圆锥圆柱轴承真实故障试验及其诊断方法

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.05.034 第15卷第5期 北京科技大学学报 Vol.15 No.5 1993年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1993 圆锥圆柱轴承真实故障试验及其诊断方法 蒲小平·马祥华·陈克兴*邵毅敏·* 摘要：在轴承疲劳试验机上对倒锥、剑柱轴承进行了真实故硫试验，监测温度信号和振动信 号，从信号处理方法、诊断参数选择，时域及频域分析等方血进行研究、得到了许多有价值 的结论，找到了圆锥圆柱轴承枚障诊断的有效方法。 关键词：滚动轴承，故障诊断，疲劳试验 中图分类号：TH133.33TP206.3 Real Running Condition Experiment and Diagnostic Method for Cone Bearing Failure and Cylinder Bearing Failure Pu Xiaoping Ma Xianghua'Chen Ke.xing Shao Yimin' ABSTRACT:The experiments for cone bearing and cylinder bearing failures base on real running condition test (not analogue)in a bearing test machine.The vibration and temper- ature signals are monitored.The signal analysis method,diagnostic parameters choise method ,time waveform and spectrum are studied deeply.Many valuable conclusions are obtained and a good diagnostic is found. KEY WORDS:antifrict bearings.fault diagnosis,fatigue test 滚动轴承故障诊断是机械设备故障诊断领域中的重要研究方向，但门前对这一课题的 研究多限于球轴承，对在重载旋转机械中广泛使用的圆锥和圆柱轴承研究较少。由于圆柱 和圆锥轴承的结构特点，其发生故障时冲击不象球轴承那样大，而且其寿命长、因此、试 验时间长达数百至数千小时，很难进行基于实际运行状态的真实故障试验，从而使圆锥和 圆样轴承的故障诊断成为滚动轴承诊断的一大难点。本文利用轴承疲劳试验机和自己研制 的轴承诊断系统对圆锥和圆柱轴承疲劳试验进行了长期连续监测，通过多方面研究，得到 了有价值的结论， 圆锥圆柱轴承真实故障试验 *1992-10-02收稿第一作者：另，37岁，博士 *机被工程系(Department of Mechanical Engineering.USTB) **重状钢铁高等专科学校机械系(Chongging Iron and Steel College)

第 巧 卷第 期 5 1 9 1 3 0 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u a n r l o f U n i e r s v i t y o f s e i e e e a n n d T e e h o n l o g y B e i j i n g V o l . S I N o . 5 0 e t . 1 3 9 圆锥 圆柱轴承真实故 障试验及其诊断方法 蒲小 平 ’ 马 样 华 * 陈克兴 * 邵 毅 敏 * ` 摘要 在 轴承疲 劳试验机 卜对圆 锥 : 、 圆 柱轴承进行 了 真实故障试验 , 监测温度信 号和振 动信 号 , 从信 号处 理方法 、 诊 断参数选择 、 时域 及 频域分 析等方面进行 研究 , 得到 了许 多 有价值 的结论 , 找到 了 圆 锥圆 住轴承故 障诊 断的有效方法 。 关 键词: 滚动轴承 , 故障诊断 , 疲劳 试验 中图分类号: T H 13 3 3 3 T p 2 0 6 · 3 R e a l R u n n i n g C o n d i t i o n E x P e r im e n t a n d D i a g n o s t i e M e t h o d fo r C o n e B e a r i n g F a i l u r e a n d C y l i n d e r B e a r i n g F a i l u r e p 。 J Y艺“ oP l’ng ` M a x i a 刀g h ua ` cjl en eK 劝瞥 ’ lS ao inY 7功 “ : ` A B S T R A C T : T h e e x P e r im e n t s fo r e o n e b e a r i n g a n d e y li n d e r b e a r i n g fa il u r e s b a s e o n r e a l r u n n i n g e o n d i t i o n t e s r ( n o t a n a l o g u e ) i n a b e a r i n g t e s t m a c h i n e . T h e v ib r a t i o n a n d t e m p e r - a t u r e s i g n a l s a r e m o n it o r e d . T h e s i g n a l a n a ly s i s m e t h o d , d i a g n o s t i c P a r a m e t e r s e h o i s e m e t h o d , t im e w a v e fo mr a n d s P e c t r u m a r e s t u d i e d d e e Pl y . M a n y v a l u a b l e e o n e l u s i o n s a r e o b t a i n e d a n d a g o o d d i a g n o s t i e 1 5 fo u n d . K E Y WO R D S : a n t ifr i e t b e a r i n g s , af u l t d i a g n o s i s , af t i g u e t e s t 滚动 轴承故 障诊断是 机械设备故 障诊断领域 中的重 要研究方向 , 但 日前对 这一 课题的 研 究多 限于球轴 承 , 对在 重载旋转机 械 中广泛 使用 的 圆锥和 圆柱 轴 承研究 较少 。 由于 圆柱 和 圆 锥轴 承的 结构 特点 , 其发 生故 障时 冲击不象球轴承那 样 大 , 而且其 寿命长 , 因此 , 试 验 时间长 达数百至 数 千小 时 , 很 难进 行基于实际运行状 态 的真实 故 障试验 , 从而使 圆锥 和 圆柱 轴承 的故障诊 断成 为滚 动轴 承诊断的 一大难点 。 本 文利 用轴 承疲 劳试验机和 自己研制 的轴 承诊断 系统对 圆锥和 圆柱 轴承疲 劳试验进行 了 长期 连续监测 , 通 过多 方 面研究 , 得 到 了有价值的结论 。 1 圆锥圆柱轴承真实故障试验 * 1 9 9 2一 10一 0 2 收 稿 第一作 者 : 男 . 2 7 岁 , 博士 * 机 械工程 系( D e p a r t m e n t o f M e e h a n i e a l E n g i n e e r i n g , U S T B ) * ’ 重 庆 钢铁 高等 专 科 学 校 机 械系 ( C h o n g q l n g I r o n a n d s t e e l C o ll e g e ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 05. 034

·518 北京科技人学学报 1993球No.5 以往对滚动轴承故障诊断方法的研究通常建立在模拟故障的基础上，并不能企面地反 映轴斥从完好到损坏这一过程中故障的发生发展情况。此外模拟故障和真实故障的产生机 理完全不一样，其引发的冲击振动也不完全柑同、这些决定了模拟故障的同限性。本文的 研究工作建立在对圆锥圆柱轴承长期在线监测的基础上、试验结果共有较强的常性和说 服力。 1.1试验系统框图 轴承疲劳试验机 1为试险系统框图，付轴承试验机 测取2路振动信号、4路品度信号。振动 加速度计 温度传惑器 信号和温度信号经多路切换及预处理进： A/D变换送入计算机，由系统软件实现 多路切换 对圆锥轴承和圆柱轴承疲劳试验的在线监 预 预 测、故障诊断和数据管理、并完成试验结 处 多路切换 果的报表打印。预处理器1对振动信号进 器 器 行SPM处理，预处理器2仅对振动信号 1 进低通滤波。 AD 多 發 1.2试验情况 共试验4组轴承。试验轴承7608E圆 计 算 印 锥轴承和负荷轴承2312柱轴承、额定寿命 声光报警 报表打印 223h,试验转速3000r/min,径向负荷 6.23MP,轴向负荷5.6MPa。第1组轴斥 连续运行168h后圆锥轴承滚动体出：现 图〡监测系统结构图 lmm×lmm的疲芳喇落；第2组轴承连续 Fig.I The structure of monitoring system 彳；120h后侧锥轴承滚动体出现5mm×7mm疲劳剥落；第3组轴承连续这行47h后捌 柱轴承发现滚动体修损及外圈婚损（该组圆柱轴斥在i试验前运行288）。第4.式验川 第3组试验中圆锥轴：换下第I组心损坏圆锥轴斥、测试并记心求数据。同时监测温度、管 值、有效值、均值、均方差、峭度、外圈特征频率、内圈特征顿率、滚动体特孤频书等9 个参数 2 圆锥圆柱轴承故障诊断方法 2.1圆锥圆柱轴承疲劳故障机理 疲芳故陪是导致滚动轴承火效的主要原内。在滚动轴承中，滚道1滚动体表咒东受 载荷义相对滚动。由于交变载尚作用、首先在表面下最人剪以力处形风裂文，扩楼到接触 表使表面发生制落、继发展到大片判落，即为疲芳刺落 当圆锥和圆柱轴承发疲芳故障时，滚动体的冲击引起动，枚障发生在不问部 位，将产：生：不同的冲击频率，称之为特征频率。计算公式如下： 1d=号f1-分cosd) (1)

第 巧 卷第 5 期 1 9 3 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f s e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ji i n g V o l . I S N o . 5 0 e t . 1 9 3 圆锥 圆柱轴承真实故 障试验及其诊断方法 蒲小 平 ’ 马 样 华 * 陈克兴 * 邵 毅 敏 ` * 摘要 : 在 轴承疲 劳试验机 卜对圆 锥 、 圆 柱轴承进行 了 真实故障试验 , 监测温度信 号和振 动信 号 , 从信 号处 理方法 、 诊 断参数选择 、 时域 及 频域分 析等方面进行 研究 , 得到 了许 多 有价值 的结论 , 找到 了 圆 锥圆 住轴承故 障诊 断的有效方法 。 关 键词: 滚动轴承 , 故障诊断 , 疲劳 试验 中图分类号: T H 13 3 3 3 T p 2 0 6 · 3 R e a l R u n n i n g C o n d i t i o n E x P e r im e n t a n d D i a g n o s t i e M e t h o d fo r C o n e B e a r i n g F a i l u r e a n d C y l i n d e r B e a r i n g F a i l u r e p 。 J Y艺“ oP l’ng ` M a x i a 刀g h ua ` cjl en eK 劝瞥 ’ lS ao inY 7功 “ : ` A B S T R A C T : T h e e x P e r im e n t s fo r e o n e b e a r i n g a n d e y li n d e r b e a r i n g fa il u r e s b a s e o n r e a l r u n n i n g e o n d i t i o n t e s r ( n o t a n a l o g u e ) i n a b e a r i n g t e s t m a c h i n e . T h e v ib r a t i o n a n d t e m p e r - a t u r e s i g n a l s a r e m o n it o r e d . T h e s i g n a l a n a ly s i s m e t h o d , d i a g n o s t i c P a r a m e t e r s e h o i s e m e t h o d , t im e w a v e fo mr a n d s P e c t r u m a r e s t u d i e d d e e Pl y . M a n y v a l u a b l e e o n e l u s i o n s a r e o b t a i n e d a n d a g o o d d i a g n o s t i e 1 5 fo u n d . K E Y WO R D S : a n t ifr i e t b e a r i n g s , af u l t d i a g n o s i s , af t i g u e t e s t 滚动 轴承故 障诊断是 机械设备故 障诊断领域 中的重 要研究方向 , 但 日前对 这一 课题的 研 究多 限于球轴 承 , 对在 重载旋转机 械 中广泛 使用 的 圆锥和 圆柱 轴 承研究 较少 。 由于 圆柱 和 圆 锥轴 承的 结构 特点 , 其发 生故 障时 冲击不象球轴承那 样 大 , 而且其 寿命长 , 因此 , 试 验 时间长 达数百至 数 千小 时 , 很 难进 行基于实际运行状 态 的真实 故 障试验 , 从而使 圆锥 和 圆柱 轴承 的故障诊 断成 为滚 动轴 承诊断的 一大难点 。 本 文利 用轴 承疲 劳试验机和 自己研制 的轴 承诊断 系统对 圆锥和 圆柱 轴承疲 劳试验进行 了 长期 连续监测 , 通 过多 方 面研究 , 得 到 了有价值的结论 。 1 圆锥圆柱轴承真实故障试验 * 1 9 9 2一 10一 0 2 收 稿 第一作 者 : 男 . 2 7 岁 , 博士 * 机 械工程 系( D e p a r t m e n t o f M e e h a n i e a l E n g i n e e r i n g , U S T B ) * ’ 重 庆 钢铁 高等 专 科 学 校 机 械系 ( C h o n g q l n g I r o n a n d s t e e l C o ll e g e )

Vol.15 No.5 灌小平等：圆锥圆柱轴承真实故障试验及其诊断方法 ·519· 1-1+ D cosa) (2) 二d1￥ Dcosu) (3) f:滚动体在外图滚道上的通过频率 fd:滚动体在内圈滚道上的通过频率 f:滚动体相对保持架的回转频率 :轴的回转频率 n:滚动体的个数 d滚动体直径 D:轴承节径 :轴承接触角 在实际监测中由于轴承几何尺加工误差、轴承安装后的变形、以及轴承转动时元件 之间的相互滑动使实际的特征频率与理论推导的频率会有所差异、囚此，寻找枚障特征频 率时，应在理论计算值的附近寻找。 22圆柱圆锥轴承疲劳故障的温度监测 试验结果表明在轴承跑合阶段，温度上升较快，迅速达到最高点后，有少许下降 24h后温度呈稳定状态，随着室温变化有很小的波动，最后在发生疲劳剥落时温度没有明 显变化。因此，温度对圆柱和圆锥轴承疲劳故障无诊断能力。 附表第2组试验振动信号低通滤波特征参数监测值 Table The parameters of No.2 test low-pass filter vibration signal 通道号 峰值 有效值 均值 均方根 蛸度 A 308 87 70 52 37 B 242 66 52 40 41 A 283 66 50 37 B 244 64 52 38 36 A 245 69 55 43 9 B 295 66 53 40 42 A 278 74 60 44 36 B 209 61 48 37 42 A 251 85 69 50 31 B 249 71 57 43 37 A 266 69 55 42 36 217 58 46 35 38 A 306 70 55 42 38 B 231 69 55 37 A 269 76 61 45 34 B 220 62 49 37 39 A 239 73 58 43 36 247 66 53 39 37 A 272 74 60 43 34 232 69 56 42 36 2.3时域诊断参数 附表给出了第2组试验振动信号经低通滤波后的参数记录值。前5组和后5组分别为

Vo l . 15 N o . 5 蒲小平等 : 圆 锥圆柱轴承真 实故障试验及 其诊断方法 · 5 19 · !l ù,3 矛. ,了. 、 厂 l d 一 / b 。 - 份 / C O S a D 之 , , 丁 l 一 吸1 十 三d ` ’ d 2 万丁 C oS “ - 儿d : 滚动 体在 外圈 滚 道 上的通 过 频率 id/ : 滚 动体 在 内圈滚 道 上的通过 频率 . 八 c : 滚动 体相 对 保持架 的 回转频 率 . / r : 轴 的 回 转频率 n : 滚 动 体的 个数 拱 滚 动体 直径 D : 轴 承节 径 ` , : 轴 承接 触角 在实 际 监测 中 由于轴 承几 何 尺 一 寸加 工 误差 , 轴 承安 装 后的变 形 , 以 及轴 承转 动 时元件 之间 的相 互滑动 使 实际 的特 征 频 率 与理论推 导的 频率会 有 所差 异 、 因此 , 寻找故 障 待征濒 率时 , 应 在理论计 算值 的附近 寻找 。 .2 2 圆 柱圆锥轴承疲 劳故障的 温度 监测 试 验结 果 表 明 在 轴承 跑 合 阶段 , 温 度 上 升 较快 , 迅 速达到 最 高点后 , 有 少许 下 降 24 h 后温 度呈 稳 定状态 , 随着 室温变化有 很 小的波 动 , 最后在发 生疲 劳剥 落时温 度 没有 硼 显变 化 。 因此 , 温 度对 圆柱和 圆锥轴承 疲 劳故 障无诊 断 能力 。 附表 第 2 组试验振 动信号低通滤波特征参数监测值 T a b l e T h e p a r a m e t e r s o f N o . 2 t e s t l o w 一 p a s if lt e r v i b r a t i o n s i g n a l 通道 号 峰值 有效值 均值 均方 根 峭度 A 30 8 8 7 7 0 5 2 3 7 40卯3妇巧25450384350279 乙,1U, 4勺飞ù只0 一了O了 . ù、6气àQ1 八Q, J ù、曰ù`凡àō了04 tùn气勺ù 4勺-、 ù`n J 件` ù、 2 683497615768092374 4 2 2 8 3 4 ] 3 7 3 6 4 2 3 6 4 2 3 1 3 7 3 6 3 8 6 0 5 6 3 7 34 3 9 3 6 3 7 3 4 3 6 4509627957851731392 工一, 今14ù奋一勺,气乙气j工一, l AABB .2 3 时域诊断参数 附表给 出 了第 2 组试验振动 信号经 低通 滤 波后 的参数记 录值 。 前 5 组 和后 5 组分别 为

·520· 北京科技大学学报 1993年No.5 正常情况下和疲芳剥落发时的记录值，A、B分别对应振动信号测量通道【和道道2。 从表！和其他组的试验结果可以看出，上述5个诊断参数对圆柱圆锥轴承疲芳故障的诊断 效果均不理想。 2.4时域波形分析和频谱分析 试验过程中，共记录600多组数据文件。从圆锥轴承疲劳后信号过SPM的频谱图可 以看出，对球轴承故障诊断非常有效的SPM方法对圆锥和圆柱轴承的疲芳故障诊断效果 较差。 从图2和图3可以看出振动信号经低通滤波后的频谱图能很好地反映圆能和圆柱轴承 故障的发生发展情况。圆锥和圆柱轴承在完好时各特征频率处没有峰值或有较小的峰值： 当出现故障后、特征频率处出现较大的峰值。图中273Hz为圆锥轴承滚动体特征频率。 轴承发生故障时除特征频率处谱线变化明显外，还表现为谱线增多、能量增大。从上述试 验结果的分析可得出结论，对低通滤波后振动信号进行频谱分析，当轴承特征顿率的平均 幅值比正常运行时特征频率的平均幅值增人？侪时，可作为圆锥圆柱轴承发生故障的最终 判据 100 100 75 50 50 25 0 whi-wwytwwpuwhbnjicc wwhmthilow.onirouwwwai 1000 0 250 00 750 312 625 937 1250 f/H五 f/Hz 图2第【组试验完好时低通滤波频谱图 图3第1组试验故障时低通滤波频谱图 Fig.3 The low-pass filter signal spectrum of Fig.4 The low-pass filter signal spectrum of No.I No.I test when bearing is good test when bearing is fault 3结 论 温度监测对圆锥和圆柱轴承的疲芳故障和嬷损故障没有诊断能小；SPM方法对侧锥 和圆柱轴承疲芳故障基本失效；纶过SPM和低通滤波处理振动信号的幅域参数峰值、行 效伯、峭度、均值和均方值对圆锥和圆柱轴承故障有一定诊断能力、但效果不理想；低通 信号频谱分析方法，对圆锥和侧柱轴承疲芳枚障有很强的诊断能力。可将特征懒竿平均幅 值增人2倍作为有尤故障的最终判据。该方法还能有效地诊断出发牛故障的部位. 参考文献 】陈克兴，李川奇.设备状态监测与故障诊断技术.北京：科学技术义诚出版社991 2邢毅敏.北京科技大[硕士论文】.1991 3 David Kadushin.the 3rd IMMDC.Las Vegas,1991.132

· 25 0 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 3 年 N o . 5 正 常情 况 下 和疲 劳剥 落发 ’ l :时 的 记录 位 , A 、 B 分 别 对应 振 动信 号测 一 录通 迫 1 和通道 o2 从表 l 和其他组的 试验结果 可 以 看出 , 上述 5 个诊 断参 数 对圆柱 圆锥轴 承疲劳 故障 的诊断 效 果均 不理 想 。 1 4 时域波 形分析和 频谱分析 试验 过程 中 , 共 记录 6 0 多组 数 据 文件 。 从圆锥 轴承疲 劳后信 号过 S P M 的频谱 图 可 以 看 出 , 对 球轴承 故 障诊断非 常有 效 的 S P M 方法 对圆 锥和 圆柱 轴 承的疲 劳 故障 诊 断效果 较差 。 从 图 2 和 图 3 可以 看 出振 动信 号经 低 通滤 波 后的频谱 图能 很 轩地 反映 圆锥 和圆 柱轴承 故障 的 发生 发 展情况 。 圆锥和 圆 柱轴 承在 完 好时 各特 征频 率处 没 有峰 位或 有 较 小的 峰 f尔 当 出现故 障后 , 特 征频 率处 出 现较大 的峰 值 。 图 中 2 73 H z 为 回锥 轴 承滚 动 体特 征 频 率 。 轴 承发 生故 障 时除 特 征频率处 谱线 变 化明 显外 , 还 表现为谱线 增 多 , 能 从增 大 。 从 卜述 试 验结果 的 分析 可得出结 论 , 对 低通 滤 波后 振动 信 号进行 频谱分析 , 当轴 承特 征频 率 的 平均 幅住t 比正 常运 行时特 征频率的 平均幅 位增 大 2 .f’:l 时 , 可作 为圆锥 圆柱轴承 发生 故障的 最终 判据 . 、 . : . . … { … ` . : . 、 ` l , . . . …一} { 赫两 一 ! 少~ , 晦) 划弃李ù日 划浮、争日 f / ZH 6 2 5 f /比 图 2 第 l 组试验完好时低通滤波频谙 图 F ig . 3 T h e I o w一 p a s n l t e r s ig n a l s碑 c t r u m o f N o . l t“ t w h e n 加 a r i n g 1 5 g o o d 图 3 第 l 组试验故障时低通滤波频谱图 Fi g . 4 T h e I o w 一 p睽 n l t e r is g n a l s伴` t r u m o f N o . l t e s t w h e n 加 a r玉n g 15 af u l t 3 结 论 温 度 监测 对 圆锥 和 回 柱轴 承 的疲 劳 故 障和 磨损 故 障 没有诊 断 能 力; S PM 方 法 对 圆锥 和 圆柱 轴 承疲 劳故 障 基 本失 效 ; 经过 S P M 和 低通 滤 波处理 振动 信 号的 福域 参数 峰 流 、 有 效位 、 峭度 、 均 位和均 方 仇对 圆锥 和圆 柱轴 承故 障有 一定 诊断能 力 , 但效 果不理 想 ; 低通 信 号频谱分析 方 法 , 对圆 锥 和圆柱轴 承疲 劳 故障 有很 强的诊 断能 力 。 . 』 ’J4 冬特 1 1顿率 、 ! 凡均 幅 流增 人 2 倍作 为有 无 故障 的最终 判据 。 该 方 法还 能有 效地诊 断 出发件 : 故障 的 部位 参 考 文 献 l 陈 克兴 , 李川奇 . 设 备状 态 监测 与故 障诊 断技 术 . 北 京 ; 2 邵毅敏 . 北 京科 技 大学【硕士论 文1 . 19 91 3 D a v id K a d u s h i n . t h e 3 r d l M M D C . L a s V e g a s , 19 9 1 . 科 学技 术 文 献出 版社 , 19 91 1 3 2