到目前为止，作为“振动测量的基础”五次，自由振动，强迫振动，振动传递率，振动衰减，固有频率和阻尼比，以及振动波形的振幅，频率，相位，如何表达振动(加速度、速度和位移)等。
这次，我讲一下基于振动法的旋转机械的设备诊断。
旋转机械的异常原因可能有很多，但大多数与频率有关。通过进行频率分析并观察振动噪声的频率水平增加，通常可以判断异常原因。
以下项目可能是旋转机械中发生异常振动的典型因素。
- 不平衡
- 错误对齐
- 嘎嘎
- 轴弯曲
- 轴承损坏
- 齿轮损坏
- 与旋转阶数分量的共振
这次，将对其中 (5) 号“轴承损坏”进行简单说明。
滚动轴承通常用于机械的旋转部分、旋转部分和摆动部分。滚动轴承是旋转机械中最重要的部件之一，由于老化严重，需要定期维护。
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图1滚动轴承的运动 -
图2滚动轴承的外圈发生损伤时
图1展示了滚动轴承的运动。当直接与旋转轴相连的内圈旋转时，滚动体（滚珠）在绕地球公转的同时，也绕自身轴线旋转。这种运动类似于月球绕地球公转。滚动体的旋转会产生振动，称为滚动体通过振动。图3展示了正常轴承的振动时域波形。在这种情况下，滚动体通过振动的幅度相对较小。该时域波形是通过将接触式压电加速度传感器连接到轴承壳体上，并使用快速傅里叶变换（FFT）分析仪进行监测而获得的。
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图3正常轴承的振动时间波形(纵轴表示加速度，m/s 2)
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图4有划痕时轴承的振动时间波形(纵轴表示加速度，m/s 2)
例如，如图2所示，当外圈有斑点划痕时，滚动体每次旋转并撞击斑点划痕时都会发生冲击振动。这就像锤击外圈一样，是与工件固有振动频率相当的高频 (通常为几kHz或更高) 冲击振动。此外，这种冲击振动显然是具有一定周期的重复振动。
图5“正常轴承的振动功率谱”和图6“有划痕时轴承的振动功率谱”是图3和图4中时间波形的光谱分析的结果。
在图6中，与图5相比，在接近4kHz的频率下的振动水平增加，这表明高频冲击振动取决于外圈的划痕。
这样，以正常时轴承的初始数据为基准，通过确认其变化量，可判断异常的发生。
具体而言，通过使用振动比较器和FFT比较器等定期监测特定频带的振动水平，可以构建设备诊断系统。
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图5正常轴承的振动功率谱
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图6有划痕时轴承的振动功率谱
在轴承损伤引起的振动诊断中，经常使用进一步推断轴承损伤部位的方法，即使用FFT分析仪的精密诊断技术。
如图4所示，滚动轴承上发生点状划痕时，会出现反复的冲击振动。该冲击振动发生的周期因滚动轴承上发生划痕的部位(内圈、外圈、滚动体)而异。
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图7在滚动轴承中发生的冲击振动
因此，如图7所示，确定冲击振动的发生周期，即其倒数频率，即可确定损伤部位。
设定项目
f 0:轴的同转频率 [Hz]
D:轴承的节圆直径 [mm]
d:滚动体的直径 [mm]
a:滚动体的接触角 [deg]
Z:滚动体数量
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图8滚动轴承的结构和划痕冲击振动的频率计算公式
如图8所示，通过了解轴承的参数和旋转体的旋转速度，可以求出划痕引起的冲击振动的重复频率(注意:在这里，每个原因只有一个划痕)。
如果我们分别用 f in、f out和 f ball表示由内圈、外圈和滚动体损伤引起的冲击振动频率，那么一般来说，f out < f in < f ball。
那么，如何获得由于滚动体的划痕引起的冲击振动的重复频率?
如图7所示，实际的冲击波形的频率高达数kHz以上，希望对其求出的冲击振动的反复频率通常为数10 Hz,非常低，因此，如果直接在低频率范围内分析原来的振动波形，就会漏掉高频率成分，无法获得该反复频率的信息。通过对冲击性振动波形进行包络处理 (图9)，将其转换为相对简单的时间波形，然后在较低频率范围内对其进行分析，就可以得到冲击振动的重复频率。
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图9对图7的冲击波形进行包络处理后的时间波形 (蓝线)
图10是实际进行包络处理的系统的构成例，在进行包络处理之前，旋转1次成分和低频振动成分在提取冲击波形状时会产生噪声，因此使用带通滤波器去除不必要的振动成分是该测量的技术诀窍。
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图10滚动轴承精密诊断的测量结构图
图11是对实际冲击振动时间波形进行包络处理后的时间波形示例，说明了划痕周期。
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图11有划痕轴承振动的包络波形
图12显示了对此包封时间波形进行频率分析的结果。此时的光谱峰频率为71 Hz,与此相对，通过计算求出的外圈受损时的频率为71.13 Hz,该轴承能够判定外圈受损。
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图12外圈有损伤的轴承振动的包络处理后的光谱(图表右侧的fout是计算得到的值)
最后，总结一下。
- 旋转机械的异常通常是由于振动和噪声信号的频率分量的差异，这是FFT分析仪的重要应用之一。
- 如果滚动轴承的内圈、外圈、滚动体 (滚珠) 的某处有斑点伤痕，就会出现被称为滚动体通过振动的冲击性的反复振动。
- 由于斑点划伤引起的冲击性振动是构成轴承的部件的共振现象，因此其频带为数kHz以上的高频。
- 冲击性振动的反复频率，根据轴承的哪个部分有损伤会出现差异，所以经常使用分析其频率成分的精密诊断技术。
- 为了提取冲击振动的重复频率，将带通滤波器和包络处理作为预处理进行频率分析。
【关键词】
滚动轴承、内圈、滚动体、传递到滚动体的振动、FFT分析仪、压电加速度传感器、外圈、点划痕、固有频率、振动比较器、精密诊断技术、包络线、带通滤波器
【参考】
“旋转机械诊断的进行方法”丰田利夫著日本工厂维护协会 (1991年)
“FFT分析器活用手册”城户健一编著日本工厂维护协会 (1984年)
(摘自2016年7月22日发行的电子邮件杂志)
