滚动轴承其他诊断方法

 滚动轴承故障诊断的方法很多，除了前面介绍的对振动信号进行分析诊断外，以下再介绍几种其他监测诊断方法。
一、光纤维监测诊断法
    精密轴承对轴的回转精度要求极高，如果回转运动误差过大系统就无法正常运转，即认为出现了故障，而此时振动信号并不一定很强。由于振动监测法是在轴承座、轴承盖或机器外壳表面拾取信号，这样故障诊断的灵敏度就受到了限制。最好的方法是直接监测回转轴心位置的变化，但这样做传感器安装难度很大，仪器也较复杂。
    有一种替代的方法是监测轴承外圈上一点相对于轴承座的位移。即使是高精度轴承，在载荷作用下转动时，轴承外圈也会发生接近于简谐变化的弹性变形。对精度降低或有故障的轴承（如滚动体尺寸不均匀、滚道精度丧失、表面粗糙度增大等），外圈上的径向变形幅度将会进一步增大，如能测得外圈表面的变形，就能够对轴承状态加以判断。涡流传感器和光纤传感器都能够测量这种变形，但后者径向尺寸小很多，灵敏度较高。
1．光纤传感器的原理
    光纤位移传感器的构造如图1所示，它由多根光导纤维组成，可分为发送光纤束和接收光纤束两种。两束光纤在横截面中的分布方式有多种，在图1（a）中为随机分布，图1（b）中为相间分布，图1（c）中则为圆环形分布。在这三种分布中，圆环形分布最常用，等间隔分布最灵敏，但制造最困难。
    光纤位移传感器的安装方式如图2所示。

            

图1  光纤传感器的横截面形式           图2  光纤传器的安装方法

    光纤传感器的基本原理如图3（a）所示。光线由发射光纤束射出，在端口有一发散角形成发送光锥。光线从轴承表面反射回来，再由接收光纤束接收。它所能接收到的光线被限制在一个锥面内，此锥面称为反射光锥。被接收的光线被光电元件转换为电压输出。间隙d改变时，发送光锥照射在轴承外圈表面上的面积随之改变，接收光纤束所接收到的光线强度也随之改变。光纤传感器输出电压一间隙特性曲线如图3 （b）所示。特性曲线开始有一段较陡的线性区（灵敏度较高），这是因为当间隙d从零开始增加时，发送光锥在轴承表面上照射面积迅速增大，接收光纤束所接收的光量不断增大，直到达到峰值。此后，若间隙进一步增大时，接收光纤束所接收的光量反而减少，它与间隙的平方成反比。在特性曲线的后段呈缓慢下降的趋势，灵敏度较低、线性差。

图3  光纤式位移传感器的原理及特性曲线
         1—光送光纤束；2—接收光纤束；3—发送光维；4—反射光锥；5—轴承表面

采用光纤监测技术进行滚动轴承故障诊断具有以下优点。
    （1）光纤位移传感器具有较高的灵敏度（可达50mV /μm），且外形细长，便于安装。
    （2）可以减少或消除振动传递传递过程中噪声的侵入和信号的衰减影响，从而提高信噪比。
    （3）可以直接反映滚动轴承的制造质量、工作表面磨损情况、载荷、润滑和间隙的情况，反映直观明确。
2．故障诊断指标
    采用光纤监测技术进行滚动轴承故障诊断的指标主要包括有效值、峰值有效值比、轴承速率比等。
    （1）有效值φx
    轴承由于其制造缺陷，如表面粗糙度、波纹度和圆度误差等，会形成不规则的轮廓，运行时就会产生振动。这一振动由光纤传感器接收后，即可得图4所示的φx脉动波形。

图4  均方根幅值的变化反映轴承制造质量的不同

图5  滚动轴承的BSR值 

    图4（a）为一个接近理想的高精度电动机轴承形成的波形，其套圈的弹性变形接近简谐波形，其波数等于通过测点的钢球数目；图4 （b）为精度级最低的轴承形成的复杂波形，这种轴承不但表面粗糙度大，几何形状误差大，而且钢球直径也有明显不同。由此可见，可用光纤传感器直接检测在用轴承的质量，这是一种简单而有效的测试方法。
    （2）峰值有效值比XP/φx）,
    对于经过一段时间运行的滚动轴承，其工作表面会由于磨损而变得粗糙。虽然此时轴承表面粗糙状况也可以用上述有效值指标来表示，但是当轴承零件上有局部的剥落、凹坑一类缺陷时，有效值就无法反映出来。这时通过峰值有效值比则可以明显地反映出来。一般来说，当XP/φx＞1.5时，就认为轴承零件上有局部缺陷产生。
    （3）轴承速率比BSR
    轴承速率比BSR定义为钢球通过频率与轴的回转频率之比，它取决于轴承的载荷和间隙的大小以及轴承的润滑状况，图5为BSR值与轴承载荷的关系。图中的阴影部分是轴承正常工作时的BSR值，当BSR值偏高时，则可能是载荷高、润滑不良或者轴承间隙过大；当BSR值偏低时，则可能是载荷不足、润滑过多（例如润滑脂加注过多）或者轴承间隙过小。由此可见，BSR值是反映轴承运行性能的直接指标。
    由于载荷是由钢球与滚道传递的，当钢球通过滚道上的监测点时，滚道将以钢球的接触点为中心产生弹性变形区，这样，光纤传感器就可以直接测量这一变形，从而确定钢球的通过频率。而轴的回转频率则可以利用另外安装一套位传感器作为时标加以确定。
二、声发射（AE）诊断
    振动信号虽然能提供较多滚动轴承的故障信息，但是由于滚动轴承的信号比较复杂，故障信号与正常振动信号混在一起，为了提取滚动轴承的故障信息，不得不采用比较复杂的监测诊断系统，信号处理技术要求较高，这在某种程度上使滚动轴承的故障诊断应用受到了限制。
    另外，对于工作在低速及超低速的轴承（如起重机和微波天线转盘的支承轴承），用传统的振动监测法（0～20kHz范围内）难于奏效，而采用声发射技术（在100～300kHz范围内）往往可以收到良好的效果。另外，使用声发射技术不但能监视疲劳裂纹的扩展情况，同时还能监测滚动表面间的摩擦状况。
1．声发射技术的原理
    固体材料在力的作用下，如果内部存在缺陷的，就会产生应力集中，使塑性变形加大或形成裂纹并扩展，这些都会释放弹性波，这种现象称为声发射（Acoustic Emission，简称AE）。由此可见，声发射信号的产生是塑性变形和裂纹的产生与扩展时释放的弹性波所致。
    对于滚动轴承的故障诊断，例如对轴承的疲劳断裂，由于轴承经常受到冲击的交变载荷作用，会产生疲劳裂纹，并沿着最大切应力方向向金属内部扩展，当扩展到某一临界尺寸时就会发生瞬时断裂。这种故障经常发生在滚动轴承的外圈。而疲劳磨损是由于循环接触压应力周期性地作用在摩擦表面上，使表面材料疲劳而产生微粒脱落的现象。这种故障的发生过程大致如下：在初期阶段，金属内晶格发生弹性扭曲；当晶格的弹性应力达到临界值后，开始出现微观裂纹；微观裂纹再进一步扩展，就会在滚动轴承的内、外圈滚道上出现麻点、剥落等疲劳损坏故障。这些故障的发生与发展，都伴随着声发射信号的产生。
    各种材料声发射的频率范围很宽，从次声波、声波到超声波，金属材料声发射频率可达几十到几百兆赫。其信号的强度差异也很大，可以从几微伏到几百伏。图6为声发射传感器在回转环齿轮上的安装示意图，两个声发射接收器S1和S2安装在回转环直径两端的壁上，通过前置放大器连接到声发射源定位系统上。用阈值电平法减少背景噪声对测量的影响，当声发射信号超过阈值电平时才进行计数，用声发射事件计数频率和声发射累计脉冲数作为监测系统。还可以测量两个传感器的信号到达时间之差，以此计算出故障发生的部位。
2.声发射技术的优点
    由于滚动轴承的故障信息比较微弱，而背景噪声又比较强，因此与振动信号分析法比较，声发射技术进行故障监测诊断具有以下优点。
    （1）特征频率明显

图6  声发射传感器在回转环上的安装

    分别用振动加速度计和声发射传感器在机器在同一部位进行检测，对所得信号进行频谱分析比较发现，振动信号频谱图比较复杂，不易识别故障，而声发射频谱图清晰明了，易于识别故障，如图7所示。

图7  声发射频谱图与振动信号频谱图

    （2）早期故障预报效果好
    在机器的载荷和工作转速等条件完全相同的情况下，同时用声发射和振动信号监测轴承的工作状态，由于轴承微裂纹扩展需要经过一个长期、缓慢的过程，这个阶段还不足以引起轴承明显的振动，而声发射信号已经比较明显了，因而声发射法能早期预报和诊断故障。
    由于声发射诊断方法能有效地识别滚动轴承的故障信息，近年来在生产中有了一定发展，但它的致命缺点是需要昂贵的专用设备和专业人员，因而，在生产应用中受到了很大的限制。
三、轴承润滑状态监测诊断法
    当轴承滚动表面的润滑状态发生改变时，例如从完全液体润滑到干摩擦时，金属间直接接触的时间所占比例上升，冲击脉冲值也会上升，油膜电阻会下降。针对这种现象，实际工作中常用以下两种监测方法。
1．油膜厚度法
    美国SPM公司系统地研究了润滑状态（油膜厚度）与冲击脉冲值之间的关系，对21种滚动轴承在40～25000r/min转速范围内，在5%～25%和500%的额定静载荷下，用不同的润滑剂进行了试验。计算的比油膜厚度△与测得的轴承零件间不发生电接触时间的比率的关系如图8所示。
计算的比油膜厚度定义为:

        △=hmin/σ0                                                                             （1-1）

式中hmin—最小油膜厚度；σ0 —滚动表面间的组合粗糙度；

                                                                                  （1-2）

σ1，σ2—相应表面的均方根粗糙度。△的理论值可由下式计算；

                                                                            （1-3）
    式中    CB—取决于轴承类型的常数；u—轴承接触点的线速度，in/s;  α—压力-黏度系数，in2/1b；
            η—绝对黏度，lb?s/in2；    W—静载荷，lb。
    从图8中可以看出，在△<0.7时，基本上为干摩擦或半干摩擦，接触时间接近100%；在△接近于1时，曲线变化很陡；当△>3时，基本上不发生电接触。
    对实际运转的机械，其油膜厚度测量是非常困难的。理论研究和试验表明，油膜厚度可以用冲击脉冲值间接测量表示。图9是试验测得的与干摩擦相比时，冲击脉冲值的减少量△dB与不发生电接触的时间比率间的关系图。

图8 △与不发生电接触时间比率的关系       图9 △dB与不发生电接触的时间关系图

    由图8与图9，通过简单的换算就可以得到△dB与油膜厚度的关系。一些仪器就是利用这一原理开发的，在仪器上标出的是反映实际润滑油膜厚度的读数，称为润滑数L UB .NO.（Lubrication number），单位为微英寸。实际应用表明，LUB.NO.能很灵敏地反映实际润滑状态。
    需要说明的是，虽然这种方法是通过冲击脉冲间接测量出的，但由于它是在冲去脉冲值的基础上考虑了轴承类型，轴承接触点的线速度u，润滑油的压力一黏度系数α，润滑油的绝对黏度η和静载荷W等参数的影响，因此与单纯的冲击脉冲法（SPM）又有所不同。实际测量中，测量油膜厚度所用的仪器也与测量冲击脉冲的仪器有所不同，这种仪器是SPM公司在大量油膜测试数据的基础上再结合其原有的冲击脉冲计的技术开发出的利用油膜厚度监测滚动轴承的新产品。以BAE-52为例，这是一种在冲击脉冲法的基础上，以轴承状态及油膜厚度测试为内容，对轴承的状态进行更精确分析的仪器。精密分析的手段对输入的数据（例如轴承转速及型式等参数）有了更多的要求。一般可以用NORM及TYPE两个数据以求得分析的准确。在输出方面把轴承的状态定量分为10级：0-7级为正常运行状态，8-9为故障状态，从而为轴承的故障趋势分析提供了条件。
    这种分析诊断方法的优点是能够精确分析诊断出轴承的状态，但缺点是操作使用比较复杂，需要输入大量参数，因而在现场使用中有时会觉得不如原来的冲击脉冲法方便。
2．油膜电阻诊断法
    滚动轴承在旋转过程中，如果在滚道面和滚动体之间能够形成良好的油膜，则内圈和外圈之间的电阻值很大，可达兆欧以上；当润滑膜破坏时，则内圈和外圈之间的电阻值可降至零欧附近。利用这一特性，便可对滚动轴承的润滑状态及与此有关的磨损、腐蚀之类的损伤进行诊断，但不适用于点蚀类损伤的诊断。
    油膜电阻法的测量分析原理如图10所示。在内、外圈之间加1V左右的直流电压，通过测量轴承处的电压降来确定其阻值。
    以日本研制的轴承润滑状态监测仪LUBTEC为例，这种仪器有R和V两种测量方式，

图10   油膜电阻法的测量分析原理

    用油膜形成度R和轴承上的电压V两个参数来监测轴承的润滑状态。当油膜形成不完全时会发生金属间接触，以发生金属间接触的时间与不发生接触的时间之比来表示油膜形成度（0~10）。如前所述，当油膜形成良好时，不发生电接触时间所占比例会比较高，此时滚动表面阻抗会比较高；反之则比较低。
    使用V方式时，可以测量由于轴承转动时诱发出来的电压，此电压过高会导致电腐蚀，缩短轴承寿命。
    可以用R和V的综合评价图来判定轴承的润滑状态（图11），根据R和V的值分为良好、警戒和危险三个区。

图11 润滑状态监测仪

这种轴承润滑状态监测仪具有如下优点：
    （1）可在运转中测定润滑状态；
    （2）轴承的类型及尺寸大小对测定影响不大；
    （3）小型轻便。
    其缺点是：
    （1）不适用于转速过低且在正常情况下也无法形成油膜的情况；
    （2）在轴承以外的地方有电气短路时不能使用；
    （3）同一承载处有两个以上轴承时不能做出最终具体判断。
四、油液分析诊断
    滚动轴承失效的主要方式是磨损、断裂和腐蚀等，其原因主要是润滑不当，因此对运行时使用的润滑油进行系统分析，即可了解轴承的润滑与磨损状态，并对各种故障隐患进行早期预报，查明产生故障的原因和部位，及时采取措施防止恶性事故的发生。
    油液分析应采用系统的方法，只采用单一手段往往会因其局限性而导致不全面的诊断结论，容易产生漏报或误报。实践证明，由以下五个方面，即理化分析、污染度测试、发射光谱分析、红外光谱分析、铁谱分析构成的油液分析系统在设备状态监测与故障诊断工作中可以发挥重要作用，其诊断结果与现场实际基本吻合，具有显著的经济效益与社会效益。
1．润滑油理化指标的检测
    良好的润滑条件可大大减缓设备的磨损，是延长设备使用寿命的可靠保证。设备首先应做到正确选油，其次是连续跟踪监测其质量指标的变化，三是当润滑油劣变失效时应及时予以更换，为此必须定期对设备用油进行理化指标检测。润滑油常规的质量指标有黏度、闪点、氧化稳定性、总酸值或总碱值、水分、腐蚀等，此外不同品种的油液有时还应根据其具体用途增测其他项目，如泡沫稳定性、抗乳化性、残炭、灰分、密度等。
2．污染度测试
    油液经过使用后不可避免地会受到不同程度的污染。通常污染来自内部和外部两个方面，内部有在摩擦热作用下油液本身氧化产生的树脂类不溶物、胶质、高聚物、积炭等污染杂质，外部污染有运行摩擦副产生的固体金属颗粒或由于设备的磨损产生的直接危害和外来灰尘等异物进入。因此经常监测油液的污染程度，判断污染产生的原因并加以解决，确保油液清洁是至关重要的。
    检测油液污染程度的方法有定性、半定量和定量三种。具体选用何种方法主要由油液品种、工况条件、对清洁度要求的宽严程度而定，如对柴油机通常用斑点试验法即可满足要求，而对液压油和汽轮机油多数情况下选用颗粒计数仪或污染测试仪进行更精确的测试。
3．发射光谱分析油液中金属元素含量
    润滑油中经常会有一些金属元素，这些元素的来源有三种途径：一是来自润滑油中的添加剂，如钙、钡、锌、磷等；二是外界污染混入的杂质带进来的，如硅、钡、钠等；三是磨损颗粒中的金属成分，如铜、铬、铅、铁等。
    设备在投入使用之前应检测新油中金属元素的种类及含量，并做好记录档案。新油中的金属元素主要来自于添加剂，含量是一定的；随着设备运行时间的增长，油中金属元素的种类和数量都会发生相应改变，根据变化趋势可以判断设备产生磨损的部位和状态。由此可见，定期测试润滑油中金属元素的含量，掌握其变化趋势是设备状态监测的主要内容之一。正因为如此，利用发射光谱进行工况监测是国内外应用最早和最广泛的手段之一，已取得非常明显的效果。
4．红外光谱分析
    红外光谱的出现使状态监测又增添了一个新的重要手段。众所周知，润滑油性能的好坏主要取决于基础油和各种添加剂的性质。润滑油的劣化和失效主要是由于添加剂在摩擦热的作用下发生了氧化、酸化、降解而相应生成了氧化物、酸化物、硝化物、树脂、积炭等有害物质，导致基础油和添加剂的化学成分及分子结构发生了变化。这些变化均属化学变化，一般的理化分析是无法检验的，而利用红外光谱检验是最直接、最有效也是最快捷的方法。红外光谱的主要原理是不同的化合物的分子结构不同，在红外光谱上都会出现特定位置的吸收峰，通过典型峰位和峰面积的积分计算即可对油品的某些特性进行定量的或半定量的分析。近年来由于计算机技术的迅速发展及在红外光谱技术中的普遍应用，大大减少了测试误差。上述红外光谱的突出优势，使其在状态监测中的应用更加日益广泛。
5．铁谱分析
    铁谱是近几十年才产生和应用于状态监测中的一种油液分析方法。由于它可以直接观察油液中颗粒的尺寸、几何形态、颜色、数量及分布状态等，所以它一问世就受到了广泛的关注。如果将铁谱和发射光谱两种手段结合起来应用，则对油液中金属元素既可进行定性分析又可进行定量分析，既可分析小尺寸颗粒又可分析大尺寸颗粒，既可监测设备正常磨损的变化趋势，又可监测异常磨损的状态，使状态监测和故障诊断更趋完整和准确。
    铁谱分析在我国是应用最多、最普遍的油液分析设备诊断方法之一，目前大多采用的是直读式铁谱仪和分析式铁谱仪，近年来旋转铁谱仪和在线式铁谱仪也受到越来越多的注意。
    关于铁谱技术的原理与分析诊断应用，参见相关资料。
五、温度监测诊断法
    滚动轴承如果产生了某种损伤，其温度就会发生变化，因此可通过监测轴承温度来诊断轴承故障。该方法应用得很早，在当时在没有其他更好的监测诊断手段的情况下，同时也是由于这种方法简便实用，确实在滚动轴承的巡检中起到了一定的作用。
    但这种方法的致命缺点是当温度有明显的变化时，故障一般都达到了相当严重的程度，因此无法发现早期故障。同时对滚动轴承的温度测量虽然简单，误差一般较大，因此这种方法目前已逐步转变为对滚动轴承的辅助监测诊断手段。为了保护重要设备不致发生全面毁坏事故，目前对一些重点设备、大型设备，仍然在现场安装轴承温度显示仪表，有时还将轴承温度测量参数引入控制系统，增设报警功能和自动停机保护功能。
六、间隙（游隙）监测诊断法
    除圆锥滚子轴承外，滚动轴承的内圈和外圈中，即使固定了其中的一个，但由于其内部有间隙，未固定的轴承套圈仍可向一侧移动，该移动量就是轴承间隙，又称游隙。
    若轴承套圈或滚动体磨损，则轴承间隙会增大，与原始间隙值相比较，即可知道磨损量。但是当轴承在设备中安装好后，特别是在旋转过程中，要直接测定间隙十分困难，因此多采用间接测量法，即用轴的位置测定代替轴承间隙的直接测量，比如测量轴的振摆、轴端移动量和轴心轨迹等。
    间隙测定法对轴承磨损、电蚀的诊断比较有效，但由于其测量不直接，影响因素较多，并且当间隙较大时，轴承的故障一般都已经达到了相当严重的程度，也就是说这种方法无法发现早期故障，因此只能作为避免整台机器故障扩大化的方式，而不能提前发现和预报故障，故目前这种方法只在大型机器、低速机器和检修周期很长的设备中采用，而对小型、高速机器不太适宜。