滚动轴承的故障诊断方法研究

滚动轴承的故障诊断方法研究

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

滚动轴承是生产机械中的地位无可替代，当然也最易损坏的部件。其运行状态会直接影响整台机械工作效率、精度寿命和可靠性。滚动轴承的损坏会导致生产机械剧烈振动，并伴有强大噪声，不仅会影响产品的加工质量，严重时会导致生产机械的损坏或机械事故。随着电机的广泛应用及其自动化程度的不断提高，对其安全性、精度和故障诊断的准确性的要求也随之提高。传统的诊断方法不仅成本较高、准确率偏低，并且更新费用高，已然不能满足高科技设备的需求。基于以上原因，本文在虚拟仪器的环境下，利用多传感器信息融合技术，实现滚动轴承的故障诊断，会对现在和将来的生产技术提供强有力的帮助。

1.2国内外电机滚动轴承故障诊断的研究现状

近现代以来，国内和国外的研究机构及学者在电机滚动轴承故障诊断的理论、技术与方法等方面进行了大量的研究分析工作，发表了诸多研究成果。

在国外，美国南卡罗林娜大学运用振动响应的多参数多频率的方法，对具有裂纹的和损伤的故障轴承进行诊断，目前已经取得了良好的成果。美国宾州大学采用alpha beta -gamma跟踪滤波器和Kalman滤波器，对轴承故障的智能预示实现了完美成功。日本九州工业大学运用基因算法优化组合特征参数，成功诊断出工况滚动轴承微弱故障。意大利的Cassino大学，使用自谱技术对出现的轴承进行检测，判断故障轴承的初始问题，到目前为止也取得了有效的研究成果。国外的这些技术有我们值得借鉴的地方，去其糟粕取其精华，研究更有技术的故障轴承诊断系统。

在国内，当滚动轴承存在故障时，大都以振动检测为主，因为轴承故障后常伴随巨大的声响，以及明显的外观表现。国内的主要研究成果如下图所示。

主要人物 研究成果

王志刚、黄海鹰 以共振解调方法对电机振动信号进行处理，然后用提取故障特征值的方法对数电机滚动轴承进行诊断

何岭松 对振动信号进行包络提取，依据是数字滤波的方法。

武和雷 分析出了在强噪背景之下，运用自相关的办法；在小波包消除噪音的情况下，运用互相关的办法。 黄建新 用加速度传感器和声级计传感器，通过神经网络进行信息融合，对滚动轴承进行故障诊断

吉林工学院 提出监测系统和监测系统。监测系统：运用振动监测和温度监测进行在线的监测，省时省力，更能提前预支初始故障。监测系统：共振调节技术实时监测故障出现的位置和准确信息。

杨帆 在BP神经网络的基础上，运用加速度传感器和声级计传感器，获取振动信号和声音信号并融合在一起实现故障诊断。

分析国内外滚动轴承故障诊断的研究结果可知，因为单一传感器易受到外界干扰或自身故障等多个方面的原因，会对故障造成误判或错判，如:声级计传感器易受到噪声的干扰，不能准确、无失真的反映滚动轴承的真实信号，温度传感器由于易受到外界温度的干扰，也常会出现误判或者错判等等。调研及试验结果表明，滚动轴承出现故障时，最明显的特征是机床振动信号的变化，与此同时其电机的电流也会发生变化，且电流可以敏感的反映故障信息。所以，运用加速度传感器监测机床的振动信号、电流传感器监测电机的电流变化信号，并在智能信息处理技术上，通过多传感器信息融合，获取滚动轴承的故障信息，是较为简单且效的方法。

1.3本文的主要研究工作

本文在吸取前人研究成果的基础上，提出如下主要内容：

第一章介绍了本课题的研究目的和意义，国内外的研究现状，提出本文的主要研究工作。

第二章针对滚动轴承故障机理及失效方式进行阐述；探究了当轴承发生故障时，振动与其是何种关系，并且介绍了振动的几种分类。

第三章介绍基于振动信号的轴承故障诊断方法。主要介绍了基于振动信号的几种信号处理方法，包括时域分析法、频域分析法。本章对比两种方法的优缺点，并从实用性的角度对它们进行了分析。

第四章滚动轴承故障诊断系统设计。本章对系统的软硬件两部分进行了设计。硬件部分主要包含振动传感器、光电编码器的选型以及信号调理电路与数据采集装置的设计。软件方面包含基于DSP的信号采集与发送程序、LabVIEW开发环境简介基。

第五实验结果和分析。对实验对象、实验平台和实验步骤进行了详细的介绍；然后利用设计的轴承故障诊断系统对振动信号进行采集，并通过故障分析模块对振动信号进行了处理、分析。实验结果表明本文设计的轴承故障诊断系统可以有效的诊断轴承故障

第六章总结与展望。概述了全文的主要工作以及创新之处，介绍了该滚动轴承故障诊断系统所取得的效果，并列举了系统所存在的不足之处，对设计的系统可以改进之处进行了展望。 第2章 电机滚动轴承故障机理分析

2.1引言

滚动轴承在电机上的主流地位无可替代，作用更是不可小觑。然而，滚动轴承也是电机上最容易损坏的部件，所以对电机的滚动轴承进行故障机理分析是非常有必要的。滚动轴承在初始损坏阶段表现并不明显，不易被发觉，因此对滚动轴承进行实时监测是必须的。而当轴承发生明显的故障时，会发出巨大的声响，并且会破坏整台机械的运作，从而影响工作效率，更严重时会造成巨大的人身财产安全。综上所述，对滚动轴承故障机理进行分析研究大有必要。

2.2滚动轴承的典型结构

滚动轴承的典型结构如图2.1所示。内圈、外圈、滚动体和保持架是轴承最重要的四个组成部分。保持架将一定数目的滚动体按固定间隔均匀排列在内圈与外圈之间。滚动轴承运作时，大都通过机械压装或加热装配的方式将内圈装在转轴上随轴转动，外圈固定在轴承座上。

图2·1滚动轴承典型结构图

2.2滚动轴承的失效形式

电机滚动轴承在正常使用时，会出现各式各样的问题，例如：磨损、断裂...。引起轴承的故障振动的原因也有许多：润滑剂不及时给予、工人在安装时操作不当、侵入异物（水分、油脂、杂志等）、发生腐蚀、承载过重等等，为此我们有必要对其失效形式进行探究，下面将给出滚动轴承的主要损伤形式及原因: 损伤的外在表现 出现的外观表现 损伤的原因

磨损 1) 轴承缝隙的增加

2) 粗糙程度加大

3) 振动和噪声增大 1) 滚动体与套圈的滑动

2) 轴承侵入异物

3) 润滑不良会加剧磨损

疲劳剥落 1) 最初在表面产生细小裂纹

2) 逐步发展至轴承表面产生片

状或点坑状剥落

3）严重时轴承表层大片剥落 1）过度使用致使疲劳仍继续工作

2）不及时给予润滑剂

3）不适当位置的安装

断开和出现裂纹 断开不能继续使用；出现明显的裂纹影响机械寿命 1) 运行载荷过大、转速过高

2) 由于润滑不良或装配不善产生过大热应力

化学腐蚀 轴承表面局部或全部生锈 1）轴承密封不严

2）工作环境带有腐蚀性物质

电腐蚀 滚道上存在密集的电流凹坑

微震腐蚀 套圈表面产生红色或黑色锈斑

由表2.1可以看出，轴承在安装和运行的过程中会有各种各样的因素致使轴承发生故障。如若故障轴承不能及时地更换和维修，很快会损坏报废，造成极严重的后果。

2.3滚动轴承的故障诊断常用方法

轴承故障诊断的方法有很多,根据采样的状态信息性质不同，主要分为以下几类：

(1)振动检测法:当轴承元件的表面出现损伤时，轴承在运行工作中就会发生突变性的脉冲冲击信号,这时安装在轴承座上的振动传感器就会接收信号并分析，以以诊断轴承是否发生故障。对于磨损类故障，振动信号也与正常状态不同，所以此种方法对任何轴承类型和工作环境都适用，且采集信号方式简单、易于存储，诊断准确度高，因此有广阔的发展前景。

(2)温度分析法

(3)磨损颗粒分析法

(4)油膜电阻检测法

(5)声发射诊断技术

经分析得出，振动信号分析法的适用范围最广，且对各种故障形式都有良好的监测效果，所以本文采用振动信号分析法来分析诊断轴承故障。

2.3滚动轴承的故障机理

滚动轴承对于整个电机机械而言，至关重要，起着支撑部件的作用，它的结构主要包含四个方面：外圈、内圈、滚动体、保持架。

在工作运转状态下，电机的滚动轴承的振动有两类：一跟弹性有关；二跟滚动体表面状况有关。跟弹性有关的振动，与异常状态没有关系。而与表面状况有关的振动，则会体现轴承的故障情况转电机的滚动轴承在正常工作运动下，它的滚动体会在内圈与外圈之间来回滚动，然而当滚动体在正常工作时，假设滚动的表面有所损伤，那么滚动体在损伤表面继续工作的时候，会产生一种影响工作的力，叫做交变的激振力。因为损伤在滚动体表面并没有规则，没有形状，所以产生的激振力是跟频率有关的振动，其属于随机振动。由分析得出，当滚动表面损伤的时候，它的形态和轴的旋转的频率决定激振力的频率。轴承和外壳，它们的好坏直接影响了整个系统与其他部件之间的工作关联。总而言之，振动系统的最终振动是由二者共同决定。换个意思也就是说，当轴承异常运动时，它所产生的振动频率由整个轴的旋转频率、速度、损伤部分的形状、轴承与外壳和其它部件之间工作关联好坏共同决定。

众所周知，我们的汽车轮胎，它在运转过程中运转的速度越快，时间越长，损坏的也就越快，寿命也就越短。与此相似，当轴的旋转速度高的时候，损伤也就越严重，它的振动频率也就越高。轴承的尺寸越小，固有频率振动也就越高，所以当整个轴承发生不正常运作时，所有的轴承都没有一个特定的规律，没有一个现成的法则，即便是对待同一种类型的轴承，当发生故障或者是不异常状态时，也不会发生单一频率的振动。

2.4滚动轴承的振动类型

电机滚动轴承故障的特征频率

对于发生故障的轴承，故障位置的不同会影响故障特征频率的不同，所以通过分析轴承的故障特征频率，不仅能判断是否发生故障，还能分析故障发生的位置。求解滚动轴承故障特征频率涉及的参数如图2.4所示。图中D为轴承节径，d为滚动体的直径，sf为转轴的旋转频率，rf为滚动体的自转频率，cf为滚动体的公转频率。

图2.4滚动轴承故障特征参数

对于内圈随着转轴转动，然而外圈固定的轴承来说，如果滚动体与内轴之间只是单纯的接触，没有其他任何别的表现，则滚动体的公转频率为:

)cos1(2Ddffsc(2-1)

式中a为接触角，对于深沟球轴承来说，如果接触角为0°，则cosa=1。滚动体自转频率公式如下所示

srfCOSDddDf22)(12(2-2)

经分析得到，如果滚动体的个数为z,那么各个元器件故障特征频率公式如下所示

(1) 外圈：

COSDdzfzffsco12(2-3)

(2)内圈：

sscsifCOSDdzfffzf22)(12)((2-4)

(3)滚动体本身：

srbfCOSDddDff22)(12(2-5)

由上述公式可以得到，的轴承故障特征频率值的前提是理想状态，而在轴承实际工作中，因为轴承本身及运行状态不可能达到理想状态，内圈与外圈不可能存在单纯滚动，再加上测量仪器本身的误差,实测的故障特征频率就会与计算值存在偏差。

滚动轴承的固有振动

由上述公式可以得到，在电机滚动轴承正常工作运动状态下，滚动体和所接触的内圈和外圈之间不可能发生单纯的滚动，也会产生冲击，所以也会引发轴承各个元器件之间的振动，此振动是一种受压迫的振动，当它的振动频率和轴承各个元器件之间的固有频率一样的时候，振动就会更加剧烈。固有频率是元器件本身自己的特性，与元器件的材料形状质量等等有关系，而与轴的运转速度没有关系。