滚动轴承故障诊断技术研究现状及发展趋势研究

滚动轴承故障诊断技术研究现状及发展趋势研究

【摘要】:滚动轴承是旋转机械中用得最为广泛的一种通用机械部件。它在旋转机械中起着非常重要的作用，它的运行状态是否正常往往直接影响到整台设备的动态性能。而由于滚动轴承运动的特殊性导致其发生故障是极为常见的。作者立足实践，深入分析了滚动轴承故障诊断技术研究现状及发展趋势。

【关键词】：滚动轴承；机械；故障

一、滚动轴承故障诊断的意义

随着科技的发展，现代工业正逐步向生产设备大型化、复杂化、高速化和自动化方向发展，在提高生产率、降低成本、节约能源、减少废品率、保证产品质量等方面具有很大的优势。

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也是很严重的，这就使得人们对诸如航空航天器、核电站、热电厂及其他大型化工设备的可靠性、安全性提出了越来越高的要求。除了在设计与制造阶段，通过改进可靠性设计、研究和应用新材料、新工艺以及加强生产过程中的质检控制措施提高系统的可靠性与安全性外，提高系统可靠性与安全性的另一个重要途径就是对系统的工作状态进行实时的监测与诊断，从而实现对设备的有效控制，并对灾难性故障的发生进行预警，为采取相应的补救措施提供有效的信息。故障诊断理论就是为了满足对系统可靠性和安全性要求的提高，减少并控制灾难性事故的发生而发展起来的。因此，故障诊断理论的发展必将促进故障监测和监控系统的快速发展与广泛应用，从而可以进一步的提高系统运行的可靠性与安全性，并由此产生巨大的经济和社会效益。

与其他机械零部件相比，滚动轴承有一个很独特的特点，那就是其寿命的离散性很大。由于轴承的这一特点，在实际使用中就会出现这样一种情况：有的轴承已大大超过其设计寿命而依然能正常地工作，而有的轴承远未达到其设计寿命就出现各种故障。因此，如果按照设计寿命对轴承进行定期维修：一方面，会造成将超过设计寿命而仍正常工作的轴承拆下来作报废处理，造成浪费；另一方面，未达到设计寿命而出现故障的轴承没有被及时的发现，直到定期维修时才被拆下来报废，使得机器在轴承出现故障后和报废前这段时间内工作精度降低，或者未到维修时间就出现严重故障，导致整部机器陷于瘫痪状态。因此，进行滚动轴承工作状态及故障的早期检测与故障诊断，对于设备安全平稳运行具有重要的实际意义。

二、滚动轴承故障诊断技术研究现状及发展趋势

2.1 滚动轴承的故障特点

滚动轴承具有一个突出的特点，其寿命离散程度非常大。若仅呆板地按照设计寿命对轴承进行定期维修，是很不科学的。轴承使用中，要随时进行工况的监测和故障的判别。这样不仅可以防止设备工作精度下降，减少事故发生的机率，还可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节省开支。

轻微损伤的轴承可以从使用情况，特别是轴承工作表面的磨损状况、磨损轨迹等征兆来推断出其失效的真正原因。损伤严重的轴承是因突发事故而完全报废的轴承，最终的破损状况往往早已掩盖了初始损伤的痕迹，暴露出来的只是轴承最终咬死和烧毁的现象，以及已破损的轴承零件的残骸。这些原因使得人们容易混淆轴承损伤的最主要根源，只能从轴承的工作条件、润滑状况、支承的整体结构以及损伤的形式做出推断，并借助其他科学的分析方法来验证。因此，在滚动轴承的实际使用过程中，应该立足于轴承损伤状况的监测与识别，研究早期故障诊断技术，以预防因轴承损伤而引发的停机、停产和设备损坏等重大经济损失和人员伤亡事故。

2.2 滚动轴承运转中的常用检查项目

轴承运转中需要监测检查的项目主要有：轴承的滚动声、振动情况、温度、润滑的状态等，具体情况如下：

（一） 轴承的滚动声

对运转中的轴承的滚动声的大小及音质进行检查，即使有轻微的剥离等损伤，也会发出异常音和不规则音。通过对这些声音的分析，可以作为判断轴承运行状况良好与否的依据之一。

（二） 轴承的振动

轴承振动对轴承的损伤很敏感，例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来。所以，通过采用特殊的轴承振动测量器（如频率分析器等）可测量出振动的大小。通过对振动频率的分析，进一步推断异常情况。但是由于测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等不同而又有所差别，因此需要事先对每台机器的测量值进行分析比较后确定判断标准。

（三） 轴承的温度

通常，轴承的温度随着运转开始慢慢上升，1-2小时后达到稳定状态。轴承的正常温度因机器的热容量，散热量，转速及负载而不同。如果润滑、安装部不合适，则会导致轴承温度急骤上升，出现异常高温，这时必须停止运转，采取必要的防范措施。使用热传感器可以随时监测轴承的工作温度，并实现温度超过规定值时自动报警或停止，防止燃轴等事故的发生。

（四） 润滑

润滑对滚动轴承的疲劳寿命和摩擦、磨损、温升、振动等有重要影响。没有良好的润滑，轴承就不能正常工作。分析轴承损坏的原因表明，约40%左右的轴承损坏都与润滑不良有关。因此，轴承的良好润滑是减小轴承摩擦和磨损的有效措施。除此之外，轴承的润滑还有散热，防锈、密封、缓和冲击等多种作用。轴承润滑的作用可以简要说明如下：

a. 在相互接触的二滚动表面或滑动表面之间形成一层油膜把二表面隔开，减少接触表面的摩擦和磨损。

b. 采用油润滑时，特别是采用循环油润滑、油雾润滑和喷油润滑时，润滑油能带走轴承内部的大部分摩擦热，起到有效的散热作用

c. 采用脂润滑时，可以防止外部的灰尘等异物进入轴承，起到封闭作用。

d. 润滑剂都有防止金属锈蚀的作用。

e. 延长轴承的疲劳寿命。

2.3 滚动轴承故障诊断的现状及发展趋势

自二十世纪六十年代以来，国内外学者对轴承的故障诊断做了大量的研究工作，各种方法与技巧不断产生、发展和完善，应用领域不断扩大，诊断精度也不断提高。时至今日，故障诊断技术己成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它以可靠性理论、信息论、控制论、系统论为理论基础，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断对象（系统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等）的特殊规律而逐步形成一门新兴的学科。总的来说，轴承故障诊断的发展经历了以下几个阶段：

第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。

第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。

第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。

第四阶段：以计算机为中心的故障诊断。

伴随着轴承故障诊断这四个阶段的发展，故障诊断理论和新的信号测试与处理方法也不断地出现。但就基于信号处理技术的诊断方法而言，可以分为两大类：一是基于传统信号处理的故障诊断方法，如频谱分析法、幅值参数指标分析法、冲击脉冲法、共振解调法等；二是基于现代信号处理的故障诊断方法，如现代谱分析法、时频分析法、非高斯信号处理法、非线性技术处理法、智能诊断法等方法。

随着现代数学、信息科学、计算机技术、电子技术、人工智能技术、网络技

术等更加广泛和深入地应用，故障诊断技术与当前前沿科学的融合是故障诊断技术的发展方向。当今故障诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维化，诊断理论和诊断模型的多元化，诊断技术的智能化。总的来说，主要表现在下述几个方面：

(l) 故障诊断的远程化

(2) 故障诊断方法的相互融合

(3) 与多元传感器信息的融合

(4) 诊断技术与虚拟仪器的结合

2.4 现有诊断技术的局限性及急待解决的问题

在以往的经典信号分析与处理方法中，为了便于分析与处理，对待分析对象进行一些理性化的处理和简化，例如假设被分析的信号具有线性性、平稳性和最小相位等特征，并在此基础上形成了完整的理论体系和方法。但是，在工程实际应用中，这样的简化常常忽略了信号中的一些重要特征，特别是一些非平稳的信息，这些信息往往预示着设备状态的发展趋势。利用传统方法对滚动轴承进行状态监测与分析时，不能充分反映出轴承的真实运转情况。对于工作在较为理想工况条件下的简单机械设备，分析结果尚可；对于精密机械设备或者是在复杂的工况条件下的设备，则诊断结果常常差强人意，误诊和漏诊现象的大量出现，这是影响设备状态监测与诊断技术的推广和进一步发展的最主要原因。

随着各种新兴的信号与信息处理方法的引入，如Priestley演变谱、短时Fourier变换、Cohen类时频表示（如Wigner-Ville分布、Cohen分布）、小波分析、非线性时间序列分析等，振动信号分析方法在非线性、非稳态和非高斯特征处理方面有了长足的进步，带来了一定的社会和经济效益。但是，上述几种信号处理方法本身也存在一些固有的缺陷，例如并未充分考虑到旋转机械设备固有的周期时变特性。演变谱方法要求时变信号需要具有多个观测记录，而短时Fourier变换和Cohen类时频表示通常要求非平稳信号是慢变化的等等。

此外，现有的信号分析技术在低信噪比振动信号的特征提取方面，并未取得突破性进展。滚动轴承的振动信号由于经历复杂传递途径所带来的干扰，往往造成故障信息淹没在背景噪声和干扰之中，从而使信号特征提取变得异常困难。

参考文献

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