滾動軸承故障診斷

1、滾動軸承故障診斷旋轉機械是設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷工作的重點，而旋轉機械的故障有相當大比例與滾動軸承有關。滾動軸承是機器的易損件之一，據不完全統計，旋轉機械的故障約有30是因滾動軸承引起的，由此可見滾動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。訓練有素的人員憑經驗能診斷出剛剛發(fā)生的疲勞剝落，有時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)測人員對經驗的依賴性，提高了監(jiān)測診斷的準確性，但仍很難在故障初期及時做出診斷。1966年，全球主要滾動軸承生產商之一，瑞典SKF公司在多年對軸承故障機理研究的基礎上發(fā)明了用沖擊脈沖儀（Shock Pulse Meter）檢測軸承損傷，將滾動軸承的故障診斷水平提高了一個檔次。之后，幾十家公司相繼安裝了大批傳感器用于長期監(jiān)測軸承的運轉情況，在航空飛機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范圍內的軸承振動信號測量其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警、自動停機功能。隨著對滾動軸承的運動學、動力學的深入研究，對于軸承振動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系有了比較清楚的了解，加之快速傅里葉變換技術的發(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，對滾動軸承振動和缺陷、尺寸不均勻及磨損之間關

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

5、測技術、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發(fā)生故障之后，進一步判定故障的類別和發(fā)生部位，以便采取相應對策。 滾動軸承的精密診斷與旋轉機械、往復機械等精密診斷一樣，主要采用頻譜分析法。由于滾動軸承的振動頻率成分十分豐富，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特定的頻率成分。進行頻譜分析之前需要通過適當的信號處理方法將特定的頻率成分分離出來，然后對其進行絕對值處理，最后進行頻率分析，以找出信號的特征頻率，確定故障的部位和類別。 一、軸承內滾道損傷 軸承內滾道產生損傷時，如：剝落、裂紋、點蝕等（如圖1所示），若滾動軸

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

7、頻率為nZfo ( n1，2,），振動波形如圖2所示。 圖2 外滾道損傷振動特征 三、滾動體損傷 當軸承滾動體產生損傷時，如剝落、裂紋、點蝕等，缺陷部位通過內圈或外圈滾道表面時會產生沖擊振動。 在滾動軸承無徑向間隙時，會產生頻率為nZfb（n1，2,）的沖擊振動。 通常滾動軸承都有徑向間隙，因此，同內圈存在點蝕時的情況一樣，根據點蝕部位與內圈或外圈發(fā)生沖擊接觸的位置不同，也會發(fā)生振幅調制的情況，不過此時是以滾動體的公轉頻率fc進行振幅調制。這時的振動頻率為nzfb士fc，如圖3所示。圖3 滾動體損傷振動情況 四、軸承偏心 當滾動軸承的內圈出現嚴重磨損等情況時，軸承會出現偏心現象，當軸旋轉時，軸

8、心（內圈中心）便會繞外圈中心擺動，如圖4示，此時的振動頻率為nf r（n1, 2,）。 圖4 滾動軸承偏心振動特征 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 由于滾動軸承的故障信號具有沖擊振動的特點，頻率極高，衰減較快，因此利用振動信號對其進行監(jiān)測診斷時，除了參考前面已經介紹的旋轉機械、往復機械的振動測試方法以外，還應根據其振動特點，有針對性地采取一些措施和方法。 一、測點的選擇 滾動軸承因故障引起的沖擊振動由沖擊點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架。由于沖擊振動所含的頻率很高，每

9、通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80。因此，測量點應盡量靠近被測軸承的承載區(qū)，應盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測點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，當止推軸承發(fā)生故障產生沖擊并向外散發(fā)球面波時，假如在軸承蓋正對故障處的讀數為100%，則在軸承座軸向的讀數降為5%（-19dB)。在圖1 (c) 和(d)中給出了傳感器安裝的正確位置和錯誤位置，較粗的弧線表示振動較強烈的部位，較細的弧線表示因振

10、動波通過界面衰減導致振動減弱的情形。 圖1 傳感器位置對故障檢測靈敏度的影響 由于滾動軸承的振動在不同方向上反映出不同的特性，因此應盡量考慮在水平（x）、垂直（y）和軸向（z）三個方向上進行振動檢測，但由于設備構造、安裝條件的限制，或出于經濟方面的考慮，不可能在每個方向上都進行檢測，這時可選擇其中的兩個方向進行檢測。 二、傳感器的選擇與固定方式 根據滾動軸承的結構特點，使用條件不同，它所引起的振動可能是頻率約為1kHz以下的低頻脈動（通過振動），也可能是頻率在1kHz以上，數千赫乃至數十千赫的高頻振動（固有振動），通常情況下是同時包含了上述兩種振動成分。因此，檢測滾動軸承振動速度和加速度信號時

11、應同時覆蓋或分別覆蓋上述兩個頻帶，必要時可以采用濾波器取出需要的頻率成分?？紤]到滾動軸承多用于中小型機械，其結構通常比較輕薄，因此，傳感器的尺寸和重量都應盡可能地小，以免對被測對象造成影響，改變其振動頻率和振幅大小。 滾動軸承的振動屬于高頻振動，對于高頻振動的測量，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，而且定點性也好，對于衰減較大的高頻振動，可以避免每次測量的偏差，使數據具有可比性。 三、分析譜帶的選擇 滾動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的特征譜線，做出判斷。由于在這個頻率范圍容易受到機械及電源干擾，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，以消除機械干擾；然后用信號的

13、峰值、RMS值或峭度系數作為監(jiān)測參數。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構零件的共振頻率成分，用通帶內的信號總功率作為監(jiān)測參數，濾波器的通帶截止頻率根據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所得到衰減振動信號，對故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計（SPM）和美國首

14、創(chuàng)的IFD法就是利用這個頻段。 四、滾動軸承的簡易診斷 利用滾動軸承的振動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軸承是否出現了故障；精密診斷的目的是要判斷在簡易診斷中被認為出現了故障的軸承的故障類別及原因。 1.滾動軸承故障的簡易標準 在利用振動對滾動軸承進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）與預先給定的某種判定標準進行比較，根據實測的振值是否超出了標準給出的界限來判斷軸承是否出現了故障，以決定是否需要進一步進行精密診斷。因此，判定標準就顯得十分重要。 用于滾動軸承簡易診斷的判定標準大致可分為以下三種。 (

15、1)絕對判定標準 絕對判定標準是指用于判斷實測振值是否超限的絕對量值。 (2)相對判定標準 相對判定標準是指對軸承的同一部位定期進行振動檢測，并按時間先后進行比較，以軸承無故障情況下的振值為基準，根據實測振值與該基準振值之比來進行判斷的標準。 (3)類比判定標準 類比判定標準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行振動檢測，并，將振值相互比較進行判斷的標準。 需要注意的是，絕對判定標準是在標準和規(guī)范規(guī)定的檢測方法的基礎上制定的標準，因此必須注意其適用頻率范圍，并且必須按規(guī)定的方法進行振動檢測。適用于所有軸承的絕對判定標準是不存在的，因此一般都是兼用絕對判定標準、相對判定標準和類比判

16、定標準，這樣才能獲得準確、可靠的診斷結果。 2.振動信號簡易診斷法 (1)振幅值診斷法 這里所說的振幅值指峰值XP、均值X（對于簡諧振動為半個周期內的平均值，對于軸承沖擊振動為經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，它是通過將實測的振幅值與判定標準中給定的值進行比較來診斷的。 峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對于轉速較低的情況（如300r/min以下），也常采用峰值進行診斷。 均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點是檢測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉速較高的情況（如300r/min以上

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

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

19、型的正態(tài)分布曲線；而一旦出現故障，則概率密度曲線可能出現偏斜或分散的現象，如圖3所示。 (5)峭度系數診斷法 峭度（Kurtosis）定義為歸一化的4階中心矩，即 式中x瞬時振幅； X振幅均值； p（x）概率密度； 標準差。 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。隨著故障的出現和發(fā)展，峭度值具有與波峰因數類似的變化趨勢。此方法的優(yōu)點在于與軸承的轉速、尺寸和載荷無關，主要適用于點蝕類故障的診斷。圖3 滾動軸承的損傷 英國鋼鐵公司研制的峭度儀在滾動軸承故障的監(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、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的結果。試驗中第74h軸承發(fā)生了疲勞破壞，峭度系數由3上升到6圖(a)，而此時峰值圖(b)和RMS值尚無明顯增大。故障進一步明顯惡化后，峰值、RMS值才有所反映。 圖中虛線表示在不同轉速（8002700r/min )和不同載荷（011kN）下進行試驗時上述各值的變動范圍。很明顯，峭度系數的變化范圍最小，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。 有統計資料表明，使用峭度系數和RMS值共同來監(jiān)測，滾動軸承振動情況，故障診斷成功率可達到96以上。圖4 軸承疲勞試驗過程滾動軸承的振動可由外部振源引起，也可由軸承本身的結構特點及缺陷引起。此外，潤滑劑

21、在軸承運轉時產生的流體動力也可以是振動（噪聲）源。上述振源施加于軸承零件及附近的結構件上時都會激勵起振動。 一、滾動軸承振動的基本參數 1滾動軸承的典型結構 滾動軸承的典型結構如圖1所示，它由內圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成。圖1 滾動軸承的典型結構 圖示滾動軸承的幾何參數主要有： 軸承節(jié)徑D： 軸承滾動體中心所在的圓的直徑 滾動體直徑d： 滾動體的平均直徑 內圈滾道半徑r1： 內圈滾道的平均半徑 外圈滾道半徑r2： 外圈滾道的平均半徑 接觸角： 滾動體受力方向與內外滾道垂直線的夾角 滾動體個數Z： 滾珠或滾珠的數目 2滾動軸承的特征頻率 為分析軸承各部運動參數，先做如下假設： (1)滾道

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

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

24、的基礎，對故障診斷非常重要。 4.滾動軸承的固有振動頻率 滾動軸承在運行過程中，由于滾動體與內圈或外圈沖擊而產生振動，這時的振動頻率為軸承各部分的固有頻率。 固有振動中，內、外圈的振動表現最明顯，如圖2所示圖2 滾動軸承套圈橫截面簡化圖與徑向彎曲振動振型示意圖 軸承圈在自由狀態(tài)下的徑向彎曲振動的固有頻率為： 式中n振動階數（變形波數），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，將各常數代入式得

25、有時鋼球也會產生振動，鋼球振動的固有頻率為： 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滾動軸承特征頻率表 為方便使用，將以上介紹的滾動軸承各特征頻率列于表1中。表1 滾動軸承特征頻率表（假定外圈固定、內圈旋轉）二、正常軸承的振動信號特征 正常的軸承也有相當復雜的振動和噪聲，有些是由軸承本身結構特點引起的；有些和制造裝配有關，如滾動體和滾道的表面波紋、表面粗糙度以及幾何精度不夠高，在運轉中都會引起振動和噪聲。 1軸承結構特點引起的振動 滾動軸承在承載時，由于在不同位置承載的滾子數目不同，因而承

26、載剛度會有所變化，引起軸心的起伏波動，振動頻率為Zfoc(圖3）。要減少這種振動的振幅可以采用游隙小的軸承或加預緊力去除游隙。 2.軸承鋼度非線性引起的振動 滾動軸承的軸向剛度常呈非線性（圖4），特別是當潤滑不良時，易產生異常的軸向振動。在剛度曲線呈對稱非線性時，振動頻率為fn, 2fn., 3f.n,；在剛度曲線呈非對稱非線性時，振動頻率為分數諧頻（fn為軸回轉頻率）。這是一種自激振動，常發(fā)生在深溝球軸承，自調心球軸承和滾柱軸承不常發(fā)生。 圖3 滾動軸承的承載剛度和滾子位置的關系圖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 由軸承零件的加工面（內圈、外圈滾道面及

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

28、徑向振動的機理（n=1，Z8) 在圖中討論編號為“1”的球與波峰接觸時的情況。當波峰為nZ時，外圈在徑向無移動，但球與nZ士1個波峰數的波紋面接觸時，在外圈箭頭方向上有最大位移。在另一種情況下，當編號為“1”的球與波谷接觸時，波峰數為nZ個時，外圈則無徑向位移；在nZ士1個波峰數時，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等于nZ士1時產生振動的原因。 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。而對實際的波紋形狀，可能有其他頻率成分出現。用類似方法可說明波峰數對軸向振動的影響。對于精密軸承，波紋度引起的軸心擺動是不能忽視的。圖6所示為在機床中使用的加有預緊力

29、的兩個超精密向心球軸承，由于滾道波紋度引起軸心擺動軌跡。此時軸心軌跡呈現內卷形和外卷形兩種形式。還應注意，不僅軸承滾道和滾動體的波紋度會引起軸承振動，軸承的內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，因為在預緊力作用下，軸承裝配后會引起套圈的相應變形。 圖6 由軸承零件波紋度引起的軸心擺動 (2)軸承偏心引起的振動 如圖7所示，當軸承游隙過大或滾道偏心時都會引起軸承振動，振動頻率為nfn,fn為軸回轉頻率，n1，2,。 (3)滾動體大小不均勻引起軸心擺動 如圖8所示，滾動體大小不均勻會導致軸心擺動，還有支承剛性的變化。振動頻率為fc和nfc士fn，n1，2,，此處fc為保持

30、架回轉頻率，fn為軸回轉頻率。 圖7 軸承偏心引起的軸承振動 圖8 滾動體大小不均勻引起的軸心擺動 (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。軸承的振動頻率為nfc士fn，n1, 2,。此處fc為保持架回轉頻率，fn為軸回轉頻率。 4.滾動軸承的聲響滾動軸承在運轉時由于各種原因會產生振動，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： 所謂軸承本質的聲音是一切軸承都有的聲音。滾道聲是滾動體在滾動面上滾動而發(fā)生的，是一種滑溜連續(xù)的聲音。它與套圈的固有振動有關，頻率一般都在1kHz以上，并與軸承轉速有關。輾壓聲主要發(fā)生在脂潤滑的低速重載圓柱滾

31、動軸承中，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引起的，保持架振動時會與滾動體發(fā)生沖撞而發(fā)出聲音。高頻振動聲是由加工面的波紋度引起的振動而發(fā)出的聲音。 在與使用有關的聲音中，傷痕聲是由滾動面上的壓痕或銹蝕引起的，為周期性的振動和聲音。塵埃聲是非周期性的。 綜合以上所述，正常的軸承在運轉時也會有十分復雜的振動和聲響，而故障軸承的聲音則更復雜。三、故障軸承振動信號特點 軸承發(fā)生故障后，其振動特征會有明顯的變化，主要有以下幾方面。 1.疲勞剝落損傷 當軸承零件上產生了疲勞剝落坑后（圖9以夸大的方式畫出了疲勞剝落坑），在軸承運轉中會因為碰撞而產生沖擊脈沖。圖10給出了鋼球落下產生的

32、沖擊過程的示意圖。在沖擊的第一階段，在碰撞點產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，構件變形產生衰減自由振動（圖c），振動頻率取決于系統的結構，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)。 在滾動軸承剝落坑處碰撞產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激發(fā)起軸承一傳感器系統的固有振動。由于從沖擊發(fā)生處到測量點的傳遞特性對此有很大影響，因此測點位置選擇非常關鍵，測點應盡量接近承載區(qū)

33、，振動傳遞界面越少越好。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體在滾道上的通過率ZFic或Zfoc或滾動體自轉頻率fbc 。圖10 沖擊過程示意圖圖11 有疲勞剝落故障軸承的振動信號 2磨損 隨著磨損的進行，振動加速度峰值和RMS值緩慢上升，振動信號呈現較強的隨機性，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為一運轉過程中發(fā)生膠合的滾動軸承的振動加速度及外圈溫度的變化情形

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