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1、第七章 滚动轴承的故障机理与诊断第一节 滚动轴承故障的主要形式与原因滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分或异物侵入、腐蚀和过载等都可能导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑、和使用维护都正常德情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的滚动轴承的主要故障形式与原因如下：1. 疲劳剥落滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷有相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪
2、声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴承故障监测的重要性。2. 磨损由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。此外
3、，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。3. 塑性变形当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。4. 锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也
4、会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。5. 断裂过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。6. 胶合在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。7. 保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间
5、的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。第二节 滚动轴承的振动机理与信号特征滚动轴承的振动可由外部振源引起，也可由轴承本身的结构特点及缺陷引起。此外，润滑剂在轴承运转时产生的流体动力也可以是振动（噪声）源。上述振源施加于轴承零件及附近的结构件上时都会激励起振动。一、 滚动轴承振动的基本参数1. 滚动轴承的典型结构滚动轴承的典型结构如图7.1所示，它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。图7.1 滚动轴承的典型结构图示滚动轴承的几何参数主要有： 轴承节径D： 轴承滚动体中心所在的圆的直径 滚动体直径d：
6、滚动体的平均直径 内圈滚道半径r1：内圈滚道的平均半径 外圈滚道半径r2：外圈滚道的平均半径 接触角 ： 滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角 滚动体个数Z： 滚珠或滚珠的数目2. 滚动轴承的特征频率为分析轴承各部的运动参数，先做如下假设：(1) 滚道与滚动体之间无相对滑动；(2) 承受径向、轴向载荷时各部分无变形；(3) 内圈滚道回转频率为fi;(4) 外圈滚道回转频率为fO;(5) 保持架回转频率（即滚动体公转频率为fc）。参见图7.1，则滚动轴承工作时各点的转动速度如下：内滑道上一点的速度为：Vi=2r1fi=fi(D-dcosa)外滑道上一点的速度为：VO=2r2fO=fO(D+dco
7、sa)保持架上一点的速度为： Vc=1/2(Vi+VO)=fcD由此可得保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）为：从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的回转频率之比与d/2r1成反比。由此可得滚动体相对于保持架的回转频率（即滚动体的自转频率，滚动体通过内滚道或外滚道的频率）：根据滚动轴承的实际工作情况，定义滚动轴承内、外圈的相对转动频率为。一般情况下，滚动轴承外圈固定，内圈旋转，即： ， 同时考虑到滚动轴承有Z个滚动体，则滚动轴承的特征频率如下：滚动体在外圈滚道上的通过频率为：滚动体在内圈滚道上的通过频率为：
8、滚动体在保持架上的通过频率（即滚动体自转频率）为：3. 止推轴承的特征频率止推轴承可以看作上述滚动轴承的一个特例，即90，同时内、外环相对转动频率为轴的转动频率，此时滚动体在止推环滚道上的频率为： 滚动体相对于保持架的回转频率为： 以上各特征频率是利用振动信号诊断滚动轴承故障的基础，对故障诊断非常重要。4. 滚动轴承的固有振动频率滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时的振动频率为轴承各部分的固有频率。固有振动中，内、外圈的振动表现最明显，如图7.2所示图7.2滚动轴承套横截面简化图与径向弯曲振动振型示意图轴承圈在自由状态下的径向弯曲振动的固有频率为：式中n振动阶数（变
9、形波数），n2，3，；E弹性模量，钢材为210GPa； I套圈横截面的惯性矩，mm 4；密度，钢材为7.86X10-6kg /mm3；A套圈横截面积，Abh，mm 2；D套圈横截面中性轴直径，mm；g重力加速度，g9800mm /S2。对钢材，将各常数代入式得有时钢球也会产生振动，钢球振动的固有频率为：式中R钢球半径；E弹性模量，钢材为210GPa ;密度，钢材为7.86X10-6kg /mm3；g重力加速度，g9800mm /S2。5滚动轴承特征频率表为方便使用，将以上介绍的滚动轴承各特征频率列于表1中。表1：滚动轴承特征频率表二、 故障轴承的信号特征轴承发生故障后，其振动特征会有明显的变化
10、，主要有以下几方面。1.疲劳剥落损伤当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后（图7.3以夸大的方式画出了疲劳剥落坑），在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。图7.4给出了钢球落下产生的冲击过程的示意图。在冲击的第一阶段，在碰撞点产生很大的冲击加速度图7.4(a）和（b），它的大小和冲击速度v成正比（在轴承中与疲劳损伤的大小成正比）。第二阶段，构件变形产生衰减自由振动（图c），振动频率取决于系统的结构，为其固有频率（图d）。振幅的增加量A也与冲击速度v成正比（图e)。在滚动轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱可从直流延展到10050
11、0kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起轴承一传感器系统的固有振动。由于从冲击发生处到测量点的传递特性对此有很大影响，因此测点位置选择非常关键，测点应尽量接近承载区，振动传递界面越少越好。图7.3：轴承零件上疲劳剥落坑有疲劳剥落故障轴承的振动信号如图7.5(a)所示，图7.5 (b）为其简化的波形。T取决于碰撞的频率，T=1/f，f为碰撞频率。在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚道上的通过率或或滚动体自转频率。图7.4：冲击过程示意图图7.5：有疲劳剥落信号故障轴承的振动信号2磨损随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升，振动信号呈现较强的随机性，峰值与RMS值的比值从5左
12、右逐渐增加到5.56。如果不发生疲劳剥落，最后振动幅值可比最初增大很多倍，变化情况见图7.6。图7.6 轴承磨损时振动加速度3胶合图7.7为一运转过程中发生胶合的滚动轴承的振动加速度及外圈温度的变化情形。在A点以前，振动加速度略微下降，温度缓慢上升。A点之后振动值急剧上升，而温度却还有些下降，这一段轴承表面状态已恶化。在B点以后振动值第二次急剧上升，以致超过了仪器的测量范围，同时温度也急剧上升。在B点之前，轴承中已有明显的金属与金属的直接接触和短暂的滑动，B点之后有更频繁的金属之间直接接触及滑动，润滑剂恶化甚至发生炭化，直至发生胶合。从图中可以看出，振动值比温度能更早地预报胶合的发生，由此可见
13、轴承振动是一个比较敏感的故障参数。图7.7 发生胶合的试验曲线第三节 滚动轴承的振动测量与简易诊断由于滚动轴承的故障信号具有冲击振动的特点，频率极高，衰减较快，因此利用振动信号对其进行监测诊断时，除了参考前面已经介绍的旋转机械、往复机械的振动测试方法以外，还应根据其振动特点，有针对性地采取一些措施和方法。一、 测点的选择滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架。由于冲击振动所含的频率很高，每通过零件的界面传递一次，其能量损失约80。因此，测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减
14、少中间传递环节，探测点离轴承外圈的距离越近越直接越好。图1表示了传感器位置对故障检测灵敏度的影响。在图1 (a)中，假如传感器放在承载方向时为100%，则在承载方向士45方向上降为95（- 5dB），在轴向则降为22%-25%（-1213dB）。在图1 (b)中，当止推轴承发生故障产生冲击并向外散发球面波时，假如在轴承盖正对故障处的读数为100%，则在轴承座轴向的读数降为5%（-19dB)。在图1 (c) 和(d)中给出了传感器安装的正确位置和错误位置，较粗的弧线表示振动较强烈的部位，较细的弧线表示因振动波通过界面衰减导致振动减弱的情形。图7.8 传感器位置对故障检测灵敏度的影响由于滚动轴承的
15、振动在不同方向上反映出不同的特性，因此应尽量考虑在水平（x）、垂直（y）和轴向（z）三个方向上进行振动检测，但由于设备构造、安装条件的限制，或出于经济方面的考虑，不可能在每个方向上都进行检测，这时可选择其中的两个方向进行检测。二、 传感器的选择与固定方式根据滚动轴承的结构特点，使用条件不同，它所引起的振动可能是频率约为1kHz以下的低频脉动（通过振动），也可能是频率在1kHz以上，数千赫乃至数十千赫的高频振动（固有振动），通常情况下是同时包含了上述两种振动成分。因此，检测滚动轴承振动速度和加速度信号时应同时覆盖或分别覆盖上述两个频带，必要时可以采用滤波器取出需要的频率成分。考虑到滚动轴承多用于
16、中小型机械，其结构通常比较轻薄，因此，传感器的尺寸和重量都应尽可能地小，以免对被测对象造成影响，改变其振动频率和振幅大小。滚动轴承的振动属于高频振动，对于高频振动的测量，传感器的固定采用手持式方法显然不合适，一般也不推荐磁性座固定，建议采用钢制螺栓固定，这样不仅谐振频率高，可以满足要求，而且定点性也好，对于衰减较大的高频振动，可以避免每次测量的偏差，使数据具有可比性。三、 分析谱带的选择滚动轴承的故障特征在不同频带上都有反映，因此，可以利用不同的频带，采用不同的方法对轴承的故障做出诊断。1 低频段在滚动轴承的故障诊断中，低频率段指1kHz以下的频率范围。一般可以采用低通滤波器（例如截止频率fb
17、1kHz）滤去高频成分后再作频谱分析。由于轴承的故障特征频率（通过频率）通常都在1kHz以下，此法可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断。由于在这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反映故障的频率成分在低频段的能量很小，因此，信噪比低，故障检测灵敏度差，目前已较少采用。2 中频段在滚动轴承的故障诊断中，中频段指120kHz频率范围。同样，利用该频率时也可以使用滤波器。(1) 高通滤波器使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除机械干扰；然后用信号的峰值、RMS值或峭度系数作为监测参数。许多简易的轴承监测仪器仪表都采用这种方式。(2) 带通滤波器使用带通
18、滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，用通带内的信号总功率作为监测参数，滤波器的通带截止频率根据轴承类型及尺寸选择，例如对309球轴承，通带中心频率为2 .2kHz左右，带宽可选为12kHz。3高频段在滚动轴承的故障诊断中，高频率段指2080kHz频率范围。由于轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段，如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊断非常有效。四、 滚动轴承的简易诊断利用滚动轴承的振动信号分析故障诊断的方法可分为简易诊断法和精密诊断法两种。简易诊断的目的是为了初步判断被列为诊断对象的滚动轴
19、承是否出现了故障；精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为出现了故障的轴承的故障类别及原因。一、 滚动轴承故障的简易标准在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常需要将测得的振值（峰值、有效值等）与预先给定的某种判定标准进行比较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来判断轴承是否出现了故障，以决定是否需要进一步进行精密诊断。因此，判定标准就显得十分重要。用于滚动轴承简易诊断的判定标准大致可分为以下三种。(1) 绝对判定标准绝对判定标准是指用于判断实测振值是否超限的绝对量值。(2) 相对判定标准相对判定标准是指对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较，以轴承无故障情况下的振值
20、为基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断的标准。(3) 类比判定标准类比判定标准是指对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振动检测，并，将振值相互比较进行判断的标准。需要注意的是，绝对判定标准是在标准和规范规定的检测方法的基础上制定的标准，因此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有轴承的绝对判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这样才能获得准确、可靠的诊断结果。二、 振动信号简易诊断法(1) 振幅值诊断法这里所说的振幅值指峰值、均值X（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值
21、）以及均方根值（有效值）Xrms。这是一种最简单、最常用的诊断法，它是通过将实测的振幅值与判定标准中给定的值进行比较来诊断的。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采用峰值进行诊断。均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速较高的情况（如300r/min以上）。均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。(2)波形因数诊断法波形因数定义为峰值与均值之比（）。该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。如图7.9所示，当值过
22、大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而小时，则有可能发生了磨损。图7.10 滚动轴承冲击振动的波形因数(3)波峰因数诊断法波峰因数定义为峰值与均方根值之比（XP/Xrms)。该值用于滚动轴承简易诊断的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响。该值适用于点蚀类故障的诊断。通过对XP/Xrms值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障时，XP/Xrms，为一较小的稳定值；一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故XP/Xrms增大；当故障不断扩
23、展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，XP/Xrms逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。(4)概率密度诊断法无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分散的现象，如图7.11所示。图7.11 滚动轴承的损伤(4) 峭度系数诊断法峭度（Kurtosis）定义为归一化的4阶中心矩，即 式中x瞬时振幅； X振幅均值； p（x）概率密度；标准差振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3。随着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。图7.12为一轴
24、承疲劳试验的结果。试验中第74h轴承发生了疲劳破坏，峭度系数由3上升到6图(a)，而此时峰值图(b)和RMS值尚无明显增大。故障进一步明显恶化后，峰值、RMS值才有所反映。图中虚线表示在不同转速（8002700r/min )和不同载荷（011kN）下进行试验时上述各值的变动范围。很明显，峭度系数的变化范围最小，约为士8%。轴承的工作条件对它的影响最小，即可靠性及一致性较高。有统计资料表明，使用峭度系数和RMS值共同来监测，滚动轴承振动情况，故障诊断成功率可达到96以上。图7.12 轴承疲劳试验过程第四节 滚动轴承的精密诊断方法所谓滚动轴承的精密诊断方法，就是在利用简易诊断法确定轴承已经发生故障
25、之后，进一步判定故障的类别和发生部位，以便采取相应对策。滚动轴承的精密诊断与旋转机械、往复机械等精密诊断一样，主要采用频谱分析法。由于滚动轴承的振动频率成分十分丰富，既含有低频成分，又含有高频成分，而且每一种特定的故障都对应特定的频率成分。进行频谱分析之前需要通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来，然后对其进行绝对值处理，最后进行频率分析，以找出信号的特征频率，确定故障的部位和类别。一、轴承内滚道损伤轴承内滚道产生损伤时，如：剥落、裂纹、点蚀等（如图7.13所示），若滚动轴无径向间隙时，会产生频率为（n1，2,）的冲击振动。图7.13：内滚道损伤振动特征通常滚动轴承都有径向间隙，且为单
26、边载荷，根据点蚀部分与滚动体发生冲击接触的位置的不同，振动的振幅大小会发生周期性的变化，即发生振幅调制。若以轴旋转频率fr进行振幅调制，这时的振动频率为nZfi士fr（n1，2）；若以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）fc进行振幅调制，这时的振动频率为nZfifc（n1，2，）。二、轴承外滚道损伤当轴承外滚道产生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等（如图7.14所示），在滚动体通过时也会产生冲击振动。由于点蚀的位置与载荷方向的相对位置关系是一定的，所以，这时不存在振幅调制的情况，振动频率为nZfo ( n1，2,），振动波形如图7.14所示。图7.14 外滚道损伤振动特征三、滚动体损伤当轴承滚动体产
27、生损伤时，如剥落、裂纹、点蚀等，缺陷部位通过内圈或外圈滚道表面时会产生冲击振动。在滚动轴承无径向间隙时，会产生频率为nZfb（n1，2,）的冲击振动。 通常滚动轴承都有径向间隙，因此，同内圈存在点蚀时的情况一样，根据点蚀部位与内圈或外圈发生冲击接触的位置不同，也会发生振幅调制的情况，不过此时是以滚动体的公转频率fc进行振幅调制。这时的振动频率为nzfb士fc，如图7.15所示。图7.15 滚动体损伤振动情况四、轴承偏心当滚动轴承的内圈出现严重磨损等情况时，轴承会出现偏心现象，当轴旋转时，轴心（内圈中心）便会绕外圈中心摆动，如图7.16示，此时的振动频率为nf r（n1, 2,）。图7.16 滚动轴承偏心振动特征
