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滾動軸承其他診斷方法

 滾動軸承故障診斷的方法很多，除了前面介紹的對振動信號進行分析診斷外，以下再介紹幾種其他監測診斷方法。
一、光纖維監測診斷法
    精密軸承對軸的回轉精度要求極高，如果回轉運動誤差過大系統就無法正常運轉，即認為出現了故障，而此時振動信號并不一定很強。由于振動監測法是在軸承座、軸承蓋或機器外殼表面拾取信號，這樣故障診斷的靈敏度就受到了限制。最好的方法是直接監測回轉軸心位置的變化，但這樣做傳感器安裝難度很大，儀器也較復雜。
    有一種替代的方法是監測軸承外圈上一點相對于軸承座的位移。即使是高精度軸承，在載荷作用下轉動時，軸承外圈也會發生接近于簡諧變化的彈性變形。對精度降低或有故障的軸承（如滾動體尺寸不均勻、滾道精度喪失、表面粗糙度增大等），外圈上的徑向變形幅度將會進一步增大，如能測得外圈表面的變形，就能夠對軸承狀態加以判斷。渦流傳感器和光纖傳感器都能夠測量這種變形，但后者徑向尺寸小很多，靈敏度較高。
1．光纖傳感器的原理
    光纖位移傳感器的構造如圖1所示，它由多根光導纖維組成，可分為發送光纖束和接收光纖束兩種。兩束光纖在橫截面中的分布方式有多種，在圖1（a）中為隨機分布，圖1（b）中為相間分布，圖1（c）中則為圓環形分布。在這三種分布中，圓環形分布最常用，等間隔分布最靈敏，但制造最困難。
    光纖位移傳感器的安裝方式如圖2所示。

            

圖1  光纖傳感器的橫截面形式           圖2  光纖傳器的安裝方法

    光纖傳感器的基本原理如圖3（a）所示。光線由發射光纖束射出，在端口有一發散角形成發送光錐。光線從軸承表面反射回來，再由接收光纖束接收。它所能接收到的光線被限制在一個錐面內，此錐面稱為反射光錐。被接收的光線被光電元件轉換為電壓輸出。間隙d改變時，發送光錐照射在軸承外圈表面上的面積隨之改變，接收光纖束所接收到的光線強度也隨之改變。光纖傳感器輸出電壓一間隙特性曲線如圖3 （b）所示。特性曲線開始有一段較陡的線性區（靈敏度較高），這是因為當間隙d從零開始增加時，發送光錐在軸承表面上照射面積迅速增大，接收光纖束所接收的光量不斷增大，直到達到峰值。此后，若間隙進一步增大時，接收光纖束所接收的光量反而減少，它與間隙的平方成反比。在特性曲線的后段呈緩慢下降的趨勢，靈敏度較低、線性差。

圖3  光纖式位移傳感器的原理及特性曲線
         1—光送光纖束；2—接收光纖束；3—發送光維；4—反射光錐；5—軸承表面

采用光纖監測技術進行滾動軸承故障診斷具有以下優點。
    （1）光纖位移傳感器具有較高的靈敏度（可達50mV /μm），且外形細長，便于安裝。
    （2）可以減少或消除振動傳遞傳遞過程中噪聲的侵入和信號的衰減影響，從而提高信噪比。
    （3）可以直接反映滾動軸承的制造質量、工作表面磨損情況、載荷、潤滑和間隙的情況，反映直觀明確。
2．故障診斷指標
    采用光纖監測技術進行滾動軸承故障診斷的指標主要包括有效值、峰值有效值比、軸承速率比等。
    （1）有效值φx
    軸承由于其制造缺陷，如表面粗糙度、波紋度和圓度誤差等，會形成不規則的輪廓，運行時就會產生振動。這一振動由光纖傳感器接收后，即可得圖4所示的φx脈動波形。

圖4  均方根幅值的變化反映軸承制造質量的不同

圖5  滾動軸承的BSR值 

    圖4（a）為一個接近理想的高精度電動機軸承形成的波形，其套圈的彈性變形接近簡諧波形，其波數等于通過測點的鋼球數目；圖4 （b）為精度級最低的軸承形成的復雜波形，這種軸承不但表面粗糙度大，幾何形狀誤差大，而且鋼球直徑也有明顯不同。由此可見，可用光纖傳感器直接檢測在用軸承的質量，這是一種簡單而有效的測試方法。
    （2）峰值有效值比XP/φx）,
    對于經過一段時間運行的滾動軸承，其工作表面會由于磨損而變得粗糙。雖然此時軸承表面粗糙狀況也可以用上述有效值指標來表示，但是當軸承零件上有局部的剝落、凹坑一類缺陷時，有效值就無法反映出來。這時通過峰值有效值比則可以明顯地反映出來。一般來說，當XP/φx＞1.5時，就認為軸承零件上有局部缺陷產生。
    （3）軸承速率比BSR
    軸承速率比BSR定義為鋼球通過頻率與軸的回轉頻率之比，它取決于軸承的載荷和間隙的大小以及軸承的潤滑狀況，圖5為BSR值與軸承載荷的關系。圖中的陰影部分是軸承正常工作時的BSR值，當BSR值偏高時，則可能是載荷高、潤滑不良或者軸承間隙過大；當BSR值偏低時，則可能是載荷不足、潤滑過多（例如潤滑脂加注過多）或者軸承間隙過小。由此可見，BSR值是反映軸承運行性能的直接指標。
    由于載荷是由鋼球與滾道傳遞的，當鋼球通過滾道上的監測點時，滾道將以鋼球的接觸點為中心產生彈性變形區，這樣，光纖傳感器就可以直接測量這一變形，從而確定鋼球的通過頻率。而軸的回轉頻率則可以利用另外安裝一套位傳感器作為時標加以確定。
二、聲發射（AE）診斷
    振動信號雖然能提供較多滾動軸承的故障信息，但是由于滾動軸承的信號比較復雜，故障信號與正常振動信號混在一起，為了提取滾動軸承的故障信息，不得不采用比較復雜的監測診斷系統，信號處理技術要求較高，這在某種程度上使滾動軸承的故障診斷應用受到了限制。
    另外，對于工作在低速及超低速的軸承（如起重機和微波天線轉盤的支承軸承），用傳統的振動監測法（0～20kHz范圍內）難于奏效，而采用聲發射技術（在100～300kHz范圍內）往往可以收到良好的效果。另外，使用聲發射技術不但能監視疲勞裂紋的擴展情況，同時還能監測滾動表面間的摩擦狀況。
1．聲發射技術的原理
    固體材料在力的作用下，如果內部存在缺陷的，就會產生應力集中，使塑性變形加大或形成裂紋并擴展，這些都會釋放彈性波，這種現象稱為聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE）。由此可見，聲發射信號的產生是塑性變形和裂紋的產生與擴展時釋放的彈性波所致。
    對于滾動軸承的故障診斷，例如對軸承的疲勞斷裂，由于軸承經常受到沖擊的交變載荷作用，會產生疲勞裂紋，并沿著最大切應力方向向金屬內部擴展，當擴展到某一臨界尺寸時就會發生瞬時斷裂。這種故障經常發生在滾動軸承的外圈。而疲勞磨損是由于循環接觸壓應力周期性地作用在摩擦表面上，使表面材料疲勞而產生微粒脫落的現象。這種故障的發生過程大致如下：在初期階段，金屬內晶格發生彈性扭曲；當晶格的彈性應力達到臨界值后，開始出現微觀裂紋；微觀裂紋再進一步擴展，就會在滾動軸承的內、外圈滾道上出現麻點、剝落等疲勞損壞故障。這些故障的發生與發展，都伴隨著聲發射信號的產生。
    各種材料聲發射的頻率范圍很寬，從次聲波、聲波到超聲波，金屬材料聲發射頻率可達幾十到幾百兆赫。其信號的強度差異也很大，可以從幾微伏到幾百伏。圖6為聲發射傳感器在回轉環齒輪上的安裝示意圖，兩個聲發射接收器S1和S2安裝在回轉環直徑兩端的壁上，通過前置放大器連接到聲發射源定位系統上。用閾值電平法減少背景噪聲對測量的影響，當聲發射信號超過閾值電平時才進行計數，用聲發射事件計數頻率和聲發射累計脈沖數作為監測系統。還可以測量兩個傳感器的信號到達時間之差，以此計算出故障發生的部位。
2.聲發射技術的優點
    由于滾動軸承的故障信息比較微弱，而背景噪聲又比較強，因此與振動信號分析法比較，聲發射技術進行故障監測診斷具有以下優點。
    （1）特征頻率明顯

圖6  聲發射傳感器在回轉環上的安裝

    分別用振動加速度計和聲發射傳感器在機器在同一部位進行檢測，對所得信號進行頻譜分析比較發現，振動信號頻譜圖比較復雜，不易識別故障，而聲發射頻譜圖清晰明了，易于識別故障，如圖7所示。

圖7  聲發射頻譜圖與振動信號頻譜圖

    （2）早期故障預報效果好
    在機器的載荷和工作轉速等條件完全相同的情況下，同時用聲發射和振動信號監測軸承的工作狀態，由于軸承微裂紋擴展需要經過一個長期、緩慢的過程，這個階段還不足以引起軸承明顯的振動，而聲發射信號已經比較明顯了，因而聲發射法能早期預報和診斷故障。
    由于聲發射診斷方法能有效地識別滾動軸承的故障信息，近年來在生產中有了一定發展，但它的致命缺點是需要昂貴的專用設備和專業人員，因而，在生產應用中受到了很大的限制。
三、軸承潤滑狀態監測診斷法
    當軸承滾動表面的潤滑狀態發生改變時，例如從完全液體潤滑到干摩擦時，金屬間直接接觸的時間所占比例上升，沖擊脈沖值也會上升，油膜電阻會下降。針對這種現象，實際工作中常用以下兩種監測方法。
1．油膜厚度法
    美國SPM公司系統地研究了潤滑狀態（油膜厚度）與沖擊脈沖值之間的關系，對21種滾動軸承在40～25000r/min轉速范圍內，在5%～25%和500%的額定靜載荷下，用不同的潤滑劑進行了試驗。計算的比油膜厚度△與測得的軸承零件間不發生電接觸時間的比率的關系如圖8所示。
計算的比油膜厚度定義為:

        △=hmin/σ0                                                                             （1-1）

式中hmin—最小油膜厚度；σ0 —滾動表面間的組合粗糙度；

                                                                                  （1-2）

σ1，σ2—相應表面的均方根粗糙度。△的理論值可由下式計算；

                                                                            （1-3）
    式中    CB—取決于軸承類型的常數；u—軸承接觸點的線速度，in/s;  α—壓力-黏度系數，in2/1b；
            η—絕對黏度，lb?s/in2；    W—靜載荷，lb。
    從圖8中可以看出，在△<0.7時，基本上為干摩擦或半干摩擦，接觸時間接近100%；在△接近于1時，曲線變化很陡；當△>3時，基本上不發生電接觸。
    對實際運轉的機械，其油膜厚度測量是非常困難的。理論研究和試驗表明，油膜厚度可以用沖擊脈沖值間接測量表示。圖9是試驗測得的與干摩擦相比時，沖擊脈沖值的減少量△dB與不發生電接觸的時間比率間的關系圖。

圖8 △與不發生電接觸時間比率的關系       圖9 △dB與不發生電接觸的時間關系圖

    由圖8與圖9，通過簡單的換算就可以得到△dB與油膜厚度的關系。一些儀器就是利用這一原理開發的，在儀器上標出的是反映實際潤滑油膜厚度的讀數，稱為潤滑數L UB .NO.（Lubrication number），單位為微英寸。實際應用表明，LUB.NO.能很靈敏地反映實際潤滑狀態。
    需要說明的是，雖然這種方法是通過沖擊脈沖間接測量出的，但由于它是在沖去脈沖值的基礎上考慮了軸承類型，軸承接觸點的線速度u，潤滑油的壓力一黏度系數α，潤滑油的絕對黏度η和靜載荷W等參數的影響，因此與單純的沖擊脈沖法（SPM）又有所不同。實際測量中，測量油膜厚度所用的儀器也與測量沖擊脈沖的儀器有所不同，這種儀器是SPM公司在大量油膜測試數據的基礎上再結合其原有的沖擊脈沖計的技術開發出的利用油膜厚度監測滾動軸承的新產品。以BAE-52為例，這是一種在沖擊脈沖法的基礎上，以軸承狀態及油膜厚度測試為內容，對軸承的狀態進行更精確分析的儀器。精密分析的手段對輸入的數據（例如軸承轉速及型式等參數）有了更多的要求。一般可以用NORM及TYPE兩個數據以求得分析的準確。在輸出方面把軸承的狀態定量分為10級：0-7級為正常運行狀態，8-9為故障狀態，從而為軸承的故障趨勢分析提供了條件。
    這種分析診斷方法的優點是能夠精確分析診斷出軸承的狀態，但缺點是操作使用比較復雜，需要輸入大量參數，因而在現場使用中有時會覺得不如原來的沖擊脈沖法方便。
2．油膜電阻診斷法
    滾動軸承在旋轉過程中，如果在滾道面和滾動體之間能夠形成良好的油膜，則內圈和外圈之間的電阻值很大，可達兆歐以上；當潤滑膜破壞時，則內圈和外圈之間的電阻值可降至零歐附近。利用這一特性，便可對滾動軸承的潤滑狀態及與此有關的磨損、腐蝕之類的損傷進行診斷，但不適用于點蝕類損傷的診斷。
    油膜電阻法的測量分析原理如圖10所示。在內、外圈之間加1V左右的直流電壓，通過測量軸承處的電壓降來確定其阻值。
    以日本研制的軸承潤滑狀態監測儀LUBTEC為例，這種儀器有R和V兩種測量方式，

圖10   油膜電阻法的測量分析原理

    用油膜形成度R和軸承上的電壓V兩個參數來監測軸承的潤滑狀態。當油膜形成不完全時會發生金屬間接觸，以發生金屬間接觸的時間與不發生接觸的時間之比來表示油膜形成度（0~10）。如前所述，當油膜形成良好時，不發生電接觸時間所占比例會比較高，此時滾動表面阻抗會比較高；反之則比較低。
    使用V方式時，可以測量由于軸承轉動時誘發出來的電壓，此電壓過高會導致電腐蝕，縮短軸承壽命。
    可以用R和V的綜合評價圖來判定軸承的潤滑狀態（圖11），根據R和V的值分為良好、警戒和危險三個區。

圖11 潤滑狀態監測儀

這種軸承潤滑狀態監測儀具有如下優點：
    （1）可在運轉中測定潤滑狀態；
    （2）軸承的類型及尺寸大小對測定影響不大；
    （3）小型輕便。
    其缺點是：
    （1）不適用于轉速過低且在正常情況下也無法形成油膜的情況；
    （2）在軸承以外的地方有電氣短路時不能使用；
    （3）同一承載處有兩個以上軸承時不能做出最終具體判斷。
四、油液分析診斷
    滾動軸承失效的主要方式是磨損、斷裂和腐蝕等，其原因主要是潤滑不當，因此對運行時使用的潤滑油進行系統分析，即可了解軸承的潤滑與磨損狀態，并對各種故障隱患進行早期預報，查明產生故障的原因和部位，及時采取措施防止惡性事故的發生。
    油液分析應采用系統的方法，只采用單一手段往往會因其局限性而導致不全面的診斷結論，容易產生漏報或誤報。實踐證明，由以下五個方面，即理化分析、污染度測試、發射光譜分析、紅外光譜分析、鐵譜分析構成的油液分析系統在設備狀態監測與故障診斷工作中可以發揮重要作用，其診斷結果與現場實際基本吻合，具有顯著的經濟效益與社會效益。
1．潤滑油理化指標的檢測
    良好的潤滑條件可大大減緩設備的磨損，是延長設備使用壽命的可靠保證。設備首先應做到正確選油，其次是連續跟蹤監測其質量指標的變化，三是當潤滑油劣變失效時應及時予以更換，為此必須定期對設備用油進行理化指標檢測。潤滑油常規的質量指標有黏度、閃點、氧化穩定性、總酸值或總堿值、水分、腐蝕等，此外不同品種的油液有時還應根據其具體用途增測其他項目，如泡沫穩定性、抗乳化性、殘炭、灰分、密度等。
2．污染度測試
    油液經過使用后不可避免地會受到不同程度的污染。通常污染來自內部和外部兩個方面，內部有在摩擦熱作用下油液本身氧化產生的樹脂類不溶物、膠質、高聚物、積炭等污染雜質，外部污染有運行摩擦副產生的固體金屬顆粒或由于設備的磨損產生的直接危害和外來灰塵等異物進入。因此經常監測油液的污染程度，判斷污染產生的原因并加以解決，確保油液清潔是至關重要的。
    檢測油液污染程度的方法有定性、半定量和定量三種。具體選用何種方法主要由油液品種、工況條件、對清潔度要求的寬嚴程度而定，如對柴油機通常用斑點試驗法即可滿足要求，而對液壓油和汽輪機油多數情況下選用顆粒計數儀或污染測試儀進行更精確的測試。
3．發射光譜分析油液中金屬元素含量
    潤滑油中經常會有一些金屬元素，這些元素的來源有三種途徑：一是來自潤滑油中的添加劑，如鈣、鋇、鋅、磷等；二是外界污染混入的雜質帶進來的，如硅、鋇、鈉等；三是磨損顆粒中的金屬成分，如銅、鉻、鉛、鐵等。
    設備在投入使用之前應檢測新油中金屬元素的種類及含量，并做好記錄檔案。新油中的金屬元素主要來自于添加劑，含量是一定的；隨著設備運行時間的增長，油中金屬元素的種類和數量都會發生相應改變，根據變化趨勢可以判斷設備產生磨損的部位和狀態。由此可見，定期測試潤滑油中金屬元素的含量，掌握其變化趨勢是設備狀態監測的主要內容之一。正因為如此，利用發射光譜進行工況監測是國內外應用最早和最廣泛的手段之一，已取得非常明顯的效果。
4．紅外光譜分析
    紅外光譜的出現使狀態監測又增添了一個新的重要手段。眾所周知，潤滑油性能的好壞主要取決于基礎油和各種添加劑的性質。潤滑油的劣化和失效主要是由于添加劑在摩擦熱的作用下發生了氧化、酸化、降解而相應生成了氧化物、酸化物、硝化物、樹脂、積炭等有害物質，導致基礎油和添加劑的化學成分及分子結構發生了變化。這些變化均屬化學變化，一般的理化分析是無法檢驗的，而利用紅外光譜檢驗是最直接、最有效也是最快捷的方法。紅外光譜的主要原理是不同的化合物的分子結構不同，在紅外光譜上都會出現特定位置的吸收峰，通過典型峰位和峰面積的積分計算即可對油品的某些特性進行定量的或半定量的分析。近年來由于計算機技術的迅速發展及在紅外光譜技術中的普遍應用，大大減少了測試誤差。上述紅外光譜的突出優勢，使其在狀態監測中的應用更加日益廣泛。
5．鐵譜分析
    鐵譜是近幾十年才產生和應用于狀態監測中的一種油液分析方法。由于它可以直接觀察油液中顆粒的尺寸、幾何形態、顏色、數量及分布狀態等，所以它一問世就受到了廣泛的關注。如果將鐵譜和發射光譜兩種手段結合起來應用，則對油液中金屬元素既可進行定性分析又可進行定量分析，既可分析小尺寸顆粒又可分析大尺寸顆粒，既可監測設備正常磨損的變化趨勢，又可監測異常磨損的狀態，使狀態監測和故障診斷更趨完整和準確。
    鐵譜分析在我國是應用最多、最普遍的油液分析設備診斷方法之一，目前大多采用的是直讀式鐵譜儀和分析式鐵譜儀，近年來旋轉鐵譜儀和在線式鐵譜儀也受到越來越多的注意。
    關于鐵譜技術的原理與分析診斷應用，參見相關資料。
五、溫度監測診斷法
    滾動軸承如果產生了某種損傷，其溫度就會發生變化，因此可通過監測軸承溫度來診斷軸承故障。該方法應用得很早，在當時在沒有其他更好的監測診斷手段的情況下，同時也是由于這種方法簡便實用，確實在滾動軸承的巡檢中起到了一定的作用。
    但這種方法的致命缺點是當溫度有明顯的變化時，故障一般都達到了相當嚴重的程度，因此無法發現早期故障。同時對滾動軸承的溫度測量雖然簡單，誤差一般較大，因此這種方法目前已逐步轉變為對滾動軸承的輔助監測診斷手段。為了保護重要設備不致發生全面毀壞事故，目前對一些重點設備、大型設備，仍然在現場安裝軸承溫度顯示儀表，有時還將軸承溫度測量參數引入控制系統，增設報警功能和自動停機保護功能。
六、間隙（游隙）監測診斷法
    除圓錐滾子軸承外，滾動軸承的內圈和外圈中，即使固定了其中的一個，但由于其內部有間隙，未固定的軸承套圈仍可向一側移動，該移動量就是軸承間隙，又稱游隙。
    若軸承套圈或滾動體磨損，則軸承間隙會增大，與原始間隙值相比較，即可知道磨損量。但是當軸承在設備中安裝好后，特別是在旋轉過程中，要直接測定間隙十分困難，因此多采用間接測量法，即用軸的位置測定代替軸承間隙的直接測量，比如測量軸的振擺、軸端移動量和軸心軌跡等。
    間隙測定法對軸承磨損、電蝕的診斷比較有效，但由于其測量不直接，影響因素較多，并且當間隙較大時，軸承的故障一般都已經達到了相當嚴重的程度，也就是說這種方法無法發現早期故障，因此只能作為避免整臺機器故障擴大化的方式，而不能提前發現和預報故障，故目前這種方法只在大型機器、低速機器和檢修周期很長的設備中采用，而對小型、高速機器不太適宜。