滚动轴承监测技术--冲击脉冲法

一、 滚动轴承故障诊断技术的发展

滚动轴承是旋转机器中的重要零件，在各机械部门中应用最为广泛。因它具有一系列显著的优点，例如：摩擦系数小，运动精度高，对润滑剂的粘度不敏感，在低速下也能承受载荷。有些轴承还能同时承受径向和轴向力，但是，滚动轴承也是机器中最易损坏的零件之一。据统计，旋转机械的故障有30%是由轴承引起的。所以对滚动轴承的故障监测和诊断一直是近年来国内外发展机械故障诊断技术的重点。其发展状况如下：

·最原始的方法是将听音棒（或螺丝刀）接触轴承座部位，靠听觉来判断有无故障。虽然训练有素的人能觉察到轴承刚发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。

·出现各种测振仪后，可用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这可减少对人为经验的依赖。但仍很难发现早期故障。

·60年代瑞典一公司发明了冲击脉冲计（Shock Pulse Meter）来检测轴承损伤，既快速、简单又准确，代表仪器是MEPA-10A；SPM-43A。

·70年代日本新日铁株式会社研制了MCV-021A机器检测仪（Machine Checker），可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。另有油膜检查仪，可探测油膜状况而对其润滑状态进行监测。

·80年代日本精工公司（NSK）相继研制了轴承监视仪NB-1、NB-2、NB-3、NB-4型。利用1KHZ～15KHZ范围内的轴承振动信号，测量其RMS值和峰值来检测轴承的故障。由于去掉了低频干扰，灵敏度有所提高，其中还有报警设置。

随着对滚动轴承的运动学、动力学的深入研究，对轴承的振动信号中的频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了较清楚的了解。加之，快速付里叶变换技术的发展，开创了用频域分析方法来检测和诊断轴承的故障。

以上研究奠定了这方面的理论基础，现已有多种信号处理技术用于滚动轴承的故障诊断和监测。如频率细化技术、倒频谱、色络谱等，在信号预处理上采用了各种滤波技术，如相干波，自适应滤波等，提高了诊断灵敏度。

除了用振动信号监测轴承外，还发展了其它技术。如，油污染分析法（光谱测定、磁屑探测和铁谱分析），声发对法，声响诊断和电阻法等，使用得最广泛的还是振动监测法，其中冲击脉冲法又是最受欢迎的一种检测诊断方法。

二、 冲击脉冲技术的发展及国内跟踪该技术的现状

1. 冲击脉冲法原理（瑞典人发明，在美国获得专利）

对轴承寿命影响很大的因素是安装、工作状况和维修保养，为了防止轴承的突然损坏造成的后果最理想的办法是随时掌握轴承的工作状态，过去，为此目的试用过测温、测振和测声的方法，现在发明了一种新方法--冲击脉冲法。原理是掌握轴承内部损坏引起的机械冲击。

为了说明冲击脉冲法，不妨看看机械冲击过程中发生的现象，当一个钢球垂直掉到一个钢棒上时，在碰撞的冲击点处产生一个很大的冲击加速度，这加速度的幅度全由冲击速度决定，而不受材料的质量、设计或任何机械振动的影响。在钢棒的冲击点处会产生一系列压缩波，此压缩波是一个衰减波，并以超声的速度在钢棒内传播，在钢棒一端用一个传感器接受此信号，就可得到与冲击大小对应的冲击脉冲信号。

假如，此钢球是滚动轴承内的一个滚动体，而滚道上有一个缺陷区（剥落、裂纹、凹坑和高低不平的粗糙区）那么在滚动轴承运转中，就会发生如上的撞击现象，产生的冲击脉冲信号会传递到轴承座上，同样，可用一个传感器去接受此冲击脉冲信号。（图2）

滚动轴承不同于其它机械零件，产生的冲击脉冲信号不同于一般机器的振动信号，它的振动信号频率范围很宽，信噪比很低，信号传递路径上的衰减量大，提取它的特征信息还必须采用一些特殊的检测技术和处理方法。冲击脉冲法就是诸多方法中的一种。

此方法可在轴承的正常工作过程中测定轴承的状况而不受机械的原始设计、大小、振动或噪声的影响，用此方法制作的仪器在测试时能排除机器和轴承本身的振动影响，直接判断轴承的状态和寿命。并能早期发现和识别滚动轴承因制造不良、装配不良、润滑不良及使用中旋转面产生伤痕等与轴承寿命有关的异常原因、劣化程度和发展趋势。

使用冲击脉冲仪的目的，主要是利用轴承的全部寿命，避免不必要的更换，通过不断测量，获得一个逼近的轴承失效早期报警，减少设备故障率，及无计划的不必要的维修工作。

2. 瑞典SPM公司冲击脉冲技术的应用与发展

该公司根据冲击脉冲原理开发的产品有：
SPM-43A；BEA-52；BAS-10；system32；BMS；A2010；T2000。

（1） SPM-43A冲击脉冲计

予置被测轴承的内径与转速，确定dB1值，测量dBM、dBC值、在dBN标准上（红、黄、绿区）判断轴承的工作状态和损伤程度以及润滑、安装状况。

（2） BEA-52电脑轴承分析仪

SPM公司凭多年对冲击脉冲技术的研究，结合先进的电脑技术，在1985年正式推出电脑轴承分析仪。在予置标准编号、类型号后，可显示轴承工作状态及润滑状态（油膜厚度）。
合适的油膜厚度可延长轴承的寿命。 [p]

（3） BAS-10轴承分析计算机

是一台手提专用计算机
·可测出轴承工作状态与油膜厚度
·另可采集、分析、记存及显示读数
·SPM软件可与普通IBM或同级功能之电脑联接，可进行检测程序的编定/更改，读数的处理/输出、报警电平、报表打印等。

（4） system32

机器的轴承和振动监测自动报警系统。
特点：对重要轴承在线监测，故障报警。

（5） BMS（Bearing Monitoring System）

用于滚动轴承的计算机控制连续监控系统。
·轴承信号在程序控制的时间里扫描并由计算机程序来评定；
·BMS系统结聚了15年之多的轴承监测设备的实用经验，硬件与软件是由工业状态监控和预防维修方面的专家设计；
·一个BMS测量单元监控16个轴承，系统能涉及轴承多达4000个；
·冲击脉冲读数是自动评价，并变换成轴承状态数据，被储存显示、打印；
·特点：轴承监测联网、多路。

（6） A2010冲击脉冲分析仪

集冲击脉冲计、振动仪、转速功能于一体的多功能检测仪。
·冲击脉冲测量同BEA-52
·振动测量中，内设ISO2372标准，测量值与之比较后判断机器状态。（直接提供给检测人员）。

（7） T2000冲击脉冲检测仪

集冲击脉冲计、振动仪、转速表功能于一体的多功能检测仪。
·冲击脉冲测量同SPM-43A
·振动测量中，内设ISO2372标准，测量值与之比较后，判断机器状态（直接提供给检测人员）。

3. 国内跟踪该技术的现状

冲击脉冲技术最早70年代末进入我国，80年代初在上海宝钢、金山石化总厂看到国外的冲击脉冲计及在应用的情况。通过查阅资料，了解到该技术在世界上应用已相当广泛，美国人应用在航空上，日本东芝公司制成较复杂的轴承异常判定器，在美、英、日等国出版的机械故障诊断方面的书籍和手册中都介绍了有关仪器，我国各厂矿、企业单位得到消息和使用后，都纷纷要求有这类仪器。

国内的设备故障诊断技术开发研制单位在充分消化了国内外有关冲击脉冲技术的资料与仪器后，通过努力研制出一系列国产的冲击脉冲仪器，技术性能指标已达到国际先进同类产品的水平。其中有CMJ-10电脑冲击脉冲计；BT2000智能轴承故障测试仪；BA2010智能轴承故障分析仪，并已在国内各行业中广泛应用，有些企业已把该方法订到设备管理制度中去了。

随着设备管理现代化，除了便携式冲击脉冲计应用外，对重要设备的轴承在线监测系统也逐步提到议事日程上来了。

三、 CMJ-10；BT2000；BA2010仪器简介

1. CMJ-10电脑冲击脉冲计

该仪器是一种专门用于检查旋转机械中滚动轴承运转状况的机械故障诊断仪器，主要功能是用冲击脉冲方法来测量已装机的滚珠（或滚柱）轴承的工作状态并判断其损伤程度。只需输少量的数据，通过测量即可用良好（绿）；警告（黄）；坏（红）三挡直接显示机器轴承的状况。

2. BT2000智能轴承故障测试仪

BT2000智能轴承故障测试仪是集冲击脉冲仪，振动仪于一体的多功能设备故障诊断仪器，主要功能
·可用于定量检测运行中滚动轴承的损伤程度和润滑程度。
·内置ISO2372振动标准，通过输入被测机器的类型与少量数据，可直接显示机器振动的状况（用良好、警告、坏三档来评估）。

3. BA2010智能轴承故障分析仪

BA2010智能轴承故障分析仪集轴承、故障分析仪（冲击脉冲仪）、振动测量仪功能于一体。它用来检查旋转机械的运行状态，从而探测出机械故障并为有效的预防性检修提供数据。可广泛应用于航空航天、冶金、化工、轻工、船舶制造等领域。

BA2010智能轴承故障分析仪是集轴承故障分析仪，振动测量仪于一体的多功能设备故障诊断仪器，该仪器只需输入少量数据，即可提供轴承运行状况，为轴承提供

·润滑状态数据（润滑号LUB NO）
·损坏程度数据（损伤号COND.NO）
·可直接用良好（绿）、警告（黄）、坏（红）三档评估轴承的状况

另外，仪器内置ISO2372振动标准，通过振动测量，可直接显示机器振动的状况（同样可评估机器振动量级是处于良好、警告、坏中的一级）。

用冲击脉冲方法制成的系列冲击脉冲仪器都可广泛应用于航空航天、冶金、石油、化工、轻工、船舶制造、制药等领域的设备部门，为有效的预防性检修和现代化管理提供科学的数据。