中心滚动轴承的故障机理及诊断

滚动轴承的故障机理及诊断朱荣乾关键词摘要本文介绍了滚动轴承的故障类型和发展历程，轴承故障频率的计算公式和包络分析的原理，并通过实例介绍了滚动轴承的诊断方法。轴承；故障；诊断；包络目录引言1滚动轴承的故障形式2轴承故障的发展历程3轴承故障频率计算4包络分析原理5测试分析方法6结束语7一、引言

旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障，从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于轴承的故障诊断。一、引言

旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障，从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于轴承的故障诊断。

二、滚动轴承的故障形式

滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油变质等因素会加速轴承的损坏。滚动轴承的主要故障形式与原因如下。⒈疲劳剥落

滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。二、滚动轴承的故障形式轴承的故障形式磨损断裂锈蚀疲劳剥落擦伤二、滚动轴承的故障形式⒉磨损

长时间运转使轴承的内外滚道和滚动体表面不可避免地产生磨损，持续地磨损使轴承间隙增大，振动和噪声增加。润滑不良和硬质颗粒进入滚道会加速轴承的磨损。⒊断裂当轴承所受载荷、振动过大时，内外圈的缺陷位置在滚动体的反复冲击下，缺陷逐步扩展而断裂。⒋锈蚀

水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承内部有轴电流通过时，在滚道和滚动体的接触点处引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。二、滚动轴承的故障形式⒌擦伤

由于轴承内外滚道和滚动体接触表面上的微观凸起或硬质颗粒使接触面受力不均，在润滑不良、高速重载工况下，因局部摩擦产生的热量造成接触面局部变形和摩擦焊合，严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕裂。三、轴承故障的发展历程

轴承失效通常划分为四个阶段：

第一阶段：在轴承失效的初始阶段，故障频率出现在超声频段。有多种信号处理手段能够检测到这些频率，如峰值能量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM等。此时，轴承故障频率在加速度谱和速度频谱图上均无显示。

第二阶段：轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段，一般在500～2KHz范围内。同时该频率还作为载波频率调制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身，后期表现为在固有频率附近出现边频。此时，轴承仍可安全运转。三、轴轴承故故障的的发展展历程程第三阶阶段：：轴承故故障频频率的的谐波波开始始出现现，边边频带带数目目逐渐渐增多多。谐谐波有有时会会比基基频更更早被被发现现。峰峰值能能量gSE、应力力波PeakVue、包络络谱ESP、冲击击脉冲冲SPM所测故故障频频率幅幅值显显著升升高。。加速速度频频谱图图上也也可能能观察察到轴轴承故故障的的高次次谐波波。此此时需需要停停机检检修。。第四阶阶段：：在加速速度和和速度度频谱谱图上上均能能看到到轴承承故障障频率率的基基频和和高次次谐波波，并并伴随随有转转速频频率的的边频频带，，各种种手段段所测测频谱谱图的的基底底噪音音水平平升高高，继继而轴轴承故故障频频率开开始消消失被被随机机振动动或噪噪音代代替。。能明明显听听到故故障轴轴承产产生的的噪声声。此此时轴轴承已已处于于危险险状态态。三、轴轴承故故障的的发展展历程程第四阶阶段第三阶阶段第二阶阶段第一阶阶段在加速速度和和速度度频谱谱图上上均能能看到到轴承承故障障频率率的基基频和和高次次谐波波，并并伴随随有转转速频频率的的边频频带，，各种种手段段所测测频谱谱图的的基底底噪音音水平平升高高，继继而轴轴承故故障频频率开开始消消失被被随机机振动动或噪噪音代代替轴承故故障频频率的的谐波波开始始出现现，边边频带带数目目逐渐渐增多多轻微的的轴承承故障障开始始激起起轴承承元件件的固固有频频段故障频频率出出现在在超声声频段段四、轴轴承故故障频频率计计算1969年，Balderston根据滚滚动轴轴承的的运动动分析析得出出了滚滚动轴轴承的的滚动动体在在内外外滚道道上的的通过过频率率和滚滚动体体及保保持架架的旋旋转频频率的的计算算公式式，该该研究究奠定定了这这方面面的理理论基基础。。内环滚滚动，，外环环固定定，这这是滚滚动轴轴承最最常见见的安安装方方式。。其故故障频频率分分别为为：内环环：：外环环：：滚动体体：保持架架：式中：：n———滚动体体数目目d———滚动体体直径径D———轴承节节径，，即外外环内内径与与内环环外径径的平平均值值θ———接触角角对于推推力轴轴承，，接触触角θ为90°°。四、轴轴承故故障频频率计计算有时难难以测测量轴轴承的的几何何尺寸寸，在在知道道滚动动体数数目的的情况况下，，可以以用以以下公公式估估算轴轴承的的故障障频率率：内环环：：外环环：：滚动体体：保持架架：对于滚滚动体体数目目在6～12个的轴轴承，，误差差较小小。五、包包络分分析原原理轴承故故障会会产生生周明明性的的冲击击振动动信号号，通通常是是高频频低幅幅值信信号，，在故故障的的早期期和中中期，，因不不平衡衡、不不对中中、松松动等等故障障的幅幅值较较高，，在常常规速速度谱谱和加加速度度谱难难以观观察到到轴承承的故故障频频率。。现场场使用用最多多的是是带磁磁座的的压电电加速速度传传感器器，对对常规规振动动通常常取传传感器器安装装共振振频率率的1/3，以保保证所所测谱谱线幅幅值在在线性性范围围之内内。包包络分分析采采用带带通滤滤波器器，通通常选选取以以加速速度传传感器器安装装共振振频率率为中中心的的频带带做为为载波波频率率，使使微弱弱的轴轴承故故障信信号搭搭载在在高幅幅值的的谐振振频段段传递递出来来，否否则高高频低低幅的的轴承承故障障信号号在多多个界界面经经过反反射、、衰减减之后后，传传感器器很难难拾取取。再再对所所测信信号进进行绝绝对值值处理理，之之后采采用低低通滤滤波，，即可可获得得调制制信号号的包包络线线，然然后进进行快快速傅傅立叶叶变换换FFT，便便可可得得到到轴轴承承的的包包络络谱谱，，这这个个过过程程也也称称为为共共振振解解调调。。六、、测测试试分分析析方方法法1、传传感感器器放放置置滚动动轴轴承承的的故故障障检检测测主主要要采采用用加加速速度度传传感感器器，，电电涡涡流流位位移移传传感感器器和和磁磁电电式式速速度度传传感感器器不不适适用用于于滚滚动动轴轴承承的的故故障障检检测测。。加加速速度度传传感感器器的的固固定定方方法法通通常常有有双双头头螺螺栓栓、、磁磁座座、、探探针针。。以以Entek-IRD公司司的的970i传感感器器为为例例，，在在安安放放稳稳固固的的情情况况下下，，双双头头螺螺栓栓的的安安装装谐谐振振频频率率大大约约在在27KHz附近近，，磁磁座座安安装装的的谐谐振振频频率率约约在在7KHz附近近，，探探针针安安装装的的谐谐振振频频率率大大约约在在1.6KHz附近近。。前前两两种种安安装装方方式式都都适适用用滚滚动动轴轴承承的的故故障障检检测测，，探探针针安安装装方方式式不不但但谐谐振振频频率率低低，，而而且且对对高高频频振振动动衰衰减减较较大大，，不不适适宜宜滚滚动动轴轴承承故故障障的的检检测测。。六、、测测试试分分析析方方法法加速速度度传传感感器器一一般般安安装装在在轴轴承承承承受受载载荷荷的的方方向向，，对对于于水水平平放放置置联联轴轴器器传传动动的的设设备备，，传传感感器器安安放放在在轴轴承承座座下下方方；；对对于于皮皮带带传传动动的的设设备备，，传传感感器器安安放放在在两两皮皮带带轮轮连连线线方方向向轴轴承承座座内内侧侧。。在在测测试试之之前前，，一一定定要要了了解解轴轴承承座座的的结结构构，，避避免免把把轴轴承承安安放放的的轴轴承承座座空空腔腔处处，，这这样样轴轴承承的的高高频频信信号号衰衰减减很很大大。。采采用用磁磁座座方方装装方方式式，，需需清清理理掉掉不不平平或或过过厚厚的的油油漆漆。。六、、测测试试分分析析方方法法⒉测试试参参数数选选取取带通通滤滤波波器器的的中中心心频频率率应应选选在在传传感感器器安安装装谐谐振振频频率率的的中中心心，，谐谐振振频频率率通通过过现现场场测测试试确确定定，，图图1所示示是是磁磁座座安安装装的的加加速速度度传传感感器器的的谐谐振振频频率率，，上上限限频频率率选选在在10KHz之上上。。包络络谱谱的的谱谱线线数数一一般般选选800条或或1600条，，谱谱线线数数多多则则频频率率分分辨辨率率好好。。⒊判判断断标标准准转速速对对轴轴承承包包络络谱谱幅幅值值的的影影响响很很大大，，转转速速越越高高，，幅幅值值越越大大。。因因此此，，不不同同转转速速的的轴轴承承，，其其判判断断标标准准也也是是不不同同的的。。最最好好的的判判断断标标准准，，是是对对同同一一类类设设备备，，在在相相同同工工况况下下，，比比较较其其包包络络谱谱幅幅值值；；或或者者同同一一台台设设备备，，不不同同时时段段的的包包络络谱谱幅幅值值趋趋势势。。图1、传感器器的安装装谐振频频率六、测试试分析方方法六、测试试分析方方法4.轴承故障障分析图2是一台三三柱塞注注水泵轴轴承的包包络谱。。泵转速速335rpm，排出压压力25MPa，流量16m3/h，驱动动电机功功率132KW，电机转转速985rpm，电机与与泵通过过皮带传传动。泵泵轴承为为双排球球面滚子子轴承，，型号22330。根据轴承承尺寸计计算的轴轴承故障障频率如如下：内圈故障障频率BPIR=49.6Hz外圈故障障频率BPOR=34.2Hz滚动体BSF=14.7Hz保持架FTF=2.3Hz曲轴转频频f0=335rpm/60s=5.58Hz六、测试试分析方方法经过包络络处理之之后，不不平衡、、松动、、皮带轮轮偏斜、、轴向窜窜动等频频率都被被滤掉了了，只用用考虑轴轴承故障障和泵进进排液阀阀冲击。。而进排排液阀产产生的冲冲击频率率是泵转转频的1、3、6····倍，包络络谱中主主要频率率分量是是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转转频5.58Hz的倍频分分量，由由此断定定故障不不是由泵泵进排液液阀窜扰扰引起的的。当轴轴承跑内内圆或轴轴承磨损损使间隙隙增大时时也会在在包络谱谱上产生生转频及及其谐波波分量。。经过比比对，这这些频率率分量是是滚动体体故障频频率14.7Hz的3、6、9、18倍频，表表明滚动动体出现现故障，，并且很很严重。。六、测试试分析方方法图2、故障轴轴承的包包络谱六、测试试分析方方法停泵检查查发现，，轴承外外侧内圈圈滚道已已经磨成成搓板状状（如图图3所示）。。这与包包络谱显显示的滚滚动体故故障频率率不一致致，原因因是内圈圈滚道整整体剥落落，如同同滚子损损伤。另另外，内内圈高频频振动传传递需通通过内圈圈与滚子子，滚子子与外圈圈、外圈圈与轴承承座的交交界面，，振幅衰衰减为基基底噪声声。图3、损坏的的轴承内内圈滚道道七、结束束语了解轴承承故障的的形式和和轴承故故障的发发展阶段段，对于于诊断轴轴承故障障是十分分必要的的。掌握握轴承故故障诊断断的分析析原理和和方法是是准确诊诊断轴承承故障的的前提。。请各位专专家给予予批评指指正!9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。1月-231月-23Saturday,January7,202310、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。16:36:1316:36:1316:361/7/20234:36:13PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。1月-2316:36:1316:36Jan-2307-Jan-2312、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。16:36:1316:36:1316:36Saturday,January7,202313、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。1月月-231月月-2316:36:1316:36:13January7,202314、他乡生白白发，旧国国见青山。。。07一月月20234:36:13下下午16:36:131月-2315、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。一月月234:36下下午午1月月-2316:36January7,202316、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2023/1/716:36:1316:36:1307January202317、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。4:36:13下下午4:36下下午16:36:131月-239、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。1月-231月-23Saturday,January7,202310、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。16:36:1316:36:1316:361/7/20234:36:13PM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。1月月-2316:36:1316:36Jan-2307-Jan-2312、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。16:36:1316:36:1316:36Saturday,January7,202313、不知香积寺寺，数里入云云峰。。1月-231月-2316:36:1316:36:13January7,202314、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。07一月月20234:36:13下下午16:36:131月-2315、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。一月234:36下下午1月-2316:36January7,202316、少年十五五二十时，，步行夺得得胡马骑。。。2023/1/716:36:1316:36:1307January202317、空空山山新新雨雨后后，，天天气气晚晚来来秋秋。