滾動(dòng)軸承故障診斷

1、滾動(dòng)軸承故障診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的重點(diǎn)，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有相當(dāng)大比例與滾動(dòng)軸承有關(guān)。滾動(dòng)軸承是機(jī)器的易損件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30是因滾動(dòng)軸承引起的，由此可見滾動(dòng)軸承故障診斷工作的重要性。最初的軸承故障診斷是利用聽棒，靠聽覺來判斷。這種方法至今仍在沿用，其中的一部分已改進(jìn)為電子聽診器，例如用電子聽診器來檢查、判斷軸承的疲勞損傷。訓(xùn)練有素的人員憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)茉\斷出剛剛發(fā)生的疲勞剝落，有時(shí)甚至能辨別出損傷的位置，但畢竟影響因素較多，可靠性較差。繼聽棒、電子聽診器之后，在滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作中又引入了各種測振儀，用振動(dòng)位移、速度和加速度的均方根值或峰值來判

2、斷軸承有無故障，這樣減少了監(jiān)測人員對經(jīng)驗(yàn)的依賴性，提高了監(jiān)測診斷的準(zhǔn)確性，但仍很難在故障初期及時(shí)做出診斷。1966年，全球主要滾動(dòng)軸承生產(chǎn)商之一，瑞典SKF公司在多年對軸承故障機(jī)理研究的基礎(chǔ)上發(fā)明了用沖擊脈沖儀（Shock Pulse Meter）檢測軸承損傷，將滾動(dòng)軸承的故障診斷水平提高了一個(gè)檔次。之后，幾十家公司相繼安裝了大批傳感器用于長期監(jiān)測軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在航空飛機(jī)上也安裝了類似的檢測儀器。1976年，日本新日鐵株式會社研制了MCV系列機(jī)器檢測儀（Machine Checker），可分別在低頻、中頻和高頻段檢測軸承的異常信號。同時(shí)推出的還有油膜檢查儀，利用超聲波或高頻電流對軸承的潤滑狀

3、態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，探測油膜是否破裂，發(fā)生金屬間直接接觸。1976-1983年，日本精工公司（NSK）相繼研制出了NB系列軸承監(jiān)測儀，利用115kHz范圍內(nèi)的軸承振動(dòng)信號測量其RMS值和峰值來檢測軸承故障。由于濾除了低頻干擾，靈敏度有所提高，其中有些型號的儀器儀表還具有報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)功能。隨著對滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深入研究，對于軸承振動(dòng)信號中的頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類型的關(guān)系有了比較清楚的了解，加之快速傅里葉變換技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了用頻域分析方法來檢測和診斷軸承故障的新領(lǐng)域。其中最具代表性的有對鋼球共振頻率的研究，對軸承圈自由共振頻率的研究，對滾動(dòng)軸承振動(dòng)和缺陷、尺寸不均勻及磨損之間關(guān)

4、系的研究。1969年，H. L. Balderston根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)分析得出了滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在內(nèi)外滾道上的通過頻率和滾動(dòng)體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式，以上研究奠定了這方面的理論基礎(chǔ)。目前已有多種信號分析儀可供滾動(dòng)軸承的故障診斷，美國恩泰克公司根據(jù)滾動(dòng)軸承振動(dòng)時(shí)域波形的沖擊情況推出的“波尖能量”法及相應(yīng)儀器，對滾動(dòng)軸承的故障診斷非常有效。還有多種信號分析處理技術(shù)用于滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，如頻率細(xì)化技術(shù)、倒頻譜、包絡(luò)線分析等。在信號預(yù)處理上也采用了各種濾波技術(shù)，如相干濾波、自適應(yīng)濾波等，提高了診斷靈敏度。除了利用振動(dòng)信號對軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷監(jiān)測外，還發(fā)展了其他一些技術(shù)，如光纖維監(jiān)

5、測技術(shù)、油污染分析法（光譜測定法、磁性磁屑探測法和鐵譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等簡易診斷法確定軸承已經(jīng)發(fā)生故障之后，進(jìn)一步判定故障的類別和發(fā)生部位，以便采取相應(yīng)對策。 滾動(dòng)軸承的精密診斷與旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械等精密診斷一樣，主要采用頻譜分析法。由于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率成分十分豐富，既含有低頻成分，又含有高頻成分，而且每一種特定的故障都對應(yīng)特定的頻率成分。進(jìn)行頻譜分析之前需要通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒▽⑻囟ǖ念l率成分分離出來，然后對其進(jìn)行絕對值處理，最后進(jìn)行頻率分析，以找出信號的特征頻率，確定故障的部位和類別。 一、軸承內(nèi)滾道損傷 軸承內(nèi)滾道產(chǎn)生損傷時(shí)，如：剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等（如圖1所示），若滾動(dòng)軸

6、無徑向間隙時(shí)，會產(chǎn)生頻率為nZfi（n1，2,）的沖擊振動(dòng)。 圖1 內(nèi)滾道損傷振動(dòng)特征 通常滾動(dòng)軸承都有徑向間隙，且為單邊載荷，根據(jù)點(diǎn)蝕部分與滾動(dòng)體發(fā)生沖擊接觸的位置的不同，振動(dòng)的振幅大小會發(fā)生周期性的變化，即發(fā)生振幅調(diào)制。若以軸旋轉(zhuǎn)頻率f,進(jìn)行振幅調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為nZfi士fr（n1，2）；若以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率（即保持架旋轉(zhuǎn)頻率）fc進(jìn)行振幅調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為nZfifc（n1，2，）。 二、軸承外滾道損傷 當(dāng)軸承外滾道產(chǎn)生損傷時(shí)，如剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等（如圖2所示），在滾動(dòng)體通過時(shí)也會產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。由于點(diǎn)蝕的位置與載荷方向的相對位置關(guān)系是一定的，所以，這時(shí)不存在振幅調(diào)制的情況，振動(dòng)

7、頻率為nZfo ( n1，2,），振動(dòng)波形如圖2所示。 圖2 外滾道損傷振動(dòng)特征 三、滾動(dòng)體損傷 當(dāng)軸承滾動(dòng)體產(chǎn)生損傷時(shí)，如剝落、裂紋、點(diǎn)蝕等，缺陷部位通過內(nèi)圈或外圈滾道表面時(shí)會產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。 在滾動(dòng)軸承無徑向間隙時(shí)，會產(chǎn)生頻率為nZfb（n1，2,）的沖擊振動(dòng)。 通常滾動(dòng)軸承都有徑向間隙，因此，同內(nèi)圈存在點(diǎn)蝕時(shí)的情況一樣，根據(jù)點(diǎn)蝕部位與內(nèi)圈或外圈發(fā)生沖擊接觸的位置不同，也會發(fā)生振幅調(diào)制的情況，不過此時(shí)是以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率fc進(jìn)行振幅調(diào)制。這時(shí)的振動(dòng)頻率為nzfb士fc，如圖3所示。圖3 滾動(dòng)體損傷振動(dòng)情況 四、軸承偏心 當(dāng)滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈出現(xiàn)嚴(yán)重磨損等情況時(shí)，軸承會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸

8、心（內(nèi)圈中心）便會繞外圈中心擺動(dòng)，如圖4示，此時(shí)的振動(dòng)頻率為nf r（n1, 2,）。 圖4 滾動(dòng)軸承偏心振動(dòng)特征 五、軸承部件損傷特征頻率表 為方便軸承故障診斷，將以上與軸承部件損傷有關(guān)的特征頻率列于表1中。 表1 軸承部件損傷特征頻率表 續(xù)表 由于滾動(dòng)軸承的故障信號具有沖擊振動(dòng)的特點(diǎn)，頻率極高，衰減較快，因此利用振動(dòng)信號對其進(jìn)行監(jiān)測診斷時(shí)，除了參考前面已經(jīng)介紹的旋轉(zhuǎn)機(jī)械、往復(fù)機(jī)械的振動(dòng)測試方法以外，還應(yīng)根據(jù)其振動(dòng)特點(diǎn)，有針對性地采取一些措施和方法。 一、測點(diǎn)的選擇 滾動(dòng)軸承因故障引起的沖擊振動(dòng)由沖擊點(diǎn)以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件、軸承座傳到箱體或機(jī)架。由于沖擊振動(dòng)所含的頻率很高，每

9、通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80。因此，測量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被測軸承的承載區(qū)，應(yīng)盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測點(diǎn)離軸承外圈的距離越近越直接越好。 圖1表示了傳感器位置對故障檢測靈敏度的影響。在圖1 (a)中，假如傳感器放在承載方向時(shí)為100%，則在承載方向士45方向上降為95（- 5dB），在軸向則降為22%-25%（-1213dB）。在圖1 (b)中，當(dāng)止推軸承發(fā)生故障產(chǎn)生沖擊并向外散發(fā)球面波時(shí)，假如在軸承蓋正對故障處的讀數(shù)為100%，則在軸承座軸向的讀數(shù)降為5%（-19dB)。在圖1 (c) 和(d)中給出了傳感器安裝的正確位置和錯(cuò)誤位置，較粗的弧線表示振動(dòng)較強(qiáng)烈的部位，較細(xì)的弧線表示因振

10、動(dòng)波通過界面衰減導(dǎo)致振動(dòng)減弱的情形。 圖1 傳感器位置對故障檢測靈敏度的影響 由于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)在不同方向上反映出不同的特性，因此應(yīng)盡量考慮在水平（x）、垂直（y）和軸向（z）三個(gè)方向上進(jìn)行振動(dòng)檢測，但由于設(shè)備構(gòu)造、安裝條件的限制，或出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能在每個(gè)方向上都進(jìn)行檢測，這時(shí)可選擇其中的兩個(gè)方向進(jìn)行檢測。 二、傳感器的選擇與固定方式 根據(jù)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用條件不同，它所引起的振動(dòng)可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動(dòng)（通過振動(dòng)），也可能是頻率在1kHz以上，數(shù)千赫乃至數(shù)十千赫的高頻振動(dòng)（固有振動(dòng)），通常情況下是同時(shí)包含了上述兩種振動(dòng)成分。因此，檢測滾動(dòng)軸承振動(dòng)速度和加速度信號時(shí)

11、應(yīng)同時(shí)覆蓋或分別覆蓋上述兩個(gè)頻帶，必要時(shí)可以采用濾波器取出需要的頻率成分?？紤]到滾動(dòng)軸承多用于中小型機(jī)械，其結(jié)構(gòu)通常比較輕薄，因此，傳感器的尺寸和重量都應(yīng)盡可能地小，以免對被測對象造成影響，改變其振動(dòng)頻率和振幅大小。 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，對于高頻振動(dòng)的測量，傳感器的固定采用手持式方法顯然不合適，一般也不推薦磁性座固定，建議采用鋼制螺栓固定，這樣不僅諧振頻率高，可以滿足要求，而且定點(diǎn)性也好，對于衰減較大的高頻振動(dòng)，可以避免每次測量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。 三、分析譜帶的選擇 滾動(dòng)軸承的故障特征在不同頻帶上都有反映，因此，可以利用不同的頻帶，采用不同的方法對軸承的故障做出診斷。 1低頻段

12、 在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，低頻率段指1kHz以下的頻率范圍。 一般可以采用低通濾波器（例如截止頻率fb1kHz）濾去高頻成分后再作頻譜分析。由于軸承的故障特征頻率（通過頻率）通常都在1kHz以下，此法可直接觀察頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線，做出判斷。由于在這個(gè)頻率范圍容易受到機(jī)械及電源干擾，并且在故障初期反映故障的頻率成分在低頻段的能量很小，因此，信噪比低，故障檢測靈敏度差，目前已較少采用。 2中頻段 在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，中頻段指120kHz頻率范圍。同樣，利用該頻率時(shí)也可以使用濾波器。 (1)高通濾波器 使用截止頻率為1kHz的高通濾波器濾去1kHz以下的低頻成分，以消除機(jī)械干擾；然后用信號的

13、峰值、RMS值或峭度系數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)。許多簡易的軸承監(jiān)測儀器儀表都采用這種方式。 (2)帶通濾波器 使用帶通濾波器提取軸承零件或結(jié)構(gòu)零件的共振頻率成分，用通帶內(nèi)的信號總功率作為監(jiān)測參數(shù)，濾波器的通帶截止頻率根據(jù)軸承類型及尺寸選擇，例如對309球軸承，通帶中心頻率為2 .2kHz左右，帶寬可選為12kHz。 3高頻段 在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，高頻率段指2080kHz頻率范圍。 由于軸承故障引起的沖擊有很大部分沖擊能量分布在高頻段，如果采用合適的加速度傳感器和固定方式保證傳感器較高的諧振頻率，利用傳感器的諧振或電路的諧振增強(qiáng)所得到衰減振動(dòng)信號，對故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計(jì)（SPM）和美國首

14、創(chuàng)的IFD法就是利用這個(gè)頻段。 四、滾動(dòng)軸承的簡易診斷 利用滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號分析故障診斷的方法可分為簡易診斷法和精密診斷法兩種。簡易診斷的目的是為了初步判斷被列為診斷對象的滾動(dòng)軸承是否出現(xiàn)了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認(rèn)為出現(xiàn)了故障的軸承的故障類別及原因。 1.滾動(dòng)軸承故障的簡易標(biāo)準(zhǔn) 在利用振動(dòng)對滾動(dòng)軸承進(jìn)行簡易診斷的過程中，通常需要將測得的振值（峰值、有效值等）與預(yù)先給定的某種判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)測的振值是否超出了標(biāo)準(zhǔn)給出的界限來判斷軸承是否出現(xiàn)了故障，以決定是否需要進(jìn)一步進(jìn)行精密診斷。因此，判定標(biāo)準(zhǔn)就顯得十分重要。 用于滾動(dòng)軸承簡易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下三種。 (

15、1)絕對判定標(biāo)準(zhǔn) 絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是指用于判斷實(shí)測振值是否超限的絕對量值。 (2)相對判定標(biāo)準(zhǔn) 相對判定標(biāo)準(zhǔn)是指對軸承的同一部位定期進(jìn)行振動(dòng)檢測，并按時(shí)間先后進(jìn)行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)測振值與該基準(zhǔn)振值之比來進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。 (3)類比判定標(biāo)準(zhǔn) 類比判定標(biāo)準(zhǔn)是指對若干同一型號的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動(dòng)檢測，并，將振值相互比較進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)。 需要注意的是，絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的檢測方法的基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進(jìn)行振動(dòng)檢測。適用于所有軸承的絕對判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因此一般都是兼用絕對判定標(biāo)準(zhǔn)、相對判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判

16、定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。 2.振動(dòng)信號簡易診斷法 (1)振幅值診斷法 這里所說的振幅值指峰值XP、均值X（對于簡諧振動(dòng)為半個(gè)周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動(dòng)為經(jīng)絕對值處理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrms。 這是一種最簡單、最常用的診斷法，它是通過將實(shí)測的振幅值與判定標(biāo)準(zhǔn)中給定的值進(jìn)行比較來診斷的。 峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的故障診斷。另外，對于轉(zhuǎn)速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。 均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況（如300r/min以上

17、）。 均方根值是對時(shí)間平均的，因而它適用于像磨損之類的振幅值隨時(shí)間緩慢變化的故障診斷。 日本NSK公司生產(chǎn)NB系列軸承監(jiān)測儀和新日鐵研制的MCV-21A型機(jī)械監(jiān)測儀就是這類儀器。可以測量振動(dòng)信號的峰值或峰值系數(shù)，有的還可以測量RMS值或絕對平均值。測量參數(shù)除加速度外，有的還包括振動(dòng)速度和位移。 (2)波形因數(shù)診斷法 波形因數(shù)定義為峰值與均值之比（XP/X ）。該值也是用于滾動(dòng)軸承簡易診斷的有效指標(biāo)之一。如圖2所示，當(dāng)XP/X 值過大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕；而XP/X 小時(shí)，則有可能發(fā)生了磨損。 圖2 滾動(dòng)軸承沖擊振動(dòng)的波形因數(shù) (3)波峰因數(shù)診斷法 波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比（XP/

18、Xrms)。該值用于滾動(dòng)軸承簡易診斷的優(yōu)點(diǎn)在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。該值適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。通過對XP/Xrms值隨時(shí)間變化趨勢的監(jiān)測，可以有效地對滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢。當(dāng)滾動(dòng)軸承無故障時(shí)，XP/Xrms，為一較小的穩(wěn)定值；一旦軸承出現(xiàn)了損傷，則會產(chǎn)生沖擊信號，振動(dòng)峰值明顯增大，但此時(shí)均方根值尚無明顯的增大，故XP/Xrms增大；當(dāng)故障不斷擴(kuò)展，峰值逐步達(dá)到極限值后，均方根值則開始增大，XP/Xrms逐步減小，直至恢復(fù)到無故障時(shí)的大小。 (4)概率密度診斷法 無故障滾動(dòng)軸承振幅的概率密度曲線是典

19、型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現(xiàn)故障，則概率密度曲線可能出現(xiàn)偏斜或分散的現(xiàn)象，如圖3所示。 (5)峭度系數(shù)診斷法 峭度（Kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即 式中x瞬時(shí)振幅； X振幅均值； p（x）概率密度； 標(biāo)準(zhǔn)差。 振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無故障軸承，其峭度值約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，峭度值具有與波峰因數(shù)類似的變化趨勢。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于與軸承的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。圖3 滾動(dòng)軸承的損傷 英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動(dòng)軸承故障的監(jiān)測診斷方面取得了很好的效果。利用快裝接頭，儀器的加速度傳感器探頭直接接觸軸承外圈，可以測量峭度系數(shù)、加速度峰值和RMS值。圖4為

20、使用該儀器監(jiān)測同一軸承疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)中第74h軸承發(fā)生了疲勞破壞，峭度系數(shù)由3上升到6圖(a)，而此時(shí)峰值圖(b)和RMS值尚無明顯增大。故障進(jìn)一步明顯惡化后，峰值、RMS值才有所反映。 圖中虛線表示在不同轉(zhuǎn)速（8002700r/min )和不同載荷（011kN）下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)上述各值的變動(dòng)范圍。很明顯，峭度系數(shù)的變化范圍最小，約為士8%。軸承的工作條件對它的影響最小，即可靠性及一致性較高。 有統(tǒng)計(jì)資料表明，使用峭度系數(shù)和RMS值共同來監(jiān)測，滾動(dòng)軸承振動(dòng)情況，故障診斷成功率可達(dá)到96以上。圖4 軸承疲勞試驗(yàn)過程滾動(dòng)軸承的振動(dòng)可由外部振源引起，也可由軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及缺陷引起。此外，潤滑劑

21、在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)力也可以是振動(dòng)（噪聲）源。上述振源施加于軸承零件及附近的結(jié)構(gòu)件上時(shí)都會激勵(lì)起振動(dòng)。 一、滾動(dòng)軸承振動(dòng)的基本參數(shù) 1滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu) 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。圖1 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu) 圖示滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有： 軸承節(jié)徑D： 軸承滾動(dòng)體中心所在的圓的直徑 滾動(dòng)體直徑d： 滾動(dòng)體的平均直徑 內(nèi)圈滾道半徑r1： 內(nèi)圈滾道的平均半徑 外圈滾道半徑r2： 外圈滾道的平均半徑 接觸角： 滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z： 滾珠或滾珠的數(shù)目 2滾動(dòng)軸承的特征頻率 為分析軸承各部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，先做如下假設(shè)： (1)滾道

22、與滾動(dòng)體之間無相對滑動(dòng)； (2)承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無變形； (3)內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fi; (4)外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fO; (5)保持架回轉(zhuǎn)頻率（即滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率為fc）。 參見圖1，則滾動(dòng)軸承工作時(shí)各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度如下： 內(nèi)滑道上一點(diǎn)的速度為：Vi=2r1fi=fi(D-dcosa) 外滑道上一點(diǎn)的速度為：VO=2r2fO=fO(D+dcosa) 保持架上一點(diǎn)的速度為： Vc=1/2(Vi+VO)=fcD 由此可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率）為： 從固定在保持架上的動(dòng)坐標(biāo)系來看，滾動(dòng)體與內(nèi)圈作無滑動(dòng)滾動(dòng)，它的回轉(zhuǎn)頻率之比與d/2r1成反比。由此可得滾動(dòng)體相對于保持架的回轉(zhuǎn)頻率

23、（即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率，滾動(dòng)體通過內(nèi)滾道或外滾道的頻率）fbc 根據(jù)滾動(dòng)軸承的實(shí)際工作情況，定義滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的相對轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為一般情況下，滾動(dòng)軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，即： 同時(shí)考慮到滾動(dòng)軸承有Z個(gè)滾動(dòng)體，則滾動(dòng)軸承的特征頻率如下：滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率zfoc為： 滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率Zfic為： 滾動(dòng)體在保持架上的通過頻率（即滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率fbc）為： 3.止推軸承的特征頻率 止推軸承可以看作上述滾動(dòng)軸承的一個(gè)特例，即90，同時(shí)內(nèi)、外環(huán)相對轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fr，此時(shí)滾動(dòng)體在止推環(huán)滾道上的頻率為： 滾動(dòng)體相對于保持架的回轉(zhuǎn)頻率為：以上各特征頻率是利用振動(dòng)信號診斷滾動(dòng)軸承故障

24、的基礎(chǔ)，對故障診斷非常重要。 4.滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率 滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過程中，由于滾動(dòng)體與內(nèi)圈或外圈沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)的振動(dòng)頻率為軸承各部分的固有頻率。 固有振動(dòng)中，內(nèi)、外圈的振動(dòng)表現(xiàn)最明顯，如圖2所示圖2 滾動(dòng)軸承套圈橫截面簡化圖與徑向彎曲振動(dòng)振型示意圖 軸承圈在自由狀態(tài)下的徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率為： 式中n振動(dòng)階數(shù)（變形波數(shù)），n2，3，； E彈性模量，鋼材為210GPa ; I套圈橫截面的慣性矩，mm 4； 密度，鋼材為7.86X10-6kg /mm3；A套圈橫截面積，Abh，mm 2； D套圈橫截面中性軸直徑，mm； g重力加速度，g9800mm /S2。對鋼材，將各常數(shù)代入式得

25、有時(shí)鋼球也會產(chǎn)生振動(dòng)，鋼球振動(dòng)的固有頻率為： 式中R鋼球半徑； E彈性模量，鋼材為210GPa ; 密度，鋼材為7.86X10-6kg /mm3； g重力加速度，g9800mm /S2。 5滾動(dòng)軸承特征頻率表 為方便使用，將以上介紹的滾動(dòng)軸承各特征頻率列于表1中。表1 滾動(dòng)軸承特征頻率表（假定外圈固定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)）二、正常軸承的振動(dòng)信號特征 正常的軸承也有相當(dāng)復(fù)雜的振動(dòng)和噪聲，有些是由軸承本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的；有些和制造裝配有關(guān)，如滾動(dòng)體和滾道的表面波紋、表面粗糙度以及幾何精度不夠高，在運(yùn)轉(zhuǎn)中都會引起振動(dòng)和噪聲。 1軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的振動(dòng) 滾動(dòng)軸承在承載時(shí)，由于在不同位置承載的滾子數(shù)目不同，因而承

26、載剛度會有所變化，引起軸心的起伏波動(dòng)，振動(dòng)頻率為Zfoc(圖3）。要減少這種振動(dòng)的振幅可以采用游隙小的軸承或加預(yù)緊力去除游隙。 2.軸承鋼度非線性引起的振動(dòng) 滾動(dòng)軸承的軸向剛度常呈非線性（圖4），特別是當(dāng)潤滑不良時(shí)，易產(chǎn)生異常的軸向振動(dòng)。在剛度曲線呈對稱非線性時(shí)，振動(dòng)頻率為fn, 2fn., 3f.n,；在剛度曲線呈非對稱非線性時(shí)，振動(dòng)頻率為分?jǐn)?shù)諧頻（fn為軸回轉(zhuǎn)頻率）。這是一種自激振動(dòng)，常發(fā)生在深溝球軸承，自調(diào)心球軸承和滾柱軸承不常發(fā)生。 圖3 滾動(dòng)軸承的承載剛度和滾子位置的關(guān)系圖4 軸承的軸向剛度 3.軸承制造裝配的原因 (1)加工面波紋度引起的振動(dòng) 由軸承零件的加工面（內(nèi)圈、外圈滾道面及

27、滾動(dòng)體面）的波紋度引起的振動(dòng)和噪聲在軸承中比較常見，這些缺陷引起的振動(dòng)為高頻振動(dòng)（比滾動(dòng)體在滾道上的通過頻率高很多倍）。高頻振動(dòng)及軸心的振擺不僅會引起軸承的徑向振動(dòng)，在一定條件下還會引起軸向振動(dòng)。表2列出的振動(dòng)頻率與波紋度峰數(shù)的關(guān)系。表中，n為正整數(shù)，Z為球（滾動(dòng)體）數(shù)，fic為單個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率，fc為保持架轉(zhuǎn)速，fbc為滾動(dòng)體相對于保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。表2 振動(dòng)頻率與波紋度峰數(shù)的關(guān)系 下面簡單介紹一下這種振動(dòng)的機(jī)理。在圖5中，軸承內(nèi)圈加工過程中殘留有波紋，球個(gè)數(shù)Z=8，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，當(dāng)內(nèi)圈波紋峰數(shù)分別為nZ-1，nZ，nZ1時(shí)，對外圈徑向振動(dòng)影響情況如下： 圖5 內(nèi)圈波紋率引起外圈

28、徑向振動(dòng)的機(jī)理（n=1，Z8) 在圖中討論編號為“1”的球與波峰接觸時(shí)的情況。當(dāng)波峰為nZ時(shí)，外圈在徑向無移動(dòng)，但球與nZ士1個(gè)波峰數(shù)的波紋面接觸時(shí)，在外圈箭頭方向上有最大位移。在另一種情況下，當(dāng)編號為“1”的球與波谷接觸時(shí)，波峰數(shù)為nZ個(gè)時(shí)，外圈則無徑向位移；在nZ士1個(gè)波峰數(shù)時(shí)，外圈在與箭頭相反方向有最大位移。由此可以說明在波峰數(shù)等于nZ士1時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的原因。 表2中所列的條件是理想的，即波紋是均勻分布，波紋形狀是正弦變化的。而對實(shí)際的波紋形狀，可能有其他頻率成分出現(xiàn)。用類似方法可說明波峰數(shù)對軸向振動(dòng)的影響。對于精密軸承，波紋度引起的軸心擺動(dòng)是不能忽視的。圖6所示為在機(jī)床中使用的加有預(yù)緊力

29、的兩個(gè)超精密向心球軸承，由于滾道波紋度引起軸心擺動(dòng)軌跡。此時(shí)軸心軌跡呈現(xiàn)內(nèi)卷形和外卷形兩種形式。還應(yīng)注意，不僅軸承滾道和滾動(dòng)體的波紋度會引起軸承振動(dòng)，軸承的內(nèi)外配合面及軸頸和軸承座孔的波紋度對精密軸承也會引起類似的振動(dòng)，因?yàn)樵陬A(yù)緊力作用下，軸承裝配后會引起套圈的相應(yīng)變形。 圖6 由軸承零件波紋度引起的軸心擺動(dòng) (2)軸承偏心引起的振動(dòng) 如圖7所示，當(dāng)軸承游隙過大或滾道偏心時(shí)都會引起軸承振動(dòng)，振動(dòng)頻率為nfn,fn為軸回轉(zhuǎn)頻率，n1，2,。 (3)滾動(dòng)體大小不均勻引起軸心擺動(dòng) 如圖8所示，滾動(dòng)體大小不均勻會導(dǎo)致軸心擺動(dòng)，還有支承剛性的變化。振動(dòng)頻率為fc和nfc士fn，n1，2,，此處fc為保持

30、架回轉(zhuǎn)頻率，fn為軸回轉(zhuǎn)頻率。 圖7 軸承偏心引起的軸承振動(dòng) 圖8 滾動(dòng)體大小不均勻引起的軸心擺動(dòng) (4)軸彎曲引起軸承偏斜 軸彎曲會引起軸上所裝軸承的偏移，造成軸承振動(dòng)。軸承的振動(dòng)頻率為nfc士fn，n1, 2,。此處fc為保持架回轉(zhuǎn)頻率，fn為軸回轉(zhuǎn)頻率。 4.滾動(dòng)軸承的聲響滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各種原因會產(chǎn)生振動(dòng)，并通過空氣傳播成為聲音，聲音中包含著軸承狀態(tài)的信息。軸承聲響有如下幾種： 所謂軸承本質(zhì)的聲音是一切軸承都有的聲音。滾道聲是滾動(dòng)體在滾動(dòng)面上滾動(dòng)而發(fā)生的，是一種滑溜連續(xù)的聲音。它與套圈的固有振動(dòng)有關(guān)，頻率一般都在1kHz以上，并與軸承轉(zhuǎn)速有關(guān)。輾壓聲主要發(fā)生在脂潤滑的低速重載圓柱滾

31、動(dòng)軸承中，類似于“咯吱咯吱”的聲音。 保持架聲音是由保持架的自激振動(dòng)引起的，保持架振動(dòng)時(shí)會與滾動(dòng)體發(fā)生沖撞而發(fā)出聲音。高頻振動(dòng)聲是由加工面的波紋度引起的振動(dòng)而發(fā)出的聲音。 在與使用有關(guān)的聲音中，傷痕聲是由滾動(dòng)面上的壓痕或銹蝕引起的，為周期性的振動(dòng)和聲音。塵埃聲是非周期性的。 綜合以上所述，正常的軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會有十分復(fù)雜的振動(dòng)和聲響，而故障軸承的聲音則更復(fù)雜。三、故障軸承振動(dòng)信號特點(diǎn) 軸承發(fā)生故障后，其振動(dòng)特征會有明顯的變化，主要有以下幾方面。 1.疲勞剝落損傷 當(dāng)軸承零件上產(chǎn)生了疲勞剝落坑后（圖9以夸大的方式畫出了疲勞剝落坑），在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中會因?yàn)榕鲎捕a(chǎn)生沖擊脈沖。圖10給出了鋼球落下產(chǎn)生的

32、沖擊過程的示意圖。在沖擊的第一階段，在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生很大的沖擊加速度圖10(a）和（b），它的大小和沖擊速度v成正比（在軸承中與疲勞損傷的大小成正比）。第二階段，構(gòu)件變形產(chǎn)生衰減自由振動(dòng)（圖c），振動(dòng)頻率取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為其固有頻率（圖d）。振幅的增加量A也與沖擊速度v成正比（圖e)。 在滾動(dòng)軸承剝落坑處碰撞產(chǎn)生的沖擊力的脈沖寬度一般都很小，大致為微秒級。因力的頻譜寬度與脈沖持續(xù)時(shí)間成反比，所以其頻譜可從直流延展到100500kHz。疲勞剝落損傷可以在很寬的頻率范圍內(nèi)激發(fā)起軸承一傳感器系統(tǒng)的固有振動(dòng)。由于從沖擊發(fā)生處到測量點(diǎn)的傳遞特性對此有很大影響，因此測點(diǎn)位置選擇非常關(guān)鍵，測點(diǎn)應(yīng)盡量接近承載區(qū)

33、，振動(dòng)傳遞界面越少越好。圖9 軸承零件上的疲勞剝落坑 有疲勞剝落故障軸承的振動(dòng)信號如圖11(a)所示，圖11(b）為其簡化的波形。T取決于碰撞的頻率，T=1/f碰。在簡單情況下，碰撞頻率就等于滾動(dòng)體在滾道上的通過率ZFic或Zfoc或滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率fbc 。圖10 沖擊過程示意圖圖11 有疲勞剝落故障軸承的振動(dòng)信號 2磨損 隨著磨損的進(jìn)行，振動(dòng)加速度峰值和RMS值緩慢上升，振動(dòng)信號呈現(xiàn)較強(qiáng)的隨機(jī)性，峰值與RMS值的比值從5左右逐漸增加到5.56。如果不發(fā)生疲勞剝落，最后振動(dòng)幅值可比最初增大很多倍，變化情況見圖12。 3膠合 圖13為一運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生膠合的滾動(dòng)軸承的振動(dòng)加速度及外圈溫度的變化情形

34、。在A點(diǎn)以前，振動(dòng)加速度略微下降，溫度緩慢上升。A點(diǎn)之后振動(dòng)值急劇上升，而溫度卻還有些下降，這一段軸承表面狀態(tài)已惡化。在B點(diǎn)以后振動(dòng)值第二次急劇上升，以致超過了儀器的測量范圍，同時(shí)溫度也急劇上升。在B點(diǎn)之前，軸承中已有明顯的金屬與金屬的直接接觸和短暫的滑動(dòng)，B點(diǎn)之后有更頻繁的金屬之間直接接觸及滑動(dòng)，潤滑劑惡化甚至發(fā)生炭化，直至發(fā)生膠合。從圖中可以看出，振動(dòng)值比溫度能更早地預(yù)報(bào)膠合的發(fā)生，由此可見軸承振動(dòng)是一個(gè)比較敏感的故障參數(shù)。圖12 軸承磨損時(shí)振動(dòng)加速度圖13 發(fā)生膠合的軸承試驗(yàn)曲線滾動(dòng)軸承故障的主要形式與原因滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能會導(dǎo)致軸承過早損壞。即使在安裝、潤滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能