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滾動軸承故障診斷技術研究現狀及發展趨勢研究
2013-01-11
一、滾動軸承故障診斷的意義
隨著科技的發展，現代工業正逐步向生產設備大型化、復雜化、高速化和自動化方向發展，在提高生產率、降低成本、節約能源、減少廢品率、保證產品質量等方面具有很大的優勢。
但是，由于故障所引起的災難性事故及其所造成的對生命與財產的損失和對環境的破壞等也是很嚴重的，這就使得人們對諸如航空航天器、核電站、熱電廠及其他大型化工設備的可靠性、安全性提出了越來越高的要求。除了在設計與制造階段，通過改進可靠性設計、研究和應用新材料、新工藝以及加強生產過程中的質檢控制措施提高系統的可靠性與安全性外，提高系統可靠性與安全性的另一個重要途徑就是對系統的工作狀態進行實時的監測與診斷，從而實現對設備的有效控制，并對災難性故障的發生進行預警，為采取相應的補救措施提供有效的信息。故障診斷理論就是為了滿足對系統可靠性和安全性要求的提高，減少并控制災難性事故的發生而發展起來的。因此，故障診斷理論的發展必將促進故障監測和監控系統的快速發展與廣泛應用，從而可以進一步的提高系統運行的可靠性與安全性，并由此產生巨大的經濟和社會效益。
與其他機械零部件相比，滾動軸承有一個很獨特的特點，那就是其壽命的離散性很大。由于軸承的這一特點，在實際使用中就會出現這樣一種情況：有的軸承已大大超過其設計壽命而依然能正常地工作，而有的軸承遠未達到其設計壽命就出現各種故障。因此，如果按照設計壽命對軸承進行定期維修：一方面，會造成將超過設計壽命而仍正常工作的軸承拆下來作報廢處理，造成浪費；另一方面，未達到設計壽命而出現故障的軸承沒有被及時的發現，直到定期維修時才被拆下來報廢，使得機器在軸承出現故障后和報廢前這段時間內工作精度降低，或者未到維修時間就出現嚴重故障，導致整部機器陷于癱瘓狀態。因此，進行滾動軸承工作狀態及故障的早期檢測與故障診斷，對于設備安全平穩運行具有重要的實際意義。
二、滾動軸承故障診斷技術研究現狀及發展趨勢
2.1 滾動軸承的故障特點
滾動軸承具有一個突出的特點，其壽命離散程度非常大。若僅呆板地按照設計壽命對軸承進行定期維修，是很不科學的。軸承使用中，要隨時進行工況的監測和故障的判別。這樣不僅可以防止設備工作精度下降，減少事故發生的機率，還可以Z大限度地發揮軸承的工作潛力，節省開支。
輕微損傷的軸承可以從使用情況，特別是軸承工作表面的磨損狀況、磨損軌跡等征兆來推斷出其失效的真正原因。損傷嚴重的軸承是因突發事故而完全報廢的軸承，Z終的破損狀況往往早已掩蓋了初始損傷的痕跡，暴露出來的只是軸承Z終咬死和燒毀的現象，以及已破損的軸承零件的殘骸。這些原因使得人們容易混淆軸承損傷的Z主要根源，只能從軸承的工作條件、潤滑狀況、支承的整體結構以及損傷的形式做出推斷，并借助其他科學的分析方法來驗證。因此，在滾動軸承的實際使用過程中，應該立足于軸承損傷狀況的監測與識別，研究早期故障診斷技術，以預防因軸承損傷而引發的停機、停產和設備損壞等重大經濟損失和人員傷亡事故。
2.2 滾動軸承運轉中的常用檢查項目
軸承運轉中需要監測檢查的項目主要有：軸承的滾動聲、振動情況、溫度、潤滑的狀態等，具體情況如下：
（一） 軸承的滾動聲
對運轉中的軸承的滾動聲的大小及音質進行檢查，即使有輕微的剝離等損傷，也會發出異常音和不規則音。通過對這些聲音的分析，可以作為判斷軸承運行狀況良好與否的依據之一。
（二） 軸承的振動
軸承振動對軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會在軸承振動測量中反映出來。所以，通過采用特殊的軸承振動測量器（如頻率分析器等）可測量出振動的大小。通過對振動頻率的分析，進一步推斷異常情況。但是由于測得的數值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置等不同而又有所差別，因此需要事先對每臺機器的測量值進行分析比較后確定判斷標準。
（三） 軸承的溫度
通常，軸承的溫度隨著運轉開始慢慢上升，1-2小時后達到穩定狀態。軸承的正常溫度因機器的熱容量，散熱量，轉速及負載而不同。如果潤滑、安裝部不合適，則會導致軸承溫度急驟上升，出現異常高溫，這時必須停止運轉，采取必要的防范措施。使用熱傳感器可以隨時監測軸承的工作溫度，并實現溫度超過規定值時自動報警或停止，防止燃軸等事故的發生。
（四） 潤滑
潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等有重要影響。沒有良好的潤滑，軸承就不能正常工作。分析軸承損壞的原因表明，約40%左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸承摩擦和磨損的有效措施。除此之外，軸承的潤滑還有散熱，防銹、密封、緩和沖擊等多種作用。軸承潤滑的作用可以簡要說明如下：
a. 在相互接觸的二滾動表面或滑動表面之間形成一層油膜把二表面隔開，減少接觸表面的摩擦和磨損。
b. 采用油潤滑時，特別是采用循環油潤滑、油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內部的大部分摩擦熱，起到有效的散熱作用
c. 采用脂潤滑時，可以防止外部的灰塵等異物進入軸承，起到封閉作用。
d. 潤滑劑都有防止金屬銹蝕的作用。
e. 延長軸承的疲勞壽命。
2.3 滾動軸承故障診斷的現狀及發展趨勢
自二十世紀六十年代以來，國內外學者對軸承的故障診斷做了大量的研究工作，各種方法與技巧不斷產生、發展和完善，應用領域不斷擴大，診斷精度也不斷提高。時至今日，故障診斷技術己成為一門獨立的跨學科的綜合信息處理技術，它以可靠性理論、信息論、控制論、系統論為理論基礎，以現代測試儀器和計算機為技術手段，結合各種診斷對象（系統、設備、機器、裝置、工程結構、工藝過程等）的特殊規律而逐步形成一門新興的學科。 總的來說，軸承故障診斷的發展經歷了以下幾個階段：
階段：利用通用的頻譜分析儀診斷軸承故障。
第二階段：利用沖擊脈沖技術診斷軸承故障。
第三階段：利用共振解調技術診斷軸承故障。
第四階段：以計算機為中心的故障診斷。
伴隨著軸承故障診斷這四個階段的發展，故障診斷理論和新的信號測試與處理方法也不斷地出現。但就基于信號處理技術的診斷方法而言，可以分為兩大類：一是基于傳統信號處理的故障診斷方法，如頻譜分析法、幅值參數指標分析法、沖擊脈沖法、共振解調法等；二是基于現代信號處理的故障診斷方法，如現代譜分析法、時頻分析法、非高斯信號處理法、非線性技術處理法、智能診斷法等方法。
隨著現代數學、信息科學、計算機技術、電子技術、人工智能技術、網絡技術等更加廣泛和深入地應用，故障診斷技術與當前前沿科學的融合是故障診斷技術的發展方向。當今故障診斷技術的發展趨勢是傳感器的精密化、多維化，診斷理論和診斷模型的多元化，診斷技術的智能化。總的來說，主要表現在下述幾個方面：
(l) 故障診斷的遠程化。
(2) 故障診斷方法的相互融合。
(3) 與多元傳感器信息的融合。
(4) 診斷技術與虛擬儀器的結合。
2.4 現有診斷技術的局限性及急待解決的問題
在以往的經典信號分析與處理方法中，為了便于分析與處理，對待分析對象進行一些理性化的處理和簡化，例如假設被分析的信號具有線性性、平穩性和Z小相位等特征，并在此基礎上形成了完整的理論體系和方法。但是，在工程實際應用中，這樣的簡化常常忽略了信號中的一些重要特征，特別是一些非平穩的信息，這些信息往往預示著設備狀態的發展趨勢。利用傳統方法對滾動軸承進行狀態監測與分析時，不能充分反映出軸承的真實運轉情況。對于工作在較為理想工況條件下的簡單機械設備，分析結果尚可；對于精密機械設備或者是在復雜的工況條件下的設備，則診斷結果常常差強人意，誤診和漏診現象的大量出現，這是影響設備狀態監測與診斷技術的推廣和進一步發展的Z主要原因。
隨著各種新興的信號與信息處理方法的引入，如Priestley演變譜、短時Fourier變換、Cohen類時頻表示（如Wigner-Ville分布、Cohen分布）、小波分析、非線性時間序列分析等，振動信號分析方法在非線性、非穩態和非高斯特征處理方面有了長足的進步，帶來了一定的社會和經濟效益。但是，上述幾種信號處理方法本身也存在一些固有的缺陷，例如并未充分考慮到旋轉機械設備固有的周期時變特性。演變譜方法要求時變信號需要具有多個觀測記錄，而短時Fourier變換和Cohen類時頻表示通常要求非平穩信號是慢變化的等等。
此外，現有的信號分析技術在低信噪比振動信號的特征提取方面，并未取得突破性進展。滾動軸承的振動信號由于經歷復雜傳遞途徑所帶來的干擾，往往造成故障信息淹沒在背景噪聲和干擾之中，從而使信號特征提取變得異常困難。
參考文獻
[1] 馬曉建, 陳瑞琪, 吳文英, 周保堂, 賀世正. 機械故障診斷中常用解調方法的比較及應用[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2001,(05).
[2] 何曉霞, 沈玉娣, 張西寧. 連續小波變換在滾動軸承故障診斷中的應用[J]. 機械科學與技術, 2001,(04).
[3] 王平, 廖明夫. 滾動軸承故障特征信息的自動提取方法研究[J]. 機械強度, 2003,(06).
隨著科技的發展，現代工業正逐步向生產設備大型化、復雜化、高速化和自動化方向發展，在提高生產率、降低成本、節約能源、減少廢品率、保證產品質量等方面具有很大的優勢。
但是，由于故障所引起的災難性事故及其所造成的對生命與財產的損失和對環境的破壞等也是很嚴重的，這就使得人們對諸如航空航天器、核電站、熱電廠及其他大型化工設備的可靠性、安全性提出了越來越高的要求。除了在設計與制造階段，通過改進可靠性設計、研究和應用新材料、新工藝以及加強生產過程中的質檢控制措施提高系統的可靠性與安全性外，提高系統可靠性與安全性的另一個重要途徑就是對系統的工作狀態進行實時的監測與診斷，從而實現對設備的有效控制，并對災難性故障的發生進行預警，為采取相應的補救措施提供有效的信息。故障診斷理論就是為了滿足對系統可靠性和安全性要求的提高，減少并控制災難性事故的發生而發展起來的。因此，故障診斷理論的發展必將促進故障監測和監控系統的快速發展與廣泛應用，從而可以進一步的提高系統運行的可靠性與安全性，并由此產生巨大的經濟和社會效益。
與其他機械零部件相比，滾動軸承有一個很獨特的特點，那就是其壽命的離散性很大。由于軸承的這一特點，在實際使用中就會出現這樣一種情況：有的軸承已大大超過其設計壽命而依然能正常地工作，而有的軸承遠未達到其設計壽命就出現各種故障。因此，如果按照設計壽命對軸承進行定期維修：一方面，會造成將超過設計壽命而仍正常工作的軸承拆下來作報廢處理，造成浪費；另一方面，未達到設計壽命而出現故障的軸承沒有被及時的發現，直到定期維修時才被拆下來報廢，使得機器在軸承出現故障后和報廢前這段時間內工作精度降低，或者未到維修時間就出現嚴重故障，導致整部機器陷于癱瘓狀態。因此，進行滾動軸承工作狀態及故障的早期檢測與故障診斷，對于設備安全平穩運行具有重要的實際意義。
二、滾動軸承故障診斷技術研究現狀及發展趨勢
2.1 滾動軸承的故障特點
滾動軸承具有一個突出的特點，其壽命離散程度非常大。若僅呆板地按照設計壽命對軸承進行定期維修，是很不科學的。軸承使用中，要隨時進行工況的監測和故障的判別。這樣不僅可以防止設備工作精度下降，減少事故發生的機率，還可以Z大限度地發揮軸承的工作潛力，節省開支。
輕微損傷的軸承可以從使用情況，特別是軸承工作表面的磨損狀況、磨損軌跡等征兆來推斷出其失效的真正原因。損傷嚴重的軸承是因突發事故而完全報廢的軸承，Z終的破損狀況往往早已掩蓋了初始損傷的痕跡，暴露出來的只是軸承Z終咬死和燒毀的現象，以及已破損的軸承零件的殘骸。這些原因使得人們容易混淆軸承損傷的Z主要根源，只能從軸承的工作條件、潤滑狀況、支承的整體結構以及損傷的形式做出推斷，并借助其他科學的分析方法來驗證。因此，在滾動軸承的實際使用過程中，應該立足于軸承損傷狀況的監測與識別，研究早期故障診斷技術，以預防因軸承損傷而引發的停機、停產和設備損壞等重大經濟損失和人員傷亡事故。
2.2 滾動軸承運轉中的常用檢查項目
軸承運轉中需要監測檢查的項目主要有：軸承的滾動聲、振動情況、溫度、潤滑的狀態等，具體情況如下：
（一） 軸承的滾動聲
對運轉中的軸承的滾動聲的大小及音質進行檢查，即使有輕微的剝離等損傷，也會發出異常音和不規則音。通過對這些聲音的分析，可以作為判斷軸承運行狀況良好與否的依據之一。
（二） 軸承的振動
軸承振動對軸承的損傷很敏感，例如剝落、壓痕、銹蝕、裂紋、磨損等都會在軸承振動測量中反映出來。所以，通過采用特殊的軸承振動測量器（如頻率分析器等）可測量出振動的大小。通過對振動頻率的分析，進一步推斷異常情況。但是由于測得的數值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置等不同而又有所差別，因此需要事先對每臺機器的測量值進行分析比較后確定判斷標準。
（三） 軸承的溫度
通常，軸承的溫度隨著運轉開始慢慢上升，1-2小時后達到穩定狀態。軸承的正常溫度因機器的熱容量，散熱量，轉速及負載而不同。如果潤滑、安裝部不合適，則會導致軸承溫度急驟上升，出現異常高溫，這時必須停止運轉，采取必要的防范措施。使用熱傳感器可以隨時監測軸承的工作溫度，并實現溫度超過規定值時自動報警或停止，防止燃軸等事故的發生。
（四） 潤滑
潤滑對滾動軸承的疲勞壽命和摩擦、磨損、溫升、振動等有重要影響。沒有良好的潤滑，軸承就不能正常工作。分析軸承損壞的原因表明，約40%左右的軸承損壞都與潤滑不良有關。因此，軸承的良好潤滑是減小軸承摩擦和磨損的有效措施。除此之外，軸承的潤滑還有散熱，防銹、密封、緩和沖擊等多種作用。軸承潤滑的作用可以簡要說明如下：
a. 在相互接觸的二滾動表面或滑動表面之間形成一層油膜把二表面隔開，減少接觸表面的摩擦和磨損。
b. 采用油潤滑時，特別是采用循環油潤滑、油霧潤滑和噴油潤滑時，潤滑油能帶走軸承內部的大部分摩擦熱，起到有效的散熱作用
c. 采用脂潤滑時，可以防止外部的灰塵等異物進入軸承，起到封閉作用。
d. 潤滑劑都有防止金屬銹蝕的作用。
e. 延長軸承的疲勞壽命。
2.3 滾動軸承故障診斷的現狀及發展趨勢
自二十世紀六十年代以來，國內外學者對軸承的故障診斷做了大量的研究工作，各種方法與技巧不斷產生、發展和完善，應用領域不斷擴大，診斷精度也不斷提高。時至今日，故障診斷技術己成為一門獨立的跨學科的綜合信息處理技術，它以可靠性理論、信息論、控制論、系統論為理論基礎，以現代測試儀器和計算機為技術手段，結合各種診斷對象（系統、設備、機器、裝置、工程結構、工藝過程等）的特殊規律而逐步形成一門新興的學科。 總的來說，軸承故障診斷的發展經歷了以下幾個階段：
階段：利用通用的頻譜分析儀診斷軸承故障。
第二階段：利用沖擊脈沖技術診斷軸承故障。
第三階段：利用共振解調技術診斷軸承故障。
第四階段：以計算機為中心的故障診斷。
伴隨著軸承故障診斷這四個階段的發展，故障診斷理論和新的信號測試與處理方法也不斷地出現。但就基于信號處理技術的診斷方法而言，可以分為兩大類：一是基于傳統信號處理的故障診斷方法，如頻譜分析法、幅值參數指標分析法、沖擊脈沖法、共振解調法等；二是基于現代信號處理的故障診斷方法，如現代譜分析法、時頻分析法、非高斯信號處理法、非線性技術處理法、智能診斷法等方法。
隨著現代數學、信息科學、計算機技術、電子技術、人工智能技術、網絡技術等更加廣泛和深入地應用，故障診斷技術與當前前沿科學的融合是故障診斷技術的發展方向。當今故障診斷技術的發展趨勢是傳感器的精密化、多維化，診斷理論和診斷模型的多元化，診斷技術的智能化。總的來說，主要表現在下述幾個方面：
(l) 故障診斷的遠程化。
(2) 故障診斷方法的相互融合。
(3) 與多元傳感器信息的融合。
(4) 診斷技術與虛擬儀器的結合。
2.4 現有診斷技術的局限性及急待解決的問題
在以往的經典信號分析與處理方法中，為了便于分析與處理，對待分析對象進行一些理性化的處理和簡化，例如假設被分析的信號具有線性性、平穩性和Z小相位等特征，并在此基礎上形成了完整的理論體系和方法。但是，在工程實際應用中，這樣的簡化常常忽略了信號中的一些重要特征，特別是一些非平穩的信息，這些信息往往預示著設備狀態的發展趨勢。利用傳統方法對滾動軸承進行狀態監測與分析時，不能充分反映出軸承的真實運轉情況。對于工作在較為理想工況條件下的簡單機械設備，分析結果尚可；對于精密機械設備或者是在復雜的工況條件下的設備，則診斷結果常常差強人意，誤診和漏診現象的大量出現，這是影響設備狀態監測與診斷技術的推廣和進一步發展的Z主要原因。
隨著各種新興的信號與信息處理方法的引入，如Priestley演變譜、短時Fourier變換、Cohen類時頻表示（如Wigner-Ville分布、Cohen分布）、小波分析、非線性時間序列分析等，振動信號分析方法在非線性、非穩態和非高斯特征處理方面有了長足的進步，帶來了一定的社會和經濟效益。但是，上述幾種信號處理方法本身也存在一些固有的缺陷，例如并未充分考慮到旋轉機械設備固有的周期時變特性。演變譜方法要求時變信號需要具有多個觀測記錄，而短時Fourier變換和Cohen類時頻表示通常要求非平穩信號是慢變化的等等。
此外，現有的信號分析技術在低信噪比振動信號的特征提取方面，并未取得突破性進展。滾動軸承的振動信號由于經歷復雜傳遞途徑所帶來的干擾，往往造成故障信息淹沒在背景噪聲和干擾之中，從而使信號特征提取變得異常困難。
參考文獻
[1] 馬曉建, 陳瑞琪, 吳文英, 周保堂, 賀世正. 機械故障診斷中常用解調方法的比較及應用[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2001,(05).
[2] 何曉霞, 沈玉娣, 張西寧. 連續小波變換在滾動軸承故障診斷中的應用[J]. 機械科學與技術, 2001,(04).
[3] 王平, 廖明夫. 滾動軸承故障特征信息的自動提取方法研究[J]. 機械強度, 2003,(06).
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