滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測(cè)量與簡(jiǎn)易診斷
概述

    旋轉(zhuǎn)機(jī)械是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作的重點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有相當(dāng)大比例與滾動(dòng)軸承有關(guān)。滾動(dòng)軸承是機(jī)器的易損件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30％是因滾動(dòng)軸承引起的，由此可見滾動(dòng)軸承故障診斷工作的重要性。
    *初的軸承故障診斷是利用聽棒，靠聽覺來判斷。這種方法至今仍在沿用，其中的一部分已改進(jìn)為電子聽診器，例如用電子聽診器來檢查、判斷軸承的疲勞損傷。訓(xùn)練有素的人員憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)茉\斷出剛剛發(fā)生的疲勞剝落，有時(shí)甚至能辨別出損傷的位置，但畢竟影響因素較多，可靠性較差。
    繼聽棒、電子聽診器之后，在滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作中又引入了各種測(cè)振儀，用振動(dòng)位移、速度和加速度的均方根值或峰值來判斷軸承有無故障，這樣減少了監(jiān)測(cè)人員對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性，提高了監(jiān)測(cè)診斷的準(zhǔn)確性，但仍很難在故障初期及時(shí)做出診斷。
    1966年，全球主要滾動(dòng)軸承生產(chǎn)商之一，瑞典SKF公司在多年對(duì)軸承故障機(jī)理研究的基礎(chǔ)上發(fā)明了用沖擊脈沖儀（ShockPulseMeter）檢測(cè)軸承損傷，將滾動(dòng)軸承的故障診斷水平提高了一個(gè)檔次。之后，幾十家公司相繼安裝了大批傳感器用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在航空飛機(jī)上也安裝了類似的檢測(cè)儀器。
    1976年，日本新日鐵株式會(huì)社研制了MCV系列機(jī)器檢測(cè)儀（MachineChecker），可分別在低頻、中頻和高頻段檢測(cè)軸承的異常信號(hào)。同時(shí)推出的還有油膜檢查儀，利用超聲波或高頻電流對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)油膜是否破裂，發(fā)生金屬間直接接觸。1976-1983年，日本精工公司（NSK）相繼研制出了NB系列軸承監(jiān)測(cè)儀，利用1~15kHz范圍內(nèi)的軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)量其RMS值和峰值來檢測(cè)軸承故障。由于濾除了低頻干擾，靈敏度有所提高，其中有些型號(hào)的儀器儀表還具有報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)功能。
    隨著對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深入研究，對(duì)于軸承振動(dòng)信號(hào)中的頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類型的關(guān)系有了比較清楚的了解，加之快速傅里葉變換技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了用頻域分析方法來檢測(cè)和診斷軸承故障的新領(lǐng)域。其中*具代表性的有對(duì)鋼球共振頻率的研究，對(duì)軸承圈自由共振頻率的研究，對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)和缺陷、尺寸不均勻及磨損之間關(guān)系的研究。1969年，H.L.Balderston根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)分析得出了滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在內(nèi)外滾道上的通過頻率和滾動(dòng)體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，以上研究奠定了這方面的理論基礎(chǔ)。目前已有多種信號(hào)分析儀可供滾動(dòng)軸承的故障診斷，美國(guó)恩泰克公司根據(jù)滾動(dòng)軸承振動(dòng)時(shí)域波形的沖擊情況推出的“波尖能量”法及相應(yīng)儀器，對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷非常有效。還有多種信號(hào)分析處理技術(shù)用于滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，如頻率細(xì)化技術(shù)、倒頻譜、包絡(luò)線分析等。在信號(hào)預(yù)處理上也采用了各種濾波技術(shù)，如相干濾波、自適應(yīng)濾波等，提高了診斷靈敏度。
    除了利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷監(jiān)測(cè)外，還發(fā)展了其他一些技術(shù)，如光纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)、油污染分析法（光譜測(cè)定法、磁性磁屑探測(cè)法和鐵譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等，本章將分別介紹這些內(nèi)容。
由于滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)具有沖擊振動(dòng)的特點(diǎn)，頻率極高，衰減較快，因此利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷時(shí)，除了參考前面已經(jīng)介紹的旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)測(cè)試方法以外，還應(yīng)根據(jù)其振動(dòng)特點(diǎn)，有針對(duì)性地采取一些措施和方法。
一、測(cè)點(diǎn)的選擇
    滾動(dòng)軸承因故障引起的沖擊振動(dòng)由沖擊點(diǎn)以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件、軸承座傳到箱體或機(jī)架。由于沖擊振動(dòng)所含的頻率很高，每通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80％。因此，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被測(cè)軸承的承載區(qū)，應(yīng)盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測(cè)點(diǎn)離軸承外圈的距離越近越直接越好。
    圖1表示了傳感器位置對(duì)故障檢測(cè)靈敏度的影響。在圖1(a)中，假如傳感器放在承載方向時(shí)為100%，則在承載方向士45°方向上降為95％（-5dB），在軸向則降為22%-25%（-12～13dB）。在圖1(b)中，當(dāng)止推軸承發(fā)生故障產(chǎn)生沖擊并向外散發(fā)球面波時(shí)，假如在軸承蓋正對(duì)故障處的讀數(shù)為100%，則在軸承座軸向的讀數(shù)降為5%（-19dB)。在圖1(c)和(d)中給出了傳感器安裝的正確位置和錯(cuò)誤位置，較粗的弧線表示振動(dòng)較強(qiáng)烈的部位，較細(xì)的弧線表示因振動(dòng)波通過界面衰減導(dǎo)致振動(dòng)減弱的情形。

圖1  傳感器位置對(duì)故障檢測(cè)靈敏度的影響

    由于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)在不同方向上反映出不同的特性，因此應(yīng)盡量考慮在水平（x）、垂直（y）和軸向（z）三個(gè)方向上進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，但由于設(shè)備構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能在每個(gè)方向上都進(jìn)行檢測(cè)，這時(shí)可選擇其中的兩個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。
二、傳感器的選擇與固定方式
    根據(jù)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用條件不同，它所引起的振動(dòng)可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動(dòng)（通過振動(dòng)），也可能是頻率在1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動(dòng)（固有振動(dòng)），通常情況下是同時(shí)包含了上述兩種振動(dòng)成分。因此，檢測(cè)滾動(dòng)軸承振動(dòng)速度和加速度信號(hào)時(shí)應(yīng)同時(shí)覆蓋或分別覆蓋上述兩個(gè)頻帶，必要時(shí)可以采用濾波器取出需要的頻率成分。考慮到滾動(dòng)軸承多用于中小型機(jī)械，其結(jié)構(gòu)通常比較輕薄，因此，傳感器的尺寸和重量都應(yīng)盡可能地小，以免對(duì)被測(cè)對(duì)象造成影響，改變其振動(dòng)頻率和振幅大小。
    滾動(dòng)軸承的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，對(duì)于高頻振動(dòng)的測(cè)量，傳感器的固定采用手持式方法顯然不合適，一般也不推薦磁性座固定，建議采用鋼制螺栓固定，這樣不僅諧振頻率高，可以滿足要求，而且定點(diǎn)性也好，對(duì)于衰減較大的高頻振動(dòng)，可以避免每次測(cè)量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。
三、分析譜帶的選擇
    滾動(dòng)軸承的故障特征在不同頻帶上都有反映???因此，可以利用不同的頻帶，采用不同的方法對(duì)軸承的故障做出診斷。
1．低頻段
    在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，低頻率段指1kHz以下的頻率范圍。
    一般可以采用低通濾波器（例如截止頻率fb≤1kHz）濾去高頻成分后再作頻譜分析。由于軸承的故障特征頻率（通過頻率）通常都在1kHz以下，此法可直接觀察頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線，做出判斷。由于在這個(gè)頻率范圍容易受到機(jī)械及電源干擾，并且在故障初期反映故障的頻率成分在低頻段的能量很小，因此，信噪比低，故障檢測(cè)靈敏度差，目前已較少采用。
2．中頻段
   在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，中頻段指1～20kHz頻率范圍。同樣，利用該頻率時(shí)也可以使用濾波器。
(1)高通濾波器
    使用截止頻率為1kHz的高通濾波器濾去1kHz以下的低頻成分，以消除機(jī)械干擾；然后用信號(hào)的峰值、RMS值或峭度系數(shù)作為監(jiān)測(cè)參數(shù)。許多簡(jiǎn)易的軸承監(jiān)測(cè)儀器儀表都采用這種方式。
(2)帶通濾波器
    使用帶通濾波器提取軸承零件或結(jié)構(gòu)零件的共振頻率成分，用通帶內(nèi)的信號(hào)總功率作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，濾波器的通帶截止頻率根據(jù)軸承類型及尺寸選擇，例如對(duì)309球軸承，通帶中心頻率為  2.2kHz左右，帶寬可選為1～2kHz。
3．高頻段
    在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，高頻率段指20～80kHz頻率范圍。
    由于軸承故障引起的沖擊有很大部分沖擊能量分布在高頻段，如果采用合適的加速度傳感器和固定方式保證傳感器較高的諧振頻率，利用傳感器的諧振或電路的諧振增強(qiáng)所得到衰減振動(dòng)信號(hào)，對(duì)故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計(jì)（SPM）和美國(guó)開創(chuàng)的IFD法就是利用這個(gè)頻段。
四、滾動(dòng)軸承的簡(jiǎn)易診斷
    利用滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)分析故障診斷的方法可分為簡(jiǎn)易診斷法和精密診斷法兩種。簡(jiǎn)易診斷的目的是為了初步判斷被列為診斷對(duì)象的滾動(dòng)軸承是否出現(xiàn)了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡(jiǎn)易診斷中被認(rèn)為出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。
1.滾動(dòng)軸承故障的簡(jiǎn)易標(biāo)準(zhǔn)
    在利用振動(dòng)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行簡(jiǎn)易診斷的過程中，通常需要將測(cè)得的振值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)測(cè)的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。因此，判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分重要。
    用于滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下三種。
(1)**判定標(biāo)準(zhǔn)
    **判定標(biāo)準(zhǔn)是指用于判斷實(shí)測(cè)振值是否超限的**量值。
(2)相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)
    相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)軸承的同一部位定期進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，并按時(shí)間先后進(jìn)行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測(cè)振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。
(3)類比判定標(biāo)準(zhǔn)
    類比判定標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)若干同一型號(hào)的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，并，將振值相互比較進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。
    需要注意的是，**判定標(biāo)準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。適用于所有軸承的**判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因此一般都是兼用**判定標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。
2.振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)易診斷法
(1)振幅值診斷法
    這里所說的振幅值指峰值XP、均值X（對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)為半個(gè)周期內(nèi)的平均值，對(duì)于軸承沖擊振動(dòng)為經(jīng)**值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。
    這是一種*簡(jiǎn)單、*常用的診斷法，它是通過將實(shí)測(cè)的振幅值與判定標(biāo)準(zhǔn)中給定的值進(jìn)行比較來診斷的。
    峰值反映的是某時(shí)刻振幅的*大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障診斷。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。
    均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r/min以上）。
    均方根值是對(duì)時(shí)間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時(shí)間緩慢變化的故障診斷。
    日本NSK公司生產(chǎn)NB系列軸承監(jiān)測(cè)儀和新日鐵研制的MCV-21A型機(jī)械監(jiān)測(cè)儀就是這類儀器?？梢詼y(cè)量振動(dòng)信號(hào)的峰值或峰值系數(shù)，有的還可以測(cè)量RMS值或**平均值。測(cè)量參數(shù)除加速度外，有的還包括振動(dòng)速度和位移。
(2)波形因數(shù)診斷法
    波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（XP/X）。該值也是用于滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)易診斷的有效指標(biāo)之一。如圖2所示，當(dāng)XP/X值過大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕；而XP/X小時(shí)，則有可能發(fā)生了磨損。

圖2    滾動(dòng)軸承沖擊振動(dòng)的波形因數(shù)

(3)波峰因數(shù)診斷法
    波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（XP/Xrms)。該值用于滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)易診斷的優(yōu)點(diǎn)在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)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(diǎn)蝕類故障的診斷。通過對(duì)XP/Xrms值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢(shì)。當(dāng)滾動(dòng)軸承無故障時(shí)，XP/Xrms，為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，振動(dòng)峰值明顯增大，但此時(shí)均方根值尚無明顯的增大，故XP/Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時(shí)的大小。
(4)概率密度診斷法
    無故障滾動(dòng)軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖3所示。
(5)峭度系數(shù)診斷法
    峭度（Kurtosis）β定義為歸一化的4階中心矩，即
    式中x—瞬時(shí)振幅；
        X—振幅均值；
        p（x）—概率密度；
        σ—標(biāo)準(zhǔn)差。
    振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度值約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度值具有與波峰因數(shù)類似的變化趨勢(shì)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。

圖3   滾動(dòng)軸承的損傷

    英國(guó)鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測(cè)診斷方面取得了很好的效果。利用快裝接頭，儀器的加速度傳感器探頭直接接觸軸承外圈，可以測(cè)量峭度系數(shù)、加速度峰值和RMS值。圖4為使用該儀器監(jiān)測(cè)同一軸承疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)中第74h軸承發(fā)生了疲勞破壞，峭度系數(shù)由3上升到6［圖(a)］，而此時(shí)峰值［圖(b)]和RMS值尚無明顯增大。故障進(jìn)一步明顯惡化后，峰值、RMS值才有所反映。
    圖中虛線表示在不同轉(zhuǎn)速（800～2700r/min)和不同載荷（0～11kN）下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)上述各值的變動(dòng)范圍。很明顯，峭度系數(shù)的變化范圍*小，約為士8%。軸承的工作條件對(duì)它的影響*小，即可靠性及一致性較高。
    有統(tǒng)計(jì)資料表明，使用峭度系數(shù)和RMS值共同來監(jiān)測(cè)，滾動(dòng)軸承振動(dòng)情況，故障診斷成功率可達(dá)到96％以上。

圖4  軸承疲勞試驗(yàn)過程