滾動軸承的振動測量與簡易診斷
概述

    旋轉機械是設備狀態監測與故障診斷工作的重點，而旋轉機械的故障有相當大比例與滾動軸承有關。滾動軸承是機器的易損件之一，據不完全統計，旋轉機械的故障約有30％是因滾動軸承引起的，由此可見滾動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。訓練有素的人員憑經驗能診斷出剛剛發生的疲勞剝落，有時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，在滾動軸承的狀態監測與故障診斷工作中又引入了各種測振儀，用振動位移、速度和加速度的均方根值或峰值來判斷軸承有無故障，這樣減少了監測人員對經驗的依賴性，提高了監測診斷的準確性，但仍很難在故障初期及時做出診斷。
    1966年，全球主要滾動軸承生產商之一，瑞典SKF公司在多年對軸承故障機理研究的基礎上發明了用沖擊脈沖儀（ShockPulseMeter）檢測軸承損傷，將滾動軸承的故障診斷水平提高了一個檔次。之后，幾十家公司相繼安裝了大批傳感器用于長期監測軸承的運轉情況，在航空飛機上也安裝了類似的檢測儀器。
    1976年，日本新日鐵株式會社研制了MCV系列機器檢測儀（MachineChecker），可分別在低頻、中頻和高頻段檢測軸承的異常信號。同時推出的還有油膜檢查儀，利用超聲波或高頻電流對軸承的潤滑狀態進行監測，探測油膜是否破裂，發生金屬間直接接觸。1976-1983年，日本精工公司（NSK）相繼研制出了NB系列軸承監測儀，利用1~15kHz范圍內的軸承振動信號測量其RMS值和峰值來檢測軸承故障。由于濾除了低頻干擾，靈敏度有所提高，其中有些型號的儀器儀表還具有報警、自動停機功能。
    隨著對滾動軸承的運動學、動力學的深入研究，對于軸承振動信號中的頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類型的關系有了比較清楚的了解，加之快速傅里葉變換技術的發展，開創了用頻域分析方法來檢測和診斷軸承故障的新領域。其中*具代表性的有對鋼球共振頻率的研究，對軸承圈自由共振頻率的研究，對滾動軸承振動和缺陷、尺寸不均勻及磨損之間關系的研究。1969年，H.L.Balderston根據滾動軸承的運動分析得出了滾動軸承的滾動體在內外滾道上的通過頻率和滾動體及保持架的旋轉頻率的計算公式，以上研究奠定了這方面的理論基礎。目前已有多種信號分析儀可供滾動軸承的故障診斷，美國恩泰克公司根據滾動軸承振動時域波形的沖擊情況推出的“波尖能量”法及相應儀器，對滾動軸承的故障診斷非常有效。還有多種信號分析處理技術用于滾動軸承的狀態監測與故障診斷，如頻率細化技術、倒頻譜、包絡線分析等。在信號預處理上也采用了各種濾波技術，如相干濾波、自適應濾波等，提高了診斷靈敏度。
    除了利用振動信號對軸承運行狀態進行診斷監測外，還發展了其他一些技術，如光纖維監測技術、油污染分析法（光譜測定法、磁性磁屑探測法和鐵譜分析法等）、聲發射法、電阻法等，本章將分別介紹這些內容。
由于滾動軸承的故障信號具有沖擊振動的特點，頻率極高，衰減較快，因此利用振動信號對其進行監測診斷時，除了參考前面已經介紹的旋轉機械、往復機械的振動測試方法以外，還應根據其振動特點，有針對性地采取一些措施和方法。
一、測點的選擇
    滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點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架。由于沖擊振動所含的頻率很高，每通過零件的界面傳遞一次，其能量損失約80％。因此，測量點應盡量靠近被測軸承的承載區，應盡量減少中間傳遞環節，探測點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故障檢測靈敏度的影響。在圖1(a)中，假如傳感器放在承載方向時為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，當止推軸承發生故障產生沖擊并向外散發球面波時，假如在軸承蓋正對故障處的讀數為100%，則在軸承座軸向的讀數降為5%（-19dB)。在圖1(c)和(d)中給出了傳感器安裝的正確位置和錯誤位置，較粗的弧線表示振動較強烈的部位，較細的弧線表示因振動波通過界面衰減導致振動減弱的情形。

圖1  傳感器位置對故障檢測靈敏度的影響

    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）三個方向上進行振動檢測，但由于設備構造、安裝條件的限制，或出于經濟方面的考慮，不可能在每個方向上都進行檢測，這時可選擇其中的兩個方向進行檢測。
二、傳感器的選擇與固定方式
    根據滾動軸承的結構特點，使用條件不同，它所引起的振動可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動（通過振動），也可能是頻率在1kHz以上，數千赫乃至數十千赫的高頻振動（固有振動），通常情況下是同時包含了上述兩種振動成分。因此，檢測滾動軸承振動速度和加速度信號時應同時覆蓋或分別覆蓋上述兩個頻帶，必要時可以采用濾波器取出需要的頻率成分。考慮到滾動軸承多用于中小型機械，其結構通常比較輕薄，因此，傳感器的尺寸和重量都應盡可能地小，以免對被測對象造成影響，改變其振動頻率和振幅大小。
    滾動軸承的振動屬于高頻振動，對于高頻振動的測量，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，而且定點性也好，對于衰減較大的高頻振動，可以避免每次測量的偏差，使數據具有可比性。
三、分析譜帶的選擇
    滾動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，采用不同的方法對軸承的故障做出診斷。
1．低頻段
    在滾動軸承的故障診斷中，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的特征譜線，做出判斷。由于在這個頻率范圍容易受到機械及電源干擾，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，故障檢測靈敏度差，目前已較少采用。
2．中頻段
   在滾動軸承的故障診斷中，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，以消除機械干擾；然后用信號的峰值、RMS值或峭度系數作為監測參數。許多簡易的軸承監測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構零件的共振頻率成分，用通帶內的信號總功率作為監測參數，濾波器的通帶截止頻率根據軸承類型及尺寸選擇，例如對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所得到衰減振動信號，對故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計（SPM）和美國開創的IFD法就是利用這個頻段。
四、滾動軸承的簡易診斷
    利用滾動軸承的振動信號分析故障診斷的方法可分為簡易診斷法和精密診斷法兩種。簡易診斷的目的是為了初步判斷被列為診斷對象的滾動軸承是否出現了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認為出現了故障的軸承的故障類別及原因。
1.滾動軸承故障的簡易標準
    在利用振動對滾動軸承進行簡易診斷的過程中，通常需要將測得的振值（峰值、有效值等）與預先給定的某種判定標準進行比較，根據實測的振值是否超出了標準給出的界限來判斷軸承是否出現了故障，以決定是否需要進一步進行精密診斷。因此，判定標準就顯得十分重要。
    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)**判定標準
    **判定標準是指用于判斷實測振值是否超限的**量值。
(2)相對判定標準
    相對判定標準是指對軸承的同一部位定期進行振動檢測，并按時間先后進行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準，根據實測振值與該基準振值之比來進行判斷的標準。
(3)類比判定標準
    類比判定標準是指對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進行振動檢測，并，將振值相互比較進行判斷的標準。
    需要注意的是，**判定標準是在標準和規范規定的檢測方法的基礎上制定的標準，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規定的方法進行振動檢測。適用于所有軸承的**判定標準是不存在的，因此一般都是兼用**判定標準、相對判定標準和類比判定標準，這樣才能獲得準確、可靠的診斷結果。
2.振動信號簡易診斷法
(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**值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。
    這是一種*簡單、*常用的診斷法，它是通過將實測的振幅值與判定標準中給定的值進行比較來診斷的。
    峰值反映的是某時刻振幅的*大值，因而它適用于像表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進行診斷。
    均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優點是檢測值較峰值穩定，但一般用于轉速較高的情況（如300r/min以上）。
    均方根值是對時間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。
    日本NSK公司生產NB系列軸承監測儀和新日鐵研制的MCV-21A型機械監測儀就是這類儀器。可以測量振動信號的峰值或峰值系數，有的還可以測量RMS值或**平均值。測量參數除加速度外，有的還包括振動速度和位移。
(2)波形因數診斷法
    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2    滾動軸承沖擊振動的波形因數

(3)波峰因數診斷法
    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，直至恢復到無故障時的大小。
(4)概率密度診斷法
    無故障滾動軸承振幅的概率密度曲線是典型的正態分布曲線；而一旦出現故障，則概率密度曲線可能出現偏斜或分散的現象，如圖3所示。
(5)峭度系數診斷法
    峭度（Kurtosis）β定義為歸一化的4階中心矩，即
    式中x—瞬時振幅；
        X—振幅均值；
        p（x）—概率密度；
        σ—標準差。
    振幅滿足正態分布規律的無故障軸承，其峭度值約為3。隨著故障的出現和發展，峭度值具有與波峰因數類似的變化趨勢。此方法的優點在于與軸承的轉速、尺寸和載荷無關，主要適用于點蝕類故障的診斷。

圖3   滾動軸承的損傷

    英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動軸承故障的監測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，可以測量峭度系數、加速度峰值和RMS值。圖4為使用該儀器監測同一軸承疲勞試驗的結果。試驗中第74h軸承發生了疲勞破壞，峭度系數由3上升到6［圖(a)］，而此時峰值［圖(b)]和RMS值尚無明顯增大。故障進一步明顯惡化后，峰值、RMS值才有所反映。
    圖中虛線表示在不同轉速（800～2700r/min)和不同載荷（0～11kN）下進行試驗時上述各值的變動范圍。很明顯，峭度系數的變化范圍*小，約為士8%。軸承的工作條件對它的影響*小，即可靠性及一致性較高。
    有統計資料表明，使用峭度系數和RMS值共同來監測，滾動軸承振動情況，故障診斷成功率可達到96％以上。

圖4  軸承疲勞試驗過程