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1、故障诊断滚动轴承读书报告机械故障诊断技术读书报告滚动轴承诊断案例分析综述Summary of Case Analysis of Rolling Bearing Diagnosis学院：机械与汽车工程学院专业：测控技术与仪器班级：13测控班姓名： 学号：13023150 指导教师：郑冬学年学期：20162017学年第一学期摘要随着科技的发展，现代工业的高速发展，工业设备的更新换代。工业正逐步向生产设备大型化、高速化、自动化方向发展，这使得生产率有了大幅度的提高，成本的降低，能源的节约，并且产品质量方面得到了极大的保证。但是，由于故障所引起的灾难性事故及其所造成的对生命与财产的损失和对环境的破坏等

2、也是很严重的。滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相联的转轴以及安装在转轴上的齿轮乃至整个机器设备的性能。因此，研究滚动轴承的失效机理，提出相应的预防和维护措施，对于降低设备的维修费用，延长设备维修周期，提高经济效益，保证设备的长期安全稳定运行，均有现实的意义。关键词：滚动轴承；故障诊断；监测方法；发展趋势AbstractWith the development of science and technology, the rapid development of modern industry, industrial upgrading of equipmen

3、t. The industry is gradually to large scale production equipment, high-speed, automation development direction, which makes the productivity has been greatly improved, reduced cost, energy saving, and the product quality is ensured. However, due to the catastrophic accident caused by the failure of

4、the cause of the loss of life and property and damage to the environment is very serious. The rolling bearing is the common component in the mechanical equipment, its performance and working condition directly affects the performance of shaft and connected and installed on the rotary shaft gear the

5、whole machine equipment. Therefore, the failure mechanism of rolling bearing, put forward the corresponding prevention and maintenance measures, to reduce the cost of equipment maintenance, prolong the period of equipment maintenance, improve economic efficiency, ensure the long-term safe and stable

6、 operation of equipment, has practical significance.Keywords：Rolling Bearing;Fault Diagnosis; Monitoring Method; Development Trend目 录1 机械故障诊断述12 滚动轴承的故障形式13 滚动轴承产生故障的原因24 滚动轴承故障诊断分析方法25 滚动轴承故障诊断案例分析25.1 123泵轴承的故障诊断分析35.2 压缩机轴承损伤45.3 风机滚动轴承故障6 5.4 煤气排送机故障105.5 旋转机械滚动轴承案例116 结 论13参考文献141 机械故障诊断概述随着科学技

7、术的不断发展与进步，工业设备逐渐趋向复杂，外型向大型化不断发展，系统逐渐实现自动化，这使得生产成本大大降低、生产效率不断提高、残品率有所下降、能源损耗相应减少。然而，设备运行过程中由机械故障而引发的事故，将会对人身安全和公司财产造成难以弥补的损失。因此，人们更加重视大型设备的可靠性和安全性。通过对机械系统运行状态进行监控和诊断，控制相应的机械系统，对损坏性事故进行警告并提供有效的补救措施信息是提升机械系统安全性和可靠性的重要途径。首先，必须正确了解故障设备的相应故障状态和故障位置。其次，信号处理、信息传感和测试计算技术的高速进步使得机械故障诊断成为了可能，从而产生了一门新的学科机械故障诊断。2

8、 滚动轴承的故障形式滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油变质等因素会加速轴承的损坏。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交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。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。（2）磨损失效由于滚道和滚动体的相对运动(包括滚动和滑动)和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更

9、会加剧表面磨损。磨损的结果使滚动轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了滚动轴承的运转精度，因而也降低了机器的整体运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械中所用的滚动轴承，往往就是因为磨损量限制了滚动轴承的寿命。此外，还有一种所谓的微振磨损。当滚动轴承本身不旋转而受到振动时，由于滚动体和滚道接触面间微小的，往复的相对滑动，因而导致微振磨损产生，其结果是在滚道上形成波纹状的磨痕。（3）塑性变形在工作负荷果重的情况下，滚动轴承受到过大的冲击载荷或者静载荷，或者因为热变形引起额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面形成凹痕或者划痕。这将使滚动轴承运转时产生剧烈的振动和噪声。而且，一旦产

10、生上述凹痕，由此所引起的冲击载荷可能还会进一步引起附近表面的剥落。（4）腐蚀失效腐蚀也是滚动轴承的常见故障之一。当水分直接侵入滚动轴承时就会引起滚动轴承腐蚀，另一方面，当滚动轴承停止工作时，滚动轴承温度下降达到零点，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承的表面上也会引起腐蚀。此外当滚动轴承内部有电流通过时，在滚道和滚动体之间的接触点处，电流通过很薄的油膜引起火花，使表面局部熔融，在表面上形成波纹状的凹凸不平。高精度的滚动轴承往往由于表面腐蚀，丧失精度而不能继续工作。（5）断裂当载荷超过滚动轴承或者滚动体的强度极限时会引起滚动轴承零件的破裂。此外，由于磨削加工、热处理或者装配时引起的残余应力、工作时的

11、热应力过大等也都有可能造成滚动轴承零件的断裂。（6）胶合所谓胶合是指一个表面的金属粘附到另一表面的现象。在润滑不良，高速重载的情况下，由于摩擦发热，滚动轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面损伤及损坏。3 滚动轴承产生故障的原因滚动轴承在实际的应用过程当中，由于不同的使用环境和工作条件，滚动轴承会发生如下异常现象：疲劳剥落、裂纹或断裂、压痕、磨损、电流腐蚀、锈蚀和保持架损坏等。以上异常现象引发的原因有：异物坠入造成的损伤、润滑不良造成的损伤、内外环倾斜造成的损伤、保持架受载引起的损伤、异常推力载荷引起的损伤、装配不良造成的损伤、微小真正造成的损伤和电蚀造成的损伤等等。4 滚动轴

12、承故障诊断分析方法振动信号分析方法包括简易诊断法、冲击脉冲法（SPM法）、共振解调法（IFD法）。振动诊断是检测诊断的重要工具之一。（1）常用的简易诊断法有：振幅值诊断法，反应的是某时刻振幅的最大值，适用于表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断；波峰因素诊断法，表示的是峰值和均方根值之比，适用于点蚀情况下的诊断；概率密度诊断法，通过概率密度曲线进行故障判断，一般作为故障的定性分析；峭度系数诊断法具有与波峰类似的变化趋势，它的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，但缺乏早期报警能力，在故障严重时会失去诊断能力，适用于点蚀故障诊断。（2）冲击脉冲法(SPM)是在滚动轴承运转中，当滚动体接触到内外

13、道面的缺陷区时会产生低频冲击作用，所产生的冲击脉冲信号会激起SPM传感器的共振，共振波形一般为20 kHz一60 kHz,包含了低频冲击和随机干扰的幅值调制波，经过窄带滤波器和脉冲形成电路后，得到包含有高频和低频的脉冲序列。但这种固定中心频率和带宽的方法也有其局限性，因为滚动轴承局部损伤故障所激起的结构共振频率并不是固定不变的。在实际使用中，当背景噪声很强或有其他冲击源时，SPM诊断效果很差，失去了实际意义。（3）共振解调技术，亦称为包络检波技术。它是对低频(通常是数千Hz以内)的冲击所激起的高频(数十倍于冲击频率的)共振波形进行包络检波和低通滤波，即解调，以获得一个对应于低频冲击的、而又放大

14、并展宽了的共振解调波。共振解调法诊断滚动轴承故障的基本原理可以完整地概述为：当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与其相互作用的其它的元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、传感器甚至附加的谐振器(可以是机械式的，也可以是电的)等的固有频率而激起这个测试系统的高频固有振动。根据实际情况，可选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于轴承外圈或传感器等的谐振频率的带通滤波器对测取的轴承振动信号进行带通滤波。然后，通过包络检波器进行检波，除去高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析，在频谱图上即可

15、找出特征频率分量和对应的故障元件。5 滚动轴承故障诊断案例分析5.1 123泵轴承的故障诊断分析（1）故障情况大庆石化公司腈纶厂系统车间有盐水输送泵8台，属离心式双吸泵，功率较大，是腈纶厂设备中长期运行，重要的生产设备。位号123泵由于长期运行，振动值较大，所以在不影响生产情况下让123泵备用。2004年9月l0日，由于生产需要，要求123泵投人生产，在开启运行中，发现其振动值较大，继续运行可能发生事故，于是对其振动进行测量并采集频谱对其进行故障诊断。（2）故障分析123泵主要参数见表1-1，123泵测点位置图如图1-1所示。对其现场测量振动值见表1-2所示。通过现场测量数据，发现泵后轴承的轴

16、向振动值超标，振动较大，并且杂声较大。对其进行频谱采集，时域谱和幅值谱图如图1-2、图1-3所示。表 1-1 123泵主要参数监测日期20040901装置名称系统设备位号123设备名称盐水输送泵监测标准0.71 cm/s电动机功率135 kw电动机转速1480 r/min工频24.66 Hz表 1-2 现场测量振动值（ cm/s）泵前轴承泵后轴承垂直水平轴向垂直水平轴向0.380.50-0.560.540.95图 1-1 123泵测点位置图图 1-2 泵后轴承轴向时域波形图图 1-3 泵后轴承轴向速度频域图（3）故障结论通过泵后轴承轴向时域波形图，可明显地看到冲击信号的存在，峭度指标达到3.5

17、9，并且频谱图中大量高次谐波的存在，说明轴承可能已经存在问题。该泵轴承型号为63ll，在1480 rmin转速下根据轴承参数，得到的轴承元件的故障特征频率是：内环121.93 Hz；外环75.38 Hz；保持架9.42 Hz；滚动体98.74 Hz。泵后轴承的轴向频谱，出现了390I-Iz明显的频率信号，其次为415 Hz和510 Hz。由下式可得：n z fi + f=3 x 121.93+24.66=390.45 Hz接近于390 Hz，伴有415 Hz和510 Hz的2、3次谐波，所以诊断为轴承内圈可能发生点蚀或偏心。维修车间对该泵进行了拆卸检修，更换泵的后轴承，检查后轴承损坏情况，发现

18、故障原因为轴承内环点蚀严重。5.2 压缩机轴承损伤（1）故障情况某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转速1480 r/min，其中，3号机噪音特别响（图2-1）。用测振仪测得振动加速度值如表2-1。表 2-1 三台压缩机振动加速度数据平均值（G）峰值（G）HHHHHH1号机1.31.91.85.18.812187.3132号机0.581.00.671.83.32.73号机超4.42.21.8超40168.713图 2-1 压缩机及测点示意图1电机；2阴螺杆；3阳螺杆（2）故障诊断由表2-1可知，3号机测点处振动大，比1号机和2号机相同部位大得多，初步估计测点处轴承有问题。对测点振动波形的包络

19、信号作功率谱分析（图2-2），分析频率500 Hz，400谱线功率谱。计算该测点轴承特征频率（R=1480 r/min，D=122.5 mm，d=22 mm，N=11，=10）为：外滚道：108.75 Hz；内滚道：162.8 Hz；保持架：9.9 Hz；滚 子：48.8 Hz。对照频谱可知，108.75 Hz是轴承外滚道上有一点损伤时的振动频率，它的2、3、4倍频分别为217.5 Hz、326 Hz、435 Hz。另外，188.75 Hz是内滚道有一点损伤时的振动频率与转轴频率之和。作为对比，2号机H处频谱（图2-3）上几乎没有较大峰值。由此，诊断结论为：3号机测点处轴承有严重损伤，没尽快检

20、修。图3-25 3号机H振动频谱图3-26 2号机H振动频谱（3）故障结论五天后拆开检修，发现该轴承外滚道、内滚道、钢球均已大面积剥落，损伤已达非常危险的程度。本例证明，在同一轴承上有多个同类故障（内滚道、外滚道、滚子、齿上）时，除位于其特征频率处有峰外，还在特征频率的n倍频成分（n为正整数）处有较大峰值。它表明损伤程度比只有一处损伤时严重得多。5.3 风机滚动轴承故障（1）故障情况2013年2月17日技术人员对焦化某风机进行状态监测，发现该设备振动数值超标。该风机由电机直接驱动风机，风机支撑方式为悬臂式，轴承箱型号：Y4-73-01NO23F；轴承型号：22320C；电机型号：Y2-250M

21、-4，55 kW；额定转速：1487 r/min；设备组成及测点分布图如图3-1所示。图 3-1 焦化风机测点分布图1.电机自由端；2.电机负荷端；3.风机负荷端；4.风机自由端（2）故障分析故障分析中需分析轴承特征频率。所谓特征频率就是轴承的滚动体和滚道接触处碰到一个局部缺陷时会产生一个冲击脉冲，当缺陷在不同的元件上，接触点通过缺陷时而产生的冲击脉冲频率。 2013年2月17日对该设备进行数据采集，从回收振动数据来看(见表3-1)，风机轴向(A)、垂直方向(V)振动幅值较大，水平方向(H)振动幅值相对较小；电机自由端(1号点)及负荷端(2号点)振幅较为稳定，初步断定故障点在风机侧，接下来通过

22、频谱图进行进一步诊断。表 3-1 各测点振动幅值测点测量值/（mm/s）采集时间电机1A速度2.81872013-2-17 11:46电机1H速度1.05582013-2-17 11:47电机1V速度1.32472013-2-17 11:47风机3A速度5.11272013-2-17 11:49风机3H速度2.66932013-2-17 11:50风机3V速度3.94422013-2-17 11:50电机2A速度2.96812013-2-17 11:48电机2H速度1.35462013-2-17 11:48电机2V速度1.91242013-2-17 11:49风机4A速度3.58572013-

23、2-17 11:51风机4H速度2.30082013-2-17 11:51风机4V速度7.32013-2-17 11:52通过图3-2、图3-3及图3-4的不同测点频谱图可以看出，3号点轴向和4号点垂直方向，速度频谱图中都存在 152.5 Hz的故障频率，同时在图4中有明显的高频堆，通过对风机轴承(轴承型号22320C)特征频率进行计算，152.5 Hz 为风机轴承外圈的特征频率，如图5所示。因此最终判断为风机轴承故障，建议对风机进行停机检修，检查轴承及轴承室配合及磨损情况。图 3-2 3号测点频谱图(速度)图 3-3 4号测点频谱图(速度)图 3-4 4号测点频谱图(加速度)图 3-5 轴承

24、特征频率计算示意图（3）故障结论2月26日检修解体后发现，轴承存在跑外圈现象，通过测量发现轴承外圈与轴承室配合间隙为0.15 mm，为保证正常生产，临时添加铜皮，使轴承与轴承室配合保持0.030.05 mm的过盈量。检修后2月27日再次监测，振动幅值有明显下降，尤其是在风机4V测点最为明显，从7.3 mm/s下降至2.6 mm/s，基本满足设备正常运行条件，但是频率瀑布图中依然能看到轴承故障频率152.5 Hz。故建议生产方对轴承座进行冷焊加工处理或更换风机轴承箱。（4）解决措施3月13日对风机轴承座进行整体更换，并用压铅丝法确认，轴承与轴承室过盈量为0.03 mm。检修结束后监测发现，振动幅

25、值下降至0.6 mm/s，处于正常范围内，同时在3月14日的监测中已看不到轴承故障频率(见图3-6)，高频堆消失(见图3-7)。检修处理效果十分明显。图 3-6 检修前/后瀑布图图 3-7 检修前/后高频瀑布图 5.4 煤气排送机故障（1）故障情况某厂煤气排送机由电机带动（图4-1），监测中发现风机振动超标。图 4-1 风机示意图（2）诊断对风机两端振动进行频谱分析（图4-2），发现振动峰值频率为50.8 Hz，停机两天后重新开动时，上述峰值更大。其他峰值还有：238.2 Hz，1425 Hz，2148 Hz，2382 Hz。据此，分析如下：50.80 Hz峰值产生原因频谱分析仪的分析频率设置

26、为01 kHz，频率分辨率为3.9 Hz，因此，中心频率50.8 Hz的实际频率范围为48.852.7 Hz。根据计算，叶轮旋转频率fo=49.5 Hz，故知50.8 Hz正是叶轮旋转频。此处峰值突出，可能因为转子不平衡或风机与电机的同轴度不好。但因249.5 Hz峰值不大，又无较大的轴向振动，可排除不对中的可能。所以诊断为风机转子不平衡。停机两天后峰值加大可能由于无煤气通过时温度下降，煤焦油凝固在原本就不平衡的转子偏重一侧所致。 238.2 Hz等峰值产生原因238.2 Hz的实际频率范围是236.2240.2 Hz，根据计算，风机轴承外滚道特征频率为235.97 Hz，由于轴承尺寸频率测算

27、和振动测试都有一定误差，可以断定238.2 Hz峰值表明轴承外滚道有缺陷。又因238.26=1429，238.29=2143.8，238.210=2382，表明外滚道损伤比较严重，同类缺陷增多。图 4-2 风机的振动频谱（3）故障结论拆修时发现叶片上有煤焦油凝固，证实风机转子存在不平衡；发现风机轴承外滚道确实存在较严重缺陷，其中一个轴承一侧出现剥离，另一侧出现10个凹坑。滚动体出现麻点，保持架已经断裂。可以设想，外圈出现一个凹坑，产生238.2 Hz峰值，随着时间延长，凹坑使滚动体产生点蚀（麻点），这又加剧了滚子与保持架摩擦，造成保持架断裂。外滚道凹坑的增多，使出现了1425 Hz、2148

28、Hz及2382 Hz等峰值。5.5 旋转机械滚动轴承案例（1）故障情况邹县发电厂于2002年1月正式利用 CSI诊断仪对重要辅机进行离线检测，先后发现不同设备的早期故障，其中1号炉柄排粉机的诊断案例克分证明了新技术在邹县发电厂状态检修中的作用。（2）故障分析1号炉丙排粉机早期故障的发现和分析。邹县发电厂1号炉丙排粉机是单级离心式风机，型号M5361JM02102D，流量13685 Km3/ H，全压13.043 KPa，转速1485 rmin，介质为浓度小于10的煤粉气流，介质温度70100摄氏度。配用1台高压交流电动机。功率850 KW。风机为悬臂转子，同侧双支撑结构，2组支撑轴承布置在同一

29、个轴承箱体内，46号机械油润滑，轴承箱体内通有工业水对轴承进行冷却。风机侧为2个并列放置的单列向心短圆柱滚子轴承。风机整体结构见图5-l。图 5-1 风机结构l号炉大修前，诊断中心定期对设备进行检测，通过对采集的数据进行分析，发现1号炉丙排粉机叶轮侧轴承存在隐患。通过1号炉丙排粉机叶轮侧轴承水平方向振动频谱图分析各振动尖峰值，发现该处轴承外圈故障频率(BPFO)及其倍频出现，说明轴承外幽出现了故障现象。同时，倍频两侧均分布有1X转速频率的边带，说明轴承外圈故障已严莺到一定程度。图5-2为1号炉丙排粉机叶轮侧轴承水平方向振动频谱图。该部位轴承为日奉NSK轴承，型号Nu334。对照轴承手册可知相当于SKFNu334