旋轉(zhuan)機(ji)械、往復機(ji)械的(de)(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動測(ce)試方法以外，還應(ying)根據其振(zhen)(zhen)(zhen)動特點，有(you)針對性地采取一(yi)些(xie)措施(shi)和(he)方法。

 

 

測點的選擇(ze)

滾動軸(zhou)(zhou)承(cheng)因(yin)故障引起(qi)的沖擊振動由(you)沖擊點以半(ban)球(qiu)(qiu)面波方式向(xiang)外傳(chuan)播，通(tong)滾動軸(zhou)(zhou)承(cheng)因(yin)故障引起(qi)的沖擊振動由(you)沖擊點以半(ban)球(qiu)(qiu)面波方式向(xiang)外傳(chuan)播，通(tong)過軸(zhou)(zhou)承(cheng)零(ling)件(jian)、軸(zhou)(zhou)承(cheng)座傳(chuan)到箱體或機架。由(you)于(yu)沖擊振動所(suo)含的頻(pin)率很高，每通(tong)過零(ling)件(jian)的界面傳(chuan)遞(di)一(yi)次，其能(neng)量(liang)損失約80%。因(yin)此(ci)，測量(liang)點應盡量(liang)靠近(jin)被測軸(zhou)(zhou)承(cheng)的承(cheng)載區，應盡量(liang)減少中間傳(chuan)遞(di)環節，探測點離軸(zhou)(zhou)承(cheng)外圈(quan)的距離越(yue)近(jin)越(yue)直接越(yue)好。

 

 

圖(tu)1表示了(le)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)位置對(dui)(dui)故障檢(jian)測靈敏度(du)的(de)影響。在(zai)(zai)(zai)圖(tu)1(a)中，假如(ru)(ru)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)放在(zai)(zai)(zai)承(cheng)載方(fang)向時為100%，則在(zai)(zai)(zai)承(cheng)載方(fang)向士45°方(fang)向上降(jiang)為95%（- 5dB），在(zai)(zai)(zai)軸向則降(jiang)為22%-25%（-12～13dB）。在(zai)(zai)(zai)圖(tu)1(b)中，當止推軸承(cheng)發(fa)生故障產生沖擊(ji)并向外散發(fa)球面(mian)波時，假如(ru)(ru)在(zai)(zai)(zai)軸承(cheng)蓋正對(dui)(dui)故障處的(de)讀(du)數為100%，則在(zai)(zai)(zai)軸承(cheng)座(zuo)軸向的(de)讀(du)數降(jiang)為5%（-19dB)。在(zai)(zai)(zai)圖(tu)1(c) 和(d)中給出了(le)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)安(an)裝的(de)正確位置和錯誤位置，較(jiao)粗的(de)弧線(xian)表示振動(dong)(dong)較(jiao)強烈(lie)的(de)部位，較(jiao)細(xi)的(de)弧線(xian)表示因振動(dong)(dong)波通過(guo)界面(mian)衰(shuai)減導致振動(dong)(dong)減弱的(de)情(qing)形(xing)。

圖1 傳感(gan)器(qi)位(wei)置對故(gu)障檢測靈敏度的(de)影響

 

由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此應盡量考慮在水平（x）、垂直（y）和軸向（z）三(san)個方向(xiang)(xiang)上進行振動檢測，但由于(yu)設備(bei)構(gou)造(zao)、安裝條件的限制，或出于(yu)經濟方面的考慮，不(bu)可(ke)能在每個方向(xiang)(xiang)上都進行檢測，這(zhe)時可(ke)選(xuan)擇其中的兩個方向(xiang)(xiang)進行檢測。

 

 

傳感器的(de)選擇(ze)與(yu)固(gu)定方式(shi)

根據滾動(dong)軸承(cheng)的(de)(de)(de)結構(gou)(gou)特點，使用條(tiao)件不同，它所引(yin)起的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)可能(neng)是(shi)頻率(lv)(lv)約為1kHz以(yi)(yi)下的(de)(de)(de)低頻脈動(dong)（通(tong)過振(zhen)動(dong)），也可能(neng)是(shi)頻率(lv)(lv)在1kHz以(yi)(yi)上(shang)，數千赫乃至數十千赫的(de)(de)(de)高頻振(zhen)動(dong)（固(gu)有振(zhen)動(dong)），通(tong)常(chang)情(qing)況下是(shi)同時(shi)包含了上(shang)述兩種振(zhen)動(dong)成分(fen)。因此，檢測(ce)滾動(dong)軸承(cheng)振(zhen)動(dong)速度和加速度信號時(shi)應同時(shi)覆蓋或分(fen)別覆蓋上(shang)述兩個(ge)頻帶，必要時(shi)可以(yi)(yi)采(cai)用濾波(bo)器取出需要的(de)(de)(de)頻率(lv)(lv)成分(fen)。考慮到滾動(dong)軸承(cheng)多(duo)用于中小(xiao)型(xing)機械(xie)，其結構(gou)(gou)通(tong)常(chang)比較輕薄，因此，傳感器的(de)(de)(de)尺寸和重(zhong)量(liang)都應盡可能(neng)地小(xiao)，以(yi)(yi)免對被測(ce)對象造成影(ying)響，改變其振(zhen)動(dong)頻率(lv)(lv)和振(zhen)幅大小(xiao)。

 

 

滾動軸(zhou)承的振動屬于(yu)高(gao)頻振動，對于(yu)高(gao)頻振動的測量，傳感(gan)器的固定(ding)(ding)采用(yong)手(shou)持式方法(fa)顯(xian)然不(bu)合適，一(yi)般也(ye)(ye)不(bu)推薦磁性座固定(ding)(ding)，建議采用(yong)鋼制螺(luo)栓固定(ding)(ding)，這樣不(bu)僅諧(xie)振頻率(lv)高(gao)，可(ke)以滿足要(yao)求，而且定(ding)(ding)點性也(ye)(ye)好(hao)，對于(yu)衰減較(jiao)大的高(gao)頻振動，可(ke)以避(bi)免每次測量的偏差，使(shi)數據具有可(ke)比(bi)性。

 

 

分析譜帶的選擇(ze)

滾動軸(zhou)承的(de)故障特征在不同頻帶(dai)上都有反映，因此，可(ke)以利用不同的(de)頻帶(dai)，采用不同的(de)方法對軸(zhou)承的(de)故障做出診斷。

 

 

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一

低頻(pin)段

在滾動(dong)軸承的故障診(zhen)斷中，低頻率(lv)段指1kHz以下(xia)的頻率(lv)范圍。

 

 

一般可(ke)以(yi)采用(yong)(yong)低通濾波(bo)器(qi)（例如截止頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)fb≤1kHz）濾去(qu)高頻(pin)(pin)(pin)(pin)成(cheng)分后再作頻(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)分析(xi)。由于(yu)軸承的故(gu)(gu)障(zhang)特征頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)（通過頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)）通常都在(zai)1kHz以(yi)下，此法可(ke)直接(jie)觀察頻(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)圖上相應的特征譜(pu)線，做(zuo)出判斷。由于(yu)在(zai)這個頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)范圍容易受到機械(xie)及電源干擾，并(bing)且在(zai)故(gu)(gu)障(zhang)初期反映故(gu)(gu)障(zhang)的頻(pin)(pin)(pin)(pin)率(lv)成(cheng)分在(zai)低頻(pin)(pin)(pin)(pin)段的能量很小(xiao)，因此，信噪比低，故(gu)(gu)障(zhang)檢測靈敏度差，目(mu)前已較少采用(yong)(yong)。

 

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二

中(zhong)頻段

在滾動(dong)軸(zhou)承的故障診斷中，中頻段指1～20kHz頻率范(fan)圍。同樣，利(li)用(yong)該(gai)頻率時也可以(yi)使用(yong)濾波器。

 

 

1. 高通濾波器

 

使(shi)用(yong)(yong)截止頻率為1kHz的(de)(de)高(gao)通濾波器(qi)濾去1kHz以(yi)下的(de)(de)低頻成分，以(yi)消除機械干擾；然后用(yong)(yong)信號的(de)(de)峰值、RMS值或峭(qiao)度系數作為監測參數。許多簡易的(de)(de)軸承監測儀(yi)器(qi)儀(yi)表都(dou)采用(yong)(yong)這種方(fang)式。

 

2. 帶(dai)通濾波器

 

使用帶(dai)(dai)通濾波器提取軸(zhou)(zhou)承零件或結構零件的共振頻(pin)(pin)率(lv)(lv)成(cheng)分，用通帶(dai)(dai)內的信號總功率(lv)(lv)作(zuo)為監測參數，濾波器的通帶(dai)(dai)截(jie)止頻(pin)(pin)率(lv)(lv)根(gen)據(ju)軸(zhou)(zhou)承類(lei)型及尺寸選擇，例如對309球軸(zhou)(zhou)承，通帶(dai)(dai)中心頻(pin)(pin)率(lv)(lv)為2.2kHz左(zuo)右，帶(dai)(dai)寬可選為1～2kHz。

 

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三

高頻(pin)段

在滾(gun)動軸承的故(gu)障診(zhen)斷中，高頻率(lv)段(duan)指20～80kHz頻率(lv)范圍。

 

 

由于軸承故(gu)障引起的(de)(de)沖(chong)(chong)擊有(you)(you)很大部(bu)分(fen)沖(chong)(chong)擊能量分(fen)布在高頻段，如果采用(yong)合適的(de)(de)加速(su)度傳(chuan)感器和固定方式(shi)保證傳(chuan)感器較高的(de)(de)諧振(zhen)頻率，利用(yong)傳(chuan)感器的(de)(de)諧振(zhen)或電路的(de)(de)諧振(zhen)增強所得到衰減振(zhen)動(dong)信號，對故(gu)障診斷(duan)非常有(you)(you)效。

 

 

滾(gun)動軸承的簡易診斷

利用(yong)滾(gun)動(dong)軸承的振動(dong)信號分析故障(zhang)診(zhen)斷(duan)的方(fang)法可分為簡(jian)易診(zhen)斷(duan)法和精密診(zhen)斷(duan)法兩種。

 

• 簡(jian)易診斷的目的是為了初步(bu)判(pan)斷被列為診斷對象的滾(gun)動軸承(cheng)是否出(chu)現了故障；

  
  

• 精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認為出現了(le)故障的軸承(cheng)的故障類別及原因。

 

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一

滾(gun)動軸(zhou)承故障的簡(jian)易標準

在利用振(zhen)動對滾動軸承進(jin)行(xing)簡易診斷(duan)的過(guo)程中，通常需要將測得(de)的振(zhen)值(zhi)（峰值(zhi)、有效值(zhi)等）與預(yu)先給定(ding)的某種(zhong)判定(ding)標準(zhun)進(jin)行(xing)比較，根據實測的振(zhen)值(zhi)是(shi)否超出了標準(zhun)給出的界限來判斷(duan)軸承是(shi)否出現了故障(zhang)，以決定(ding)是(shi)否需要進(jin)一步進(jin)行(xing)精密診斷(duan)。因此，判定(ding)標準(zhun)就顯(xian)得(de)十分(fen)重(zhong)要。

 

 

用于滾動軸承簡易診斷的判定標準大致可分為以下三種：

 

1. 絕對判定標準

 

絕對判定(ding)標(biao)準(zhun)是(shi)指用于判斷(duan)實測振值是(shi)否超限(xian)的絕對量值。

 

2. 相(xiang)對判(pan)定標準

 

相對判(pan)定(ding)標準是(shi)指對軸(zhou)承的同一(yi)部位定(ding)期進行(xing)振動檢測，并按時間先后進行(xing)比較(jiao)，以軸(zhou)承無(wu)故(gu)障情(qing)況下(xia)的振值(zhi)為基準，根(gen)據實測振值(zhi)與該基準振值(zhi)之比來進行(xing)判(pan)斷的標準。

 

3. 類比判定標準

 

類比判定標(biao)(biao)準是(shi)指對若(ruo)干同一(yi)型(xing)號的(de)軸(zhou)承在相(xiang)同的(de)條件下在同一(yi)部(bu)位進(jin)行振動檢測，并將振值(zhi)相(xiang)互比較進(jin)行判斷的(de)標(biao)(biao)準。

 

需要注(zhu)意的(de)是(shi)，絕對判定(ding)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)在(zai)標(biao)(biao)準(zhun)和規范規定(ding)的(de)檢(jian)測方法的(de)基礎上制定(ding)的(de)標(biao)(biao)準(zhun)，因此(ci)必須注(zhu)意其適用(yong)頻率范圍，并且(qie)必須按規定(ding)的(de)方法進行振(zhen)動檢(jian)測。適用(yong)于所有軸承(cheng)的(de)絕對判定(ding)標(biao)(biao)準(zhun)是(shi)不存(cun)在(zai)的(de)，因此(ci)一般(ban)都是(shi)兼用(yong)絕對判定(ding)標(biao)(biao)準(zhun)、相對判定(ding)標(biao)(biao)準(zhun)和類比判定(ding)標(biao)(biao)準(zhun)，這樣才能獲得準(zhun)確(que)、可(ke)靠的(de)診斷結果。

 

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二

振動(dong)信號簡易診斷法(fa)

1. 振幅值診(zhen)斷法(fa)

 

 

這里所說的振幅值指峰值Xp、均值X（對于簡諧振動為半個周期內的平均值，對于軸承沖擊振動為經絕對值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。

 

這是一種(zhong)最簡單、最常用的診(zhen)斷(duan)法，它(ta)是通過將實(shi)測的振(zhen)幅值與判定(ding)標(biao)準中給定(ding)的值進行比較(jiao)來診(zhen)斷(duan)的。

 

峰(feng)值(zhi)(zhi)反(fan)映的(de)是某時(shi)(shi)刻振幅的(de)最大值(zhi)(zhi)，因而它適用于(yu)像(xiang)表面點蝕損傷之類的(de)具(ju)有瞬時(shi)(shi)沖擊(ji)的(de)故障診(zhen)斷。另外，對于(yu)轉速較(jiao)低的(de)情況（如300r/min以下），也常采(cai)用峰(feng)值(zhi)(zhi)進行診(zhen)斷。

 

均值用于診斷的(de)效果與峰(feng)值基本一(yi)樣，其(qi)優點(dian)是檢(jian)測值較(jiao)峰(feng)值穩定，但一(yi)般(ban)用于轉速較(jiao)高的(de)情況（如300r/min以(yi)上）。

 

均方根值是(shi)對時(shi)間(jian)平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅(fu)值隨時(shi)間(jian)緩慢(man)變化的故障診斷。

 

2. 波(bo)形(xing)因數診斷法

 

波形因數定義為峰值與均值之比（Xp/X）。該值也是用于滾動軸承簡易診斷的有效指標之一。如圖2所示，當Xp/X值過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；而Xp/X小時，則有可能發生了磨損。

圖(tu)2 滾動(dong)軸承(cheng)沖擊(ji)振動(dong)的波(bo)形因數(shu)

 

3. 波峰(feng)因數診斷法

 

波峰因數定義為峰值與均方根值之比（XP/Xrms)。該值用于滾動軸承簡易診斷的優點在于它不受軸承尺寸、轉速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點蝕類故障的診斷。通過對XP/Xrms值隨時間變化趨勢的監測，可以有效地對滾動軸承故障進行早期預報，并能反映故障的發展變化趨勢。當滾動軸承無故障時，XP/Xrms，為一較小的穩定值；一旦軸承出現了損傷，則會產生沖擊信號，振動峰值明顯增大，但此時均方根值尚無明顯的增大，故XP/Xrms增大；當故障不斷擴展，峰值逐步達到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms逐步減小，直至恢復到(dao)無故障時(shi)的大(da)小。

 

4. 概率密度診斷法

 

無故障(zhang)滾動軸承振幅的概率密(mi)度曲(qu)線是典型的正態分(fen)(fen)布曲(qu)線；而一旦出現(xian)(xian)故障(zhang)，則概率密(mi)度曲(qu)線可能出現(xian)(xian)偏斜或(huo)分(fen)(fen)散的現(xian)(xian)象，如(ru)圖3所示(shi)。

圖3 滾動軸承的(de)損(sun)傷(shang)

 

4. 峭度系數診斷法

 

峭度（Kurtosis）β定義為歸一化的4階中(zhong)心矩，即(ji)

式中：

 

x—瞬時振幅；

 

—振幅(fu)均值；

 

p(x)—概(gai)率(lv)密度；

 

σ—標(biao)準差。

 

振幅滿(man)足正態分布規(gui)律的(de)(de)無(wu)故(gu)(gu)(gu)障(zhang)軸承，其峭度值約為3。隨著(zhu)故(gu)(gu)(gu)障(zhang)的(de)(de)出現和發展(zhan)，峭度值具有(you)與波峰因數類(lei)似的(de)(de)變(bian)化趨勢(shi)。此方法的(de)(de)優點(dian)在于與軸承的(de)(de)轉速(su)、尺寸和載荷無(wu)關，主要(yao)適(shi)用于點(dian)蝕類(lei)故(gu)(gu)(gu)障(zhang)的(de)(de)診斷。

 

圖(tu)(tu)4為一軸承疲勞(lao)試驗(yan)的結果。試驗(yan)中第(di)74h軸承發生(sheng)了(le)疲勞(lao)破壞(huai)，峭(qiao)度系數由3上升到6[圖(tu)(tu)(a)]，而此時峰值[圖(tu)(tu)(b)]和RMS值尚無明(ming)(ming)顯增大(da)。故障進一步明(ming)(ming)顯惡(e)化后(hou)，峰值、RMS值才(cai)有(you)所反映。

 

圖中虛線表示在不同轉速（800～2700r/min）和不同載荷(he)（0～11kN）下進行試(shi)驗時上述各值的(de)(de)變(bian)動范圍。很明顯，峭度(du)系數(shu)的(de)(de)變(bian)化(hua)范圍最(zui)小，約為士8%。軸承(cheng)的(de)(de)工(gong)作條件對(dui)它的(de)(de)影(ying)響最(zui)小，即可靠性及(ji)一致(zhi)性較高。

 

有統計資(zi)料表明(ming)，使用(yong)峭度系數和RMS值共同來(lai)監(jian)測，滾動軸(zhou)承振動情況，故障診斷成(cheng)功率可達到96％以上。

圖(tu)4 軸承疲勞(lao)試驗過程

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