滾動(dòng)軸承的故障診斷與失效分析(杜新定)

2023/9/221滾動(dòng)軸承的故障診斷

2023/9/222概述旋轉(zhuǎn)機(jī)械是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)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。2023/9/223滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的分類滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)主要有振動(dòng)診斷技術(shù)、鐵譜診斷技術(shù)、溫度診斷技術(shù)、聲學(xué)診斷技術(shù)、油膜電阻診斷技術(shù)和光纖監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)等，其中，振動(dòng)、鐵譜、溫度診斷技術(shù)應(yīng)用最普遍。2023/9/224振動(dòng)診斷技術(shù)(一)軸承元件的工作表面出現(xiàn)疲勞剝落、壓痕或局部腐蝕時(shí)，軸承運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖信號(hào)。這種周期性的信號(hào)可有安裝在軸承座上的傳感器（速度型或加速度型）來接收，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析來診斷軸承的故障。特點(diǎn)：振動(dòng)診斷技術(shù)應(yīng)用廣泛；可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)；診斷快，診斷理論已成熟。應(yīng)用范圍：特別適合旋轉(zhuǎn)機(jī)械中軸承的故障監(jiān)測(cè)。2023/9/225鐵譜診斷技術(shù)（二）軸承磨損顆粒與其工作狀況有密切的聯(lián)系。將帶有磨損顆粒的潤(rùn)滑油通過一強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，磨粒按一定的規(guī)律沉淀在鐵譜片上，鐵譜片可在鐵譜顯微鏡上作定性觀察或在定量?jī)x器上測(cè)試，據(jù)此判斷軸承的工作狀況。特點(diǎn)：機(jī)器無需解體；投資低，效果好；能發(fā)現(xiàn)軸承的早期疲勞失效；可做磨損機(jī)理研究。應(yīng)用范圍：適用于用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的軸承的故障診斷，對(duì)于用脂潤(rùn)滑的軸承較困難。2023/9/226油膜電阻診斷技術(shù)（三）潤(rùn)滑良好的軸承，由于油膜的作用，內(nèi)、外圈之間有很大的電阻。故通過測(cè)量軸承內(nèi)、外圈的電阻，可對(duì)軸承的異常作出判斷。特點(diǎn)：對(duì)不同的工況條件可使用同一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)表面剝落、壓痕、裂紋等異常的診斷效果差。應(yīng)用范圍：適用于旋轉(zhuǎn)軸外露的場(chǎng)合。2023/9/227光纖監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)（四）光纖監(jiān)測(cè)是一種直接從軸承套圈表面提取信號(hào)的診斷技術(shù)。用光導(dǎo)纖維束制成的位移傳感器包含有發(fā)射光纖束和接收光纖束。光線由發(fā)射光纖束經(jīng)過傳感器端面與軸承套圈表面的間隙反射回來，由接收光纖束接收，經(jīng)光電元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的分析處理，可對(duì)軸承工況作出評(píng)估。特點(diǎn)：光纖位移傳感器靈敏度高；直接從軸承表面提取信號(hào)，提高了信噪比；可直接反映滾動(dòng)軸承的制造質(zhì)量、表面磨損程度、載荷、潤(rùn)滑和間隙情況。應(yīng)用范圍：適用于可將傳感器安裝在軸承座內(nèi)的機(jī)器。2023/9/228溫度診斷技術(shù)（五）軸承若產(chǎn)生某種異常，軸承的溫度會(huì)發(fā)生變化。因此，根據(jù)溫度的變化，可以對(duì)軸承故障進(jìn)行診斷，但對(duì)異常判斷的能力很低。特點(diǎn)：診斷簡(jiǎn)單；對(duì)軸承燒傷判斷效果較好。應(yīng)用范圍：適用于機(jī)器中軸承的簡(jiǎn)單常規(guī)診斷

.2023/9/229聲發(fā)射診斷技術(shù)（六）金屬材料由于內(nèi)部晶格的位錯(cuò)、晶界滑移或者由于內(nèi)部裂紋的發(fā)生和發(fā)展，均需要釋放彈性波，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象。滾動(dòng)軸承產(chǎn)生剝落或裂紋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同類型的聲發(fā)射信號(hào)，據(jù)此可對(duì)軸承工況作出評(píng)估。特點(diǎn)：診斷快速、簡(jiǎn)便；可在線監(jiān)測(cè)。應(yīng)用范圍：近幾年來發(fā)展的新技術(shù)，在軸承工況監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較少.2023/9/2210滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷技術(shù)滾動(dòng)軸承是機(jī)器中最精密的部件，通常它們的公差都保持在機(jī)器的其余部件的公差的十分之一。但多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，只有10%以下的軸承能夠運(yùn)行到設(shè)計(jì)壽命年限。而大約40%的軸承失效是由于潤(rùn)滑引起的故障，30%失效是由于不對(duì)中或“卡住”等裝配失誤，還有20%的失效是由過載使用或制造上缺陷等其它原因所致。如果機(jī)器進(jìn)行了精確對(duì)中和精確平衡，不在共振頻率附近運(yùn)轉(zhuǎn)，并且軸承潤(rùn)滑良好，那么機(jī)器運(yùn)行就會(huì)非?？煽浚瑱C(jī)器實(shí)際壽命會(huì)接近其設(shè)計(jì)壽命。然而，大多數(shù)情況都沒有做到這些。因此有很多軸承都因?yàn)槟p而永久失效。振動(dòng)分析和磨損顆粒分析是很好的診斷方法。2023/9/2211頻譜特征

故障軸承會(huì)產(chǎn)生與1X基頻倍數(shù)不完全相同的振動(dòng)分量——換言之，它們不是同步的分量。對(duì)振動(dòng)分析而言，如果在振動(dòng)頻譜中發(fā)現(xiàn)不同步分量,那么極有可能是軸承出現(xiàn)故障的警告信號(hào)。應(yīng)通過振動(dòng)分析診斷并排除是否是其它故障引起的這些不同步分量。如果看到不同步的波峰，那極有可能與軸承磨損相關(guān)。如果同時(shí)還有諧波和邊頻帶出現(xiàn)，那么軸承磨損的可能性就非常大——這時(shí)候你甚至不需要再去了解軸承準(zhǔn)確的擾動(dòng)頻率。2023/9/2212滾動(dòng)軸承振動(dòng)的基本參數(shù)軸承的四個(gè)物理參數(shù)：球的數(shù)量、球的直徑、節(jié)徑和接觸角。接觸角的定義:指滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)中點(diǎn)處,滾動(dòng)體載荷向量與軸承徑向平面之間的夾角.按此定義支力軸承的接觸角為0,止推軸承的接觸角為902023/9/2213軸承擾動(dòng)頻率有四個(gè)與軸承相關(guān)的擾動(dòng)頻率：球過內(nèi)圈頻率（fi）、球過外圈頻率（fc）、保持架頻率（FT）和球的自旋頻率（fb）。其中fi和fc的和等于滾珠/滾柱的數(shù)量。例如，如果fi等于3.2X，fc等于4.8X，那么滾珠/滾柱的數(shù)量必定是8。fb的值可能會(huì)加倍，因?yàn)樗o的公式針對(duì)的是球撞擊內(nèi)圈或外圈的情況。如果有庇點(diǎn)的滾球/滾柱同時(shí)撞擊內(nèi)圈和外圈，那么其頻率值應(yīng)該加倍。由于受到各種實(shí)際情況如滑動(dòng)、打滑、磨損、軸承各參數(shù)的不精確（如直徑可能不完全精確）等的影響，我們所計(jì)算出來的頻率值可能會(huì)與真實(shí)值有小范圍的差異。2023/9/2214軸承擾動(dòng)頻率的計(jì)算公式2023/9/2215軸承失效的九個(gè)階段(第一階段)在軸承失效的最初階段，其頻率范圍大約在20KHz～60KHz之間或更高。有多種電子設(shè)備可以用來檢測(cè)這些頻率，包括峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音波測(cè)量裝置。在這個(gè)階段，普通的頻譜上不會(huì)出現(xiàn)任何顯示。2023/9/2216軸承失效的九個(gè)階段(第二階段)由于軸承上的庇點(diǎn)增大，使它在軸承固有頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時(shí)固有頻率周圍還出現(xiàn)邊頻帶。2023/9/2217軸承失效的九個(gè)階段(第三階段)

出現(xiàn)軸承故障頻率。開始的時(shí)候我們只能觀察到這個(gè)頻率本身。圖中所示為軸承內(nèi)圈故障時(shí)的頻譜顯示。當(dāng)軸承磨損進(jìn)一步加劇后，在故障頻率（例子中的BPI）處的波峰值將會(huì)升高。大多數(shù)情況下波峰值將隨著時(shí)間線性增加。2023/9/2218軸承失效的九個(gè)階段(第四階段)隨著故障的發(fā)展，故障頻率將產(chǎn)生諧波。這表明發(fā)生了一定程度的沖擊。故障頻率的諧波有時(shí)可能會(huì)比基頻波峰更早被發(fā)現(xiàn)。因此，我們首先要查找頻譜中的非同步波峰，并查證是否有諧波。對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形中同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)沖擊脈沖的顯示。2023/9/2219軸承失效的九個(gè)階段(第五階段)隨著故障狀態(tài)的惡化，軸承的損壞更加嚴(yán)重，振動(dòng)級(jí)將繼續(xù)升高，同時(shí)出現(xiàn)更多的諧波。由于故障自身的性質(zhì)，這時(shí)還會(huì)出現(xiàn)邊頻帶。時(shí)域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯，你甚至能夠通過測(cè)量尖峰間的時(shí)間間隔來計(jì)算故障頻率。高頻率的軸承檢測(cè)，如峰值能量和沖擊脈沖所得到的趨勢(shì)都在持續(xù)上升。

此時(shí)引起調(diào)制的原因有二個(gè)：第一種情形是當(dāng)內(nèi)圈出現(xiàn)故障時(shí)，如果它位于加載區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生的沖擊會(huì)更加劇烈，從而產(chǎn)生更高的振幅。當(dāng)內(nèi)圈故障位置移出加載區(qū)后，其振幅又會(huì)降低，并在軸承頂部達(dá)到最小值。在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率將被（內(nèi)圈的）旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，于是我們可以在頻譜中看到1X邊頻帶出現(xiàn)。如果滾珠出現(xiàn)問題，也會(huì)因相同的原因，產(chǎn)生調(diào)制。當(dāng)滾珠運(yùn)轉(zhuǎn)在載荷區(qū)會(huì)產(chǎn)生比運(yùn)轉(zhuǎn)在非載荷區(qū)更強(qiáng)烈的沖擊。越接近載荷區(qū)，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動(dòng)。該頻率低于1X——典型的FT大約等于0.4X。當(dāng)我們能夠從頻譜中觀察到諧波，特別是邊頻帶后，軸承上的磨損就已經(jīng)能夠用肉眼觀察到了。這時(shí)候，你就可以建議更換軸承了。2023/9/2220軸承失效的九個(gè)階段(第六階段)1X處的幅值增大，并出現(xiàn)1X的諧波，這是由于磨損引起間隙增大的結(jié)果。2023/9/2221軸承失效的九個(gè)階段(第七階段)現(xiàn)在我們看見故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經(jīng)常被叫作"干草堆"。這是由于寬帶噪聲所致。在靠近機(jī)器的地方，你還能聽到軸承發(fā)出的噪聲。在這個(gè)階段，高頻率的軸承測(cè)量值可能會(huì)逐漸減少。如果你用測(cè)量工具測(cè)到的振幅有下降趨勢(shì)，不要以為是情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，而應(yīng)該盡快去定購(gòu)用來更換的軸承了！2023/9/2222軸承失效的九個(gè)階段(第八階段)頻譜中的“干草堆”將繼續(xù)擴(kuò)大，諧波隨著松動(dòng)的增加而增大，高頻率的軸承測(cè)量顯示出的趨勢(shì)可能會(huì)繼續(xù)降低，但重要的是整個(gè)噪聲水平都在上升。你能清晰的聽到軸承發(fā)出的聲音，這預(yù)示著軸承即將報(bào)廢。2023/9/2223軸承失效的九個(gè)階段(第九階段)到了這個(gè)階段以后，頻譜會(huì)變得平直，因?yàn)闄C(jī)器已經(jīng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)了！2023/9/2224滾動(dòng)軸承診斷口訣內(nèi)圈外圈滾動(dòng)體，特征頻率要牢記；確有軸承故障存，頻率成分難再隱。先看頻譜低頻處，非同步的看有無；若有非同步成分，故障已可定三分；特征頻率諧波存，對(duì)應(yīng)故障無疑問；再看頻譜高頻處，調(diào)制存在故障明；外圈特征轉(zhuǎn)頻調(diào)，松動(dòng)現(xiàn)象無疑問；內(nèi)圈故障轉(zhuǎn)頻調(diào)，亦可作證據(jù)成分。特殊情況特殊看，診斷故障有分寸；單一頻率若存在，是否軸承需辨認(rèn)。高頻也是很重要，早期故障高頻分；低頻沒有高頻有，時(shí)常跟蹤要勤奮；損壞若是很嚴(yán)重，高頻抬起有空洞；及時(shí)更換莫僥幸，時(shí)刻避免事故生。故障機(jī)理把握清，是是非非要分明；潤(rùn)滑狀況常檢測(cè)，調(diào)試裝配莫放松；診斷軸承有訣竅，相信科學(xué)錯(cuò)不了。2023/9/2225滾動(dòng)軸承的失效分析滾動(dòng)軸承是重要的機(jī)械基礎(chǔ)件之一，軸承的運(yùn)行狀況直接影響主機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。通過軸承失效分析，可以直觀地發(fā)現(xiàn)軸承損壞的因素，便于查找引起軸承失效的根本.滾動(dòng)軸承的失效原因比較復(fù)雜，涉及到多方面的專業(yè)知識(shí)，需要對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)特性、加工方法、各個(gè)零件的加工工藝及設(shè)備有一定的了解?，F(xiàn)在所涉及的只是常見失效形式，根據(jù)軸承的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合軸承的使用工況，通過對(duì)軸承的安裝、配合及調(diào)整的分析，對(duì)運(yùn)行速度、溫升，受力分析，包括對(duì)軸承使用過程中維護(hù)、保養(yǎng)的分析等，歸納總結(jié)出軸承早期失效過程和失效原因.2023/9/2226單一失效形式的多種因素一種失效的形式，往往有多種可能導(dǎo)致的因素。如：發(fā)熱

.潤(rùn)滑不良

.游隙小

.轉(zhuǎn)速過高

.干涉

.配合不當(dāng)

.不對(duì)中等,必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)設(shè)備及軸承進(jìn)行觀察，然后作出判斷。2023/9/2227擦傷—金屬表面因滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的表面金屬遷移現(xiàn)象。2023/9/2228擦傷形態(tài)特征—

在零件相互接觸的表面上，沿滑動(dòng)方向產(chǎn)生的機(jī)械摩擦損傷，有一定長(zhǎng)度和深度。產(chǎn)生原因—軸向預(yù)緊力過大或軸承游隙過小，潤(rùn)滑不良或密封不良。2023/9/2229劃傷—

硬性顆粒及硬物棱角在軸承表面滑動(dòng)而產(chǎn)生的表面線狀機(jī)械性損傷。形貌特征—呈線狀、光亮、無方向性，有手感產(chǎn)生原因—粗魯作業(yè)，潤(rùn)滑劑含雜質(zhì)，密封不良。2023/9/2230點(diǎn)蝕—金屬表面呈分散或群集狀的細(xì)小坑點(diǎn)。2023/9/2231點(diǎn)蝕

形貌特征——產(chǎn)生于滾動(dòng)接觸面上，呈黑色針孔狀凹坑，有一定深度，個(gè)別存在或密集分布。

產(chǎn)生原因——

潤(rùn)滑不良時(shí)，在滾動(dòng)接觸應(yīng)力的循環(huán)作用下，金屬亞表層夾雜物或炭化物形成應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸發(fā)展成凹坑狀的微小剝離。潤(rùn)滑劑含雜質(zhì)，密封不良.2023/9/2232磨耗——零件在摩擦作用下,金屬表面材料被去除的現(xiàn)象。

2023/9/2233磨耗形貌特征——產(chǎn)生于滾動(dòng)接觸面上或引導(dǎo)面上，呈磨合狀的淺溝槽，表面光亮。隨著滾動(dòng)接觸表面的磨耗發(fā)展，軸承游隙增大。產(chǎn)生原因——細(xì)微顆粒物進(jìn)入軸承或潤(rùn)滑不良，在滑動(dòng)摩擦的作用下，零件接觸處金屬表面材料被磨掉。

2023/9/2234電蝕——電流通過軸承時(shí)，擊穿油膜，產(chǎn)生高溫，使金屬表面局部熔融形成不規(guī)則凹坑或溝蝕。

2023/9/2235電蝕形貌特征——電蝕凹坑呈斑點(diǎn)狀，有金屬熔融現(xiàn)象，深處藍(lán)黑色，呈火山噴口狀；軸承運(yùn)行中形成的電蝕溝蝕呈洗衣板狀。產(chǎn)生原因——電流通過軸承（電擊傷）。

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滾動(dòng)體卡傷——軸承運(yùn)行過程中，滾動(dòng)體在異物或其他零件的作用下自轉(zhuǎn)或公轉(zhuǎn)受阻時(shí)，產(chǎn)生的磨損、裂損。

2023/9/2237滾動(dòng)體卡傷形態(tài)特征——滾動(dòng)體的工作表面與其他零件干涉所出現(xiàn)的磨損痕跡產(chǎn)生原因——游隙過大或有異物進(jìn)入軸承使?jié)L動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)卡阻。2023/9/2238裂損——材料破壞性損傷。

2023/9/2239裂損形貌特征——裂損按損傷程度分為裂紋和缺損。裂紋——呈線狀，無方向性，有一定長(zhǎng)度和深度。缺損——零件有局部掉塊。產(chǎn)生原因——由其他損傷誘發(fā)，如：軸承承受非正常沖擊力，材料缺陷或材料疲勞，零件局部溫升等。2023/9/2240腐蝕和銹蝕——金屬表面與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的表面損傷現(xiàn)象。

2023/9/2241腐蝕和銹蝕形貌特征——腐蝕按不同程度分為色斑、蝕刻和蝕坑。色斑——呈點(diǎn)狀或條狀，顏色呈淺灰色或紅褐色，無深度。蝕刻——呈點(diǎn)狀、條狀或片狀，顏色呈灰黑色，稍有手感。蝕坑——呈點(diǎn)狀、條狀或片狀，顏色呈紅褐色或黑色，手感明顯。產(chǎn)生原因——密封不良，造成軸承中進(jìn)入潮濕的空氣或水、酸、堿類物質(zhì)。

2023/9/2242熱變色——由于溫升造成金屬表面產(chǎn)生氧化的現(xiàn)象。2023/9/2243熱變色形態(tài)特征——零件受熱部位呈現(xiàn)淡黃色、黃色、橙色、棕紅色、紫蘭色、藍(lán)黑色。產(chǎn)生原因——潤(rùn)滑不良、潤(rùn)滑劑老化，安裝配合不當(dāng)，游隙小。2023/9/2244燒附——金屬表面的熱熔性材料粘著現(xiàn)象。2023/9/2245燒附形貌特征——在零件相互接觸的表面上，金屬表面粘附有被遷移的熔融性材料。產(chǎn)生原因——預(yù)緊力過大、軸承游隙過小，潤(rùn)滑不良，軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生溫升，使?jié)L動(dòng)體受熱膨脹后接觸表面摩擦產(chǎn)生的急劇溫升形成。2023/9/2246磕碰傷——軸承零件之間或與其他硬物之間相互碰撞產(chǎn)生的零件表面機(jī)械性損傷。2023/9/2247磕碰傷

形貌特征——呈半圓形或針葉形等形狀規(guī)則的凹陷，邊緣突起，手感明顯。一般在嚴(yán)重的磕碰傷附近及其尖角處有微裂紋。產(chǎn)生原因——粗魯作業(yè)使軸承外表面受到按一定角度施加的強(qiáng)力沖撞、敲擊產(chǎn)生的凹陷痕跡。

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壓痕——在強(qiáng)大擠壓力作用下，金屬表面產(chǎn)生的塑性凹陷。2023/9/2249壓痕形貌特征——凹陷形狀與擠壓體的形狀吻合，有深度，邊沿材料凸起光滑。產(chǎn)生原因——在過載沖擊力或過載壓力的作用下，滾道面受滾動(dòng)體擠壓而產(chǎn)生的凹陷痕跡。軸承受到振動(dòng)、顛簸，滾動(dòng)體與滾道發(fā)生碰撞形成。2023/9/2250

配合面拉傷——軸承材料裝配表面受到極大的摩擦力時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械性損傷。2023/9/2251配合面拉傷形貌特征——傷痕與摩擦力方向一致，嚴(yán)重時(shí)有金屬表面材料位移或表面附著物。產(chǎn)生原因——軸承安裝或退卸時(shí)，裝配倒角過渡不圓滑，過盈量大；可分離套圈在軸承合套時(shí)偏斜，滾道與滾子摩擦產(chǎn)生的機(jī)械性損傷。2023/9/2252輾皮——金屬表面由于疲勞而發(fā)生的極薄的金屬起皮現(xiàn)象。2023/9/2