(完整word版)(整理)滚动轴承故障诊断分析章节

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精品文档 滚动轴承故障诊断

滚动轴承是应用最为广泛的机械零件质疑，同时，它也是机器中最容易损坏的元件之一。许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有关。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有30%的机械故障都是由于轴承而引起的。可见，轴承的好坏对机器工作状态影响极大。

通常，由于轴承的缺陷会导致机器产生振动和噪声，甚至会引起机器的损坏。而在精密机械中（如精密机床主轴、陀螺等），对轴承的要求就更高，哪怕是在轴承上有微米级的缺陷，都会导致整个机器系统的精度遭到破坏。

最早使用的轴承诊断方法是将听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。这种方法至今仍在使用，不过已经逐步使用电子听诊器来替代听音棒以提高灵敏度。后来逐步采用各式测振仪器、仪表并利用位移、速度或加速度的均方根值或峰峰值来判断轴承有无故障。这可以减少对设备检修人员的经验的依赖，但仍然很难发现早期故障。

随着对滚动轴承运动学、动力学的深化研究，对轴承振动信号中频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解，FFT级数的发展也使得利用频率域分析和检测轴承故障成为一种有效的途径。也是目前滚动轴承监测诊断的基础。

从发展的历程看，滚动轴承故障检测诊断技术大致经历了以下阶段：

1961年，W.F.Stokey完成了轴承圈自由共振频率公式的推导，并发表；

1964年，O.G.Gustafsson研究了滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间的关系，这与目前诊断滚动轴承故障的方法是基本一致的；

1969年，H.L.Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式。至此，有关滚动轴承监测诊断的理论体系已经基本完成；

1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV-021A机器检测仪，其方法是通过检测低频、中频和高频段轴承的信号特征来判断轴承的工作状态；

1976～1983年之间，日本精工公司也积极在滚动轴承检测仪器方面做工作，相继推出了NB系列轴承检测仪，利用1～15kHz范围内的轴承振动信号的有效值（rms）和峰峰值（p－p）来诊断轴承的故障；

1980年代至今，以改良频率分析的方法来精密诊断滚动轴承的故障、确定故障位置，一直是精密诊断采取的必备方法，其中包括细化谱分析、倒频谱分析、共振解调技术、包络分析技术等。

在检测用传感器技术方面，除了加速度传感器外，还发展了红外、声发射、接触电阻、滚动轴承专用检测传感器（如美国本特利公司的REBAM），其目的都是尽量提高故障信号的灵敏度和信号的直接感知程度。

从滚动轴承监测诊断技术的发展来看，解决滚动轴承故障诊断的基本方法主要有：

1、 传感器技术；

2、 合理的滤波技术；

3、 与传统FFT技术的结合。

本章介绍的方法仍以振动分析方法为主。

10.1 滚动轴承的主要故障形式

1. 疲劳剥落

滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就叫疲劳剥落。 精品文档

精品文档 疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。在正常工作条件下，疲劳剥落往往是滚动轴承寿命的主要原因。我们习惯上所说的轴承寿命就是指轴承疲劳寿命。

我们可以将滚动轴承的疲劳剥落过程总结如下表：

运动形态 原因 发展历程 响应特性

滚道和滚动体相对滚动，承受载荷 交变载荷 表面一定深度下（最大剪应力处）形成裂纹——接触表层剥落坑——大片剥落 振动、噪声加剧

2. 磨损

由于滚道和滚动体的相对运动（包括滚动和滑动）和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更是加剧了表面磨损。磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，从而降低了轴承的运转精度，因而也降低了机器的整体运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械中所使用的轴承，往往就是因为磨损量限制了轴承的寿命。

此外还有一种所谓的微振磨损。当轴承本身不旋转而手到振动时，由于滚动体和滚道接触面间有微小的、往复的相对滑动，因而导致微振磨损产生，其结果在滚道上形成波纹状的磨痕。

运动形态 原因 发展历程 响应特性

滚道和滚动体相对滚动与滑动 滑动、异物侵入 磨损——游隙增大——精度降低 振动、噪声加剧

3. 塑性变形

在工作负荷过重的情况下，轴承受到过大的冲击载荷或静载荷，或者因为热变形引起额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转时产生剧烈的振动和噪声。而且，一旦产生上述凹痕，由此所引起的冲击载荷可能还会进一步引起附近表面的剥落。

4. 腐蚀

腐蚀也是滚动轴承的常见故障之一。当水分直接侵入轴承时就会引起轴承腐蚀，另一方面，当轴承停止工作时，轴承温度下降达到露点，空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承的表面上也会引起腐蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，在滚道和滚动体之间的接触点处，电流通过很薄的油膜引起火花，使表面局部熔融，在表面上形成波纹状的凹凸不平。

高精度的轴承往往由于表面腐蚀，丧失精度而不能继续工作。

5. 断裂

当载荷超过轴承滚道或滚动体的强度极限时会引起轴承零件的破裂。此外，由于磨削加工、热处理或装配时引起的残余应力、工作时的热应力过大等都有可能造成轴承零件的断裂。

6. 胶合

所谓胶合是指一个表面上的金属粘附到另一表面上的现象。在润滑不良，重载高速的情况下，由于摩擦发热，轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表面烧伤及胶合。

7. 保持架损坏

通常，由于装配或使用不当而引起保持架发生变形，从而就可能增加保持架与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死而不能转动，或者由于保持架与内外滚道发生摩擦等均可能引发保持架损坏，导致振动、噪声与发热增加。

10.2 滚动轴承振动信号的特征

滚动轴承的振动可以是由于外部的振源所引起，也可以是由于轴承本身的结构特点及缺陷引起。原则上，可以分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型。前者无论轴承正常与否，都会产生振动，在一定程度上代表了振动系统传递特性，而后者则反映了轴承的损坏状况。此外，在滚动轴承的运转过程中还可能存在由于润滑剂而产生的流体动力振动和噪声。 精品文档

精品文档 1. 轴承零件的振动固有频率

（1）轴承圈在自由状态下径向弯曲振动的固有频率（Hz）为：

222(1)2(/2)1RkkEIgfADk (0.1)

式中： k—— 轴承圈固有振动的节点术（共振阶数为k－1），k＝2，3，……

E—— 弹性模量，钢材为2.1×104（kg/mm2）；

I—— 轴承圈横截面的惯性矩（mm2）；

ρ—— 材料密度，钢材为7,87×10-6（kg/mm2）；

A—— 轴承圈截面积，A≈b×h（mm2）

D—— 轴承圈横截面中性轴直径（mm）

g—— 重力加速度，9800（mm/s2）

对于钢材，代入上述诸常数，则有：

252(1)0.9410()1RhkkfHzDk (0.2)

这里的h是什么？？

另有公式1)1(104.92225nnnbhfn ，h：厚度，b：滚柱直径，该公式验证过。

图10.1计算轴承圈径向弯曲振动固有频率而采用的横截面简化图。图10.2是当k＝2和3时轴承圈径向弯曲振动的振型。

利用式（10.1）计算所得的频率是轴承圈在自由状态下的固有频率，当轴承安装到机器中后，由于受到邻近结构零件的影响，此频率将有所变化。

（图10.1 滚动轴承圈横截面简化图） （图10.2 滚动轴承圈径向弯曲振动）

例如，6025轴承内圈的弯曲固有频率为：

k 2 3 4

5

fc(kHz) 3.94 11.14 21.36 34.54

（2）钢球的固有频率

0.4242bcEgfR (0.3)

式中：R代表钢球半径，其余项意义见上。

例如对于R＝5/32吋的钢球，其固有频率为fbc＝386.5kHz。

2. 滚动轴承的运动学

在这里我们以向心推力滚动轴承为例来分析滚动轴承的运动学。

向心推力滚动轴承的结构如图10.3所示，其中（b）是球轴承的轴向剖面图，（c）是滚柱轴承的轴向剖面图。 精品文档

精品文档 （图10.3 向心推力滚动轴承图）

（1）不承受轴向力时的特征频率

首先假设滚动体装入保持架后在内外滚道之间呈均匀分布，且同时与内外滚道相接触，工作时无相对滑动。如图10.4给出了滚动（球）轴承不承受轴向力时的剖面结构图。

（图10.4 滚动（球）轴承不受轴向力时的剖面图）

如图10.4所示，滚动体绕O点作定点运动，它与内圈在A点接触，与外圈在B点建造出，滚动体的中心点为C点。定义，内圈旋转频率为fi，在A点的切线速度为Vi，外圈旋转频率为fo，在B点的切线速度为Vo，保持架旋转频率（即滚动体公转频率）为fc，在C点的切线速度为Vc，轴承节径（滚动体中心所在圆）为D，滚动体直径为d。因此，内圈的旋转速度（A点的切线速度）Vi为：

12()iiiVrfDdf (0.4)

外圈的旋转速度（B点的切线速度）Vo为：

22()oooVrfDdf (0.5)

因而，公转体公转速度（C点的速度）Vc为：

1()2ciocVVVDf (0.6)

于是，可求得单个滚动体或保持架的公转频率fc为：

1[(1)(1)]22iocioVVddfffDDD (0.7)

单个滚动体在外圈滚道上的通过频率，即保持架相对于外圈的旋转频率foc，可由式（10.6）和式（10.7）求得为：

2ocoioiDdfffffD (0.8)

同样，单个滚动体在内圈滚道的通过频率，即保持架相对于内圈的旋转频率fic为：

2iccioiDdfffffD (0.9)

滚动体的自转频率，即滚动体相对于保持架的频率为：

222bcoiDdfffDd (0.10)

这也是滚动体相对于内、外圈滚道的旋转频率。

对于具有Z个滚动体的滚动轴承，其滚动体在内、外滚道上的通过频率fip和fop分别为：

()2ipicoiZDdfZfffD (0.11)

()2opocoiZDdfZfffD (0.12)

（2）承受轴向力时的特征频率

一般来说，滚动轴承其滚动体与滚道之间都存在一定间隙，在受到轴向力作用时就会形成如图10.5所示的状态，此时，轴承的内、外圈在轴向相互错开，使轴承内、外滚道的工作直径分别变大和变小，其原因是滚珠的工作直径由d减小为cosd（称为接触角）。

（图10.5 承受轴向力作用时的滚珠轴承剖面图）

于是，在承受轴向力作用时具有Z个滚动体的滚动轴承的各特征频率计算公式分别为：

滚动体的自转频率：