機(jī)械故障診斷技術(shù) 第六章 滾動(dòng)軸承的與故障診斷

第六章

滾動(dòng)軸承的與故障診斷旋轉(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。2最初的軸承故障診斷是靠聽覺來判斷。這種方法至今仍在沿用，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。影響因素較多，可靠性較差。

3引入了各種測(cè)振儀，用振動(dòng)位移、速度和加速度的均方根值或峰值來判斷軸承有無故障。減少了監(jiān)測(cè)人員對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性，提高了監(jiān)測(cè)診斷的準(zhǔn)確性。很難在故障初期及時(shí)做出診斷41966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(duì)軸承故障機(jī)理研究的基礎(chǔ)上發(fā)明了用沖擊脈沖儀（ShockPulseMeter）檢測(cè)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(cè)儀器。51976年，日本新日鐵株式會(huì)社研制了MCV系列機(jī)器檢測(cè)儀（MachineChecker），可分別在低頻、中頻和高頻段檢測(cè)軸承的異常信號(hào)。同時(shí)推出的還有油膜檢查儀，利用超聲波或高頻電流對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)油膜是否破裂，發(fā)生金屬間直接接觸61976-1983年，日本精工公司（NSK）相繼研制出了NB系列軸承監(jiān)測(cè)儀，利用1~15kHz范圍內(nèi)的軸承振動(dòng)信號(hào)測(cè)量其RMS值和峰值來檢測(cè)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(hào)的儀器儀表還具有報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)功能。71969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，以上研究奠定了滾動(dòng)軸承故障診斷的理論基礎(chǔ)。8目前已有多種信號(hào)分析儀可供滾動(dòng)軸承的故障診斷。美國(guó)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(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷非常有效。還有多種信號(hào)分析處理技術(shù)用于滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hào)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9除了利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷監(jiān)測(cè)外，還發(fā)展了其他一些技術(shù)，如光纖維監(jiān)測(cè)技術(shù)、油污染分析法（光譜測(cè)定法、磁性磁屑探測(cè)法和鐵譜分析法等）、聲發(fā)射法、電阻法等10滾動(dòng)軸承故障的主要形式與原因滾動(dòng)軸承的故障原因是十分復(fù)雜的

滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能會(huì)導(dǎo)致軸承過早損壞。即使在安裝、潤(rùn)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(huì)出現(xiàn)疲勞剝落和磨損而不能正常工作。。11

1.疲勞剝落

滾動(dòng)軸承的內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體表面既承受載荷又相對(duì)滾動(dòng)，由于交變載荷的作用，首先在表面下一定深度處（最大剪應(yīng)力處）形成裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面使表層發(fā)生剝落坑，最后發(fā)展到大片剝落。疲勞剝落會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊載荷、振動(dòng)和噪聲加劇。通常情況下，疲勞剝落往往是滾動(dòng)軸承失效的主要原因，一般所說的軸承壽命就是指軸承的疲勞壽命，軸承的壽命試驗(yàn)就是疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，在滾道或滾動(dòng)體上出現(xiàn)面積為0.5mm2的疲勞剝落坑就認(rèn)為軸承壽命終結(jié)。滾動(dòng)軸承的疲勞壽命分散性很大，同一批軸承中，其最高壽命與最低壽命可以相差幾十倍乃至上百倍，這從另一角度說明了滾動(dòng)軸承故障監(jiān)測(cè)的重要性。122.磨損

由于塵埃、異物的侵入，滾道和滾動(dòng)體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起表面磨損，潤(rùn)滑不良也會(huì)加劇磨損，磨損的結(jié)果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)精度，因而也降低了機(jī)器的運(yùn)動(dòng)精度，振動(dòng)及噪聲也隨之增大對(duì)于精密機(jī)械軸承，往往是磨損量限制了軸承的壽命。

此外，還有一種微振磨損。在軸承不旋轉(zhuǎn)的情況下，由于振動(dòng)的作用，滾動(dòng)體和滾道接觸面間有微小的、反復(fù)的相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生磨損，在滾道表面上形成振紋狀的磨痕。133.塑性變形

當(dāng)軸承受到過大的沖擊載荷或靜載荷時(shí)，或因熱變形引起額外的載荷，或有硬度很高的異物侵入時(shí)都會(huì)在滾道表面上形成凹痕或劃痕。這將使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。一旦有了壓痕，壓痕引起的沖擊載荷會(huì)進(jìn)一步引起附近表面的剝落。144.銹蝕

銹蝕是滾動(dòng)軸承最嚴(yán)重的問題之一，高精度軸承可能會(huì)由于表面銹蝕導(dǎo)致精度喪失而不能繼續(xù)工作。水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵人會(huì)引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承停止工作后，軸承溫度下降達(dá)到露點(diǎn)，空氣中水分凝結(jié)成水滴附在軸承表面上也會(huì)引起銹蝕。此外，當(dāng)軸承內(nèi)部有電流通過時(shí)，電流有可能通過滾道和滾動(dòng)體上的接觸點(diǎn)處，很薄的油膜引起電火花而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。

155.斷裂

過高的載荷會(huì)可能引起軸承零件斷裂。磨削、熱處理和裝配不當(dāng)都會(huì)引起殘余應(yīng)力，工作時(shí)熱應(yīng)力過大也會(huì)引起軸承零件斷裂。另外，裝配方法、裝配工藝不當(dāng)，也可能造成軸承套圈擋邊和滾子倒角處掉塊。

166.膠合

所謂膠合是指一個(gè)零部件表面上的金屬粘附到另一個(gè)零件部件表面上的現(xiàn)象

在潤(rùn)滑不良、高速重載情況下工作時(shí)，由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可以在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，導(dǎo)致表面燒傷及膠合。

177.保持架損壞

由于裝配或使用不當(dāng)可能會(huì)引起保持架發(fā)生變形，增加它與滾動(dòng)體之間的摩擦，甚至使某些滾動(dòng)體卡死不能滾動(dòng)，也有可能造成保持架與內(nèi)外圈發(fā)生摩擦等。這一損傷會(huì)進(jìn)一步使振動(dòng)、噪聲與發(fā)熱加劇，導(dǎo)致軸承損壞18滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理與信號(hào)特征滾動(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(rùn)滑劑在軸承運(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(huì)激勵(lì)起振動(dòng)。19一、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。

20

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α：

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212．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)滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)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）。22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=2πr1fi=πfi(D-dcosa)

外滑道上一點(diǎn)的速度為：VO=2πr2fO=πfO(D+dcosa)

保持架上一點(diǎn)的速度為：Vc=1/2(Vi+VO)=πfcD

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：

23

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(duì)于保持架的回轉(zhuǎn)頻率（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）fbc24

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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為25

一般情況下，滾動(dòng)軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，即：26

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：27

滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率Zfic為28

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：293.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α＝90°，同時(shí)內(nèi)、外環(huán)相對(duì)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(duì)于保持架的回轉(zhuǎn)頻率為：

特征頻率是利用振動(dòng)信號(hào)診斷滾動(dòng)軸承故障的基礎(chǔ)，對(duì)故障診斷非常重要。

304.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31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(jiǎn)化圖與徑向彎曲振動(dòng)振型示意圖

32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)），n＝2，3，…；

E—彈性模量，鋼材為210GPa;

I—套圈橫截面的慣性矩，mm4；

γ—密度，鋼材為7.86X10-6kg/mm3；

A—套圈橫截面積，A≈bh，mm2；

D—套圈橫截面中性軸直徑，mm；

g—重力加速度，g＝9800mm/S2。

33對(duì)鋼材，將各常數(shù)代入式得

有時(shí)鋼球也會(huì)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;

γ—密度，鋼材為7.86X10-6kg/mm3；

g—重力加速度，g＝9800mm/S2。

345．滾動(dòng)軸承特征頻率表

35二、正常軸承的振動(dòng)信號(hào)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(huì)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，因而承載剛度會(huì)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。

362.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，特別是當(dāng)潤(rùn)滑不良時(shí)，易產(chǎn)生異常的軸向振動(dòng)。在剛度曲線呈對(duì)稱非線性時(shí)，振動(dòng)頻率為fn,2fn.,3f.n,…；在剛度曲線呈非對(duì)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。

373.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(huì)引起軸承的徑向振動(dòng)，在一定條件下還會(huì)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(duì)于保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

3839下面簡(jiǎn)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，nZ＋1時(shí)，對(duì)外圈徑向振動(dòng)影響情況如下：圖5

內(nèi)圈波紋率引起外圈徑向振動(dòng)的機(jī)理（n=1，Z＝8)40

圖5

內(nèi)圈波紋率引起外圈徑向振動(dòng)的機(jī)理（n=1，Z＝8)

在圖中討論編號(hào)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(hào)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。

41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(duì)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(duì)軸向振動(dòng)的影響。對(duì)于精密軸承，波紋度引起的軸心擺動(dòng)是不能忽視的。42

圖6所示為在機(jī)床中使用的加有預(yù)緊力的兩個(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(huì)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(duì)精密軸承也會(huì)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(huì)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)43(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(huì)引起軸承振動(dòng)，振動(dòng)頻率為nfn,fn為軸回轉(zhuǎn)頻率，n＝1，2,…。

44(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(huì)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，n＝1，2,…，此處fc為保持架回轉(zhuǎn)頻率，fn為軸回轉(zhuǎn)頻率。45(4)軸彎曲引起軸承偏斜

軸彎曲會(huì)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，n＝1,2,…。此處fc為保持架回轉(zhuǎn)頻率，fn為軸回轉(zhuǎn)頻率。464.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(huì)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(rùn)滑的低速重載圓柱滾動(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(huì)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(huì)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。47三、故障軸承振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)

軸承發(fā)生故障后，其振動(dòng)特征會(huì)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(huì)因?yàn)榕鲎捕a(chǎn)生沖擊脈沖。48圖10給出了鋼球落下產(chǎn)生的沖擊過程的示意圖。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)。49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(jí)。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100～500kHz。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(cè)量點(diǎn)的傳遞特性對(duì)此有很大影響，因此測(cè)點(diǎn)位置選擇非常關(guān)鍵，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量接近承載區(qū)，振動(dòng)傳遞界面越少越好。50

有疲勞剝落故障軸承的振動(dòng)信號(hào)如圖11(a)所示，圖11(b）為其簡(jiǎn)化的波形。T取決于碰撞的頻率，T=1/f碰。在簡(jiǎn)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

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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(hào)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5.5～6。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。52

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。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(cè)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(rùn)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)。53滾動(dòng)軸承的振動(dòng)測(cè)量與簡(jiǎn)易診由于滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)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(hào)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷時(shí)，應(yīng)根據(jù)其振動(dòng)特點(diǎn)，有針對(duì)性地采取一些措施和方法。54一、測(cè)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，每通過零件的界面?zhèn)鬟f一次，其能量損失約80％。因此，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被測(cè)軸承的承載區(qū)，應(yīng)盡量減少中間傳遞環(huán)節(jié)，探測(cè)點(diǎn)離軸承外圈的距離越近越直接越好。

55圖1表示了傳感器位置對(duì)故障檢測(cè)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%（-12～13dB）。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(duì)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)的弧線表示因振動(dòng)波通過界面衰減導(dǎo)致振動(dòng)減弱的情形。56

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(cè)，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(cè)，這時(shí)可選擇其中的兩個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。

57二、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。檢測(cè)滾動(dòng)軸承振動(dòng)速度和加速度信號(hào)時(shí)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(duì)被測(cè)對(duì)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(duì)于高頻振動(dòng)的測(cè)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(duì)于衰減較大的高頻振動(dòng)，可以避免每次測(cè)量的偏差，使數(shù)據(jù)具有可比性。

58三、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(duì)軸承的故障做出診斷59

1．低頻段

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fb≤1kHz）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(cè)靈敏度差，目前已較少采用。

602．中頻段

在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，中頻段指1～20kHz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(hào)的峰值、RMS值或峭度系數(shù)作為監(jiān)測(cè)參數(shù)。許多簡(jiǎn)易的軸承監(jiān)測(cè)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(hào)總功率作為監(jiān)測(cè)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(duì)309球軸承，通帶中心頻率為2.2kHz左右，帶寬可選為1～2kHz。61

3．高頻段

在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，高頻率段指20～80kHz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(hào)，對(duì)故障診斷非常有效。瑞典的沖擊脈沖計(jì)（SPM）就是利用這個(gè)頻段。62四、滾動(dòng)軸承的簡(jiǎn)易診斷

利用滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)分析故障診斷的方法可分為簡(jiǎn)易診斷法和精密診斷法兩種。簡(jiǎn)易診斷的目的是為了初步判斷被列為診斷對(duì)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(jiǎn)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。

63

1.滾動(dòng)軸承故障的簡(jiǎn)易標(biāo)準(zhǔn)

通常需要將測(cè)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(cè)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(jiǎn)易診斷的判定標(biāo)準(zhǔn)大致可分為以下三種。

(1)絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)

絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是指用于判斷實(shí)測(cè)振值是否超限的絕對(duì)量值。

(2)相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)

相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是指對(duì)軸承的同一部位定期進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，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(cè)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(duì)若干同一型號(hào)的軸承在相同的條件下在同一部位進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，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(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是在標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定的檢測(cè)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(cè)。適用于所有軸承的絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)是不存在的，因此一般都是兼用絕對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)判定標(biāo)準(zhǔn)和類比判定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能獲得準(zhǔn)確、可靠的診斷結(jié)果。642.振動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)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以及均方根值（有效值）Xrms。

這是一種最簡(jiǎn)單、最常用的診斷法，它是通過將實(shí)測(cè)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(duì)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(cè)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）。

均方根值是對(duì)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(cè)儀和新日鐵研制的MCV-21A型機(jī)械監(jiān)測(cè)儀就是這類儀器?？梢詼y(cè)量振動(dòng)信號(hào)的峰值或峰值系數(shù)，有的還可以測(cè)量RMS值或絕對(duì)平均值。測(cè)量參數(shù)除加速度外，有的還包括振動(dòng)速度和位移。65(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(jiǎn)易診斷的有效指標(biāo)之一。66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。67(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/Xrms)。該值用于滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)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(duì)XP/Xrms值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)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(shì)。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(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，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。68(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。

6970(5)峭度系數(shù)診斷法

峭度（Kurtosis）β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；

σ—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(shì)。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。713.滾動(dòng)軸承的沖擊脈沖診斷法（SPM法）

滾動(dòng)軸承存在缺陷時(shí)，如有疲勞剝落、裂紋、磨損和滾道進(jìn)入異物時(shí)，會(huì)發(fā)生沖擊，引起脈沖性振動(dòng)。由于阻尼的作用，這種振動(dòng)是一種衰減振動(dòng)。沖擊脈沖的強(qiáng)弱反映了故障的程度，它還和軸承的線速度有關(guān)。SPM沖擊脈沖法（ShockPulseMethod)就是基于這一原理。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出的脈沖值與軸承壽命的關(guān)系如圖5所示。

72脈沖值與軸承壽命的關(guān)系73在無損傷或極微小的損傷期，脈沖值（dB值）大體在水平線上下波動(dòng)。隨著故障的發(fā)展，脈沖值逐漸增大。當(dāng)沖擊能量達(dá)到初始值的1000倍（60dB）時(shí)，就認(rèn)為該軸承的壽命已經(jīng)結(jié)束?？偟臎_擊能量dBsv與初始沖擊能量dBi之差稱為標(biāo)準(zhǔn)沖擊能量dBN。

dBN=dBSV-dBi可以根據(jù)dBN的值判斷軸承的狀態(tài)：

0≤dBN≤20dB

正常狀態(tài)，軸承工作狀態(tài)良好；

20dB≤dBN≤35dB

注意狀態(tài)，軸承有初期損傷；

35dB≤dBN≤60dB

警告狀態(tài)，軸承已有明顯損傷。

初始沖擊能量也稱背景分貝，可根據(jù)軸承內(nèi)徑及轉(zhuǎn)速加以確定。

74采用此方法進(jìn)行診斷時(shí)應(yīng)注意以下幾方面問題

(1)傳感器的安裝

對(duì)于固定安裝的SPM傳感器，經(jīng)常由于機(jī)器本身的結(jié)構(gòu)限制，無法完全達(dá)到SPM傳感器的安裝標(biāo)準(zhǔn)，造成信號(hào)衰減。

(2)設(shè)備安裝條件

對(duì)滾動(dòng)軸承狀態(tài)有明顯影響的設(shè)備安裝因素主要有不對(duì)中和軸彎曲。這兩種安裝狀態(tài)都會(huì)使軸承產(chǎn)生不均勻載荷，對(duì)軸承油膜的形成造成很大影響。這一方面會(huì)加劇軸承狀態(tài)的惡化；另一方面，在軸承狀態(tài)惡化以前也會(huì)造成沖擊值增大，導(dǎo)致誤報(bào)警。因此，對(duì)于此類軸承，在加強(qiáng)監(jiān)護(hù)的同時(shí)，對(duì)其報(bào)警限要適當(dāng)放寬。

(3)對(duì)輔助傳動(dòng)軸承的考慮

對(duì)于輔助傳動(dòng)軸承，由于經(jīng)常處于從動(dòng)輕載荷狀況，因此沖擊值比其正常載荷下獲得的標(biāo)準(zhǔn)值要小很多。但同時(shí)由于載荷小而容易受其他軸承或齒輪沖擊值的影響，使沖擊值快速增高。因此對(duì)此類軸承應(yīng)放寬其下限，但上限應(yīng)基本不變754．滾動(dòng)軸承共振解調(diào)診斷法（IFD法）

共振解調(diào)法是利用傳感器及電路的諧振，將故障沖擊引起的衰減振動(dòng)放大，從而大大提高故障探測(cè)的靈敏度，這是與沖擊脈沖法相同之點(diǎn)。該方法還利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取出來，通過對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以診斷出故障的部位，指出故障發(fā)生在軸承外圈、內(nèi)圈滾道或滾動(dòng)體上。這是美國(guó)波音公司提出的一項(xiàng)技術(shù)，稱為早期故障探測(cè)法（IncipientFailureDetection）。76利用解調(diào)技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的過程如圖6所示。軸承故障引起的沖擊脈沖F(t)經(jīng)傳感器拾取及電路諧振，得到放大的高頻衰減振動(dòng)a（t