第七章-滚动轴承的故障机理与诊断

第七章滚动轴承的故障机理与诊断

第一节滚动轴承故障的主要形式与原因

滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分或

异物侵入、腐蚀和过载等都可能导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑、和使用维护都正常

德情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动

轴承的故障原因是十分复杂的滚动轴承的主要故障形式与原因如下：

1.疲劳剥落

滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷有相对滚动，由于交变载荷的作用，首先

在表面下一定深度处形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发牛.剥落坑，最后发展到大片剥

落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情

况下，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，轴承的寿命忒验就是疲劳试验。试验规程协定，在滚道或滚动体上出现面积为O.5mm2

的疲劳剥落坑就认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最

高寿命与最低寿命可以相差儿十倍乃至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴承故障监测的重

要性。

2.磨扳

由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧

磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了

机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械轴承，往往是磨损最限制了轴承的

寿命。

此外，还有一种微振磨撮。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触

面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。

3.塑性变形

当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高

的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动

和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。

4.锈蚀

锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而

不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温

度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部

有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生

电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。

5.断裂

过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工

作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承

套圈挡边和滚子倒角处掉块。

6.胶合

在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到

很高的温度，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零

件部件表面上的现象。

7.保持架损坏

由于装配或使用不当可能会引正保持架发牛变形,增加它与滚动体方间的摩擦,甚至使

某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使

振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。

第二节滚动轴承的振动机理与信号特征

滚动轴承的振动可由外部振源引起，也可由轴承本身的结构特点及缺陷引起。此外，润

滑剂在轴承运转时产生的流体动力也可以是振动（噪声）源。上述振源施加于轴承零件及附

近的结构件上时都会激励起振动"

一、滚动轴承振动的基本参数

1.滚动轴承的典型结构

滚动轴承的典型结构如图7.1所示，它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。

图7.1滚动轴承的典型结构

图示滚动轴承的几何参数主要有：

轴承节径D：轴承滚动体中心所在的圆的直径

滚动体直径d：滚动体的平均直径

内圈滚道半径口：内圈滚道的平均半径

外圈滚道半径r2：外圈滚道的平均半径

接触角a:滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角

滚动体个数Z：滚珠或滚珠的数目

2.滚动轴承的特征频率

为分析轴承各部的运动参数，先做如下假设：

(1)滚道与滚动体之间无相对滑动；

(2)承受径向、轴向载荷时各部分无变形；

(3)内圈滚道回转频率为fi:

(4)外圈滚道回转频率为fO;

(5)保持架I可转频率(即滚动体公转频率为fc)。

参见图7.1,则滚动轴承工作时各点的转动速度如卜.：

内滑道上一点的速度为：

\\=2nnfi=nf,(D-dcosa)

外滑道上一点的速度为：

Vo=2Jir2fo=nfo(D+dcosa)

保持架上一点的速度为：

Vc=l/2(Vi+Vo)=nfcD

由此可得保持架的旋转频率(即滚动体的公转频率)为：

从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的从固定

在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的回转频率之比与d/2n成反

比。由此可得滚动体相对于保持架的回转频率(即滚动体的自转频率，滚动体通过内滚道或

外滚道的频率)4，：

A，2r}D-dcosaD(.d\

AdclDJ

或f2a

根据滚动轴承的实际工作情况，定义滚动轴承内、外圈的相对转动频率为/=f,-f(>o

一般情况下，滚动轴承外羽固定，内圈旋转，即：

工,二()，

fr~fi~fo

同时考虑到滚动轴承有Z个滚动体，则滚动轴承的特征频率如下：滚动体在外圈滚

道上的通过频率/,为：

%1/dV

Zf=-Z1----cosa\f

(o)c2LD)r

滚动体在内圈滚道上的通过频率Zfie为：

zf,c+

滚动体在保持架上的通过频率(即滚动体自转频率4，)为：

,D\.(dV,

the=—1-—cos-afrr

卜d[{DJ

3.止推轴承的特征频率

止推轴承可以看作上述滚动轴承的一个特例，即。=90°,同时内、外环相对转动频

率为轴的转动频率/,此时滚动体在止推环滚道上的频率为:

Zfg=gzf,

滚动体相对于保持架的回转频率为：Zfoc=fr

以上各特征频率是利用振动信号诊断滚动轴承故障的基础，对故障诊断非常重要。

4.滚动轴承的固有振动频率

滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时的振动炀,率为

轴承各部分的固有频率。

固有振动中，内、外圈的振动表现最明显，如图7.2所示

图7.2滚动轴承套横截面简化图与径向弯曲振动振型示意图

轴承圈在自由状态下的径向弯曲振动的固有频率为：

式中n一振动阶数（变形波数），n=2,3,•••；

E一弹性模用，钢材为210GPa；

I一套圈横裁面的惯性矩，mm，；

Y一密度，钢材为7.86X10^/mm3；

A一套圈横截面积，Agbh,mm?；

D一套圈横截面中性轴宜.径，mm：

g一重力加速度，g=9800mm/S%

对钢材，将各常数代入式得

A=9.4xIO5

有时钢球也会产生振动,钢球振动的固有频率为:

式中R一钢球半径：

E一弹性模量，钢材为210GPa;

丫一密度，钢材为7.86X1(^kg/mm)

g一重力加速度，g=9800mm/S%

5.滚动轴承特征频率表

为方便使用，将以上介绍的滚动轴承各特征频率列于表1中。

表1：滚动轴承特征频率表

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二、故障轴承的信号特征

轴承发生故障后，其振动特征会有明显的变化，主要有以下几方面。

1.疲劳剥落损伤

当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后（图7.3以夸大的方式画出了疲劳剥落坑），在轴承运

转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。图7.4给出了钢球落下产生的冲击过程的示意图。在冲击

的第•阶段，在碰撞点产生很大的冲击加速度（图7.4（a）和（b））,它的大小和冲击速度v

成正比（在轴承中与疲劳损伤的大小成正比）。第二阶段，构件变形产生衰减自由振动（图

c）,振动频率取决于系统的结构，为其固有频率（图d）。振幅的增加量A也与冲击速度v

成正比（图e）。

在滚动轴承剥落坑处碰撞.产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大致为微秒级。因力的频

谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱可从直流延展到100〜500kHz。疲劳剥落损伤可

以在很宽的频率范围内激发起轴承•传感器系统的固有振动。由于从冲击发生处到测量点的

传递特性对此有很大影响，因此测点位置选择非常关键，测点应尽量接近承载区，振动传递

界面越少越好。

图7.3：轴承零件上疲劳剥落坑

有疲劳剥落故障轴承的振动信号如图7.5（a）所示，图7.5（b）为其简化的波形。T取决

于碰撞的频率，T=l/f,f为碰撞频率。在简单情况下，珑撞频率就等于滚动体在滚道上的通

过率4；或不雨或滚动体自转频率八。

图7.4：冲击过程示意图

图7.5：有疲劳剥落信号故障轴承的振动信号

2.磨损

随着磨损的进行，振动加速度峰值和RMS值缓慢上升，振动信号呈现较强的随机性，峰

值与RMS值的比值从5左右逐渐增加到5.5〜6。如果不发生疲劳剥落，最后振动幅值可比

最初增大很多倍，变化情况见图7.6。

•①一试验开始20h后

②一试验开始lOOh后

阳③一试验开始220h后峰值/5

«具,④一试验开始380h后/

«

试验时间/h

图7.6轴承磨损时振动加速度

3.胶合

图7.7为一运转过程中发生胶合的滚动轴承的振动加速度及外圈温度的变化情形。在

A点以前，振动加速度略微下降，温度缓慢上升。A点之后振动值急剧上升，而温度却还有

些下降，这一段轴承表面状态已恶化。在B点以后振动值第二次急剧上升，以致超过了仪

器的测量范围，同时温度也急剧上升。在B点之前，轴承中已有明显的金属与金属的直接

接触和短暂的滑动，B点之后有更频繁的金属之间直接接触及滑动，润滑剂恶化甚至发生炭

化，直至发生胶合。从图中可以看出，振动值比温度能更早地预报胶合的发生，由此可见轴

承振动是一个比较敏感的故障参数。

(a)道教时间布

图7.7发生胶合的试验曲线

第三节滚动轴承的振动测量与简易诊断

由于滚动轴承的故障信号具有冲击振动的特点，频率极高，衰减较快，因此利用振动信

号对其进行监测诊断时，除了参考前面已经介绍的旋转机械、往复机械的振动测试方法以外,

还应根据其振动特点，有针对性地采取一些措施和方法。

一、测点的选择

滚动轴承因故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通滚动轴承因故

障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机

架。由F冲击振动所含的频率很高，每通过零件的界面传递一次，其能量损失约80%。因

此，测量点应尽量靠近被测轴承的承载区，应尽量减少中间传递环节，探测点离轴承外圈的

距离越近越直接越好。

图1表示了传感器位置对故障检测灵敏度的影响。在空1(a)中，假如传感器放在承教方

向时为100%,则在承载方向士45。方向上降为95%(-5dB),在轴向则降为22%-25%(J2〜

13dB)o在图1(b)中，当止推轴承发生故障产生冲击并向外散发球面波时，假如在轴承盖正

对故障处的读数为100%,则在轴承座轴向的读数降为5%(-l9dB)o在图I(c)和(d)中给出

了传感器安装的正确位置和错误位置.，较粗的弧线表示振动较强烈的部位，较细的弧线表示

因振动波通过界面衰减导致振动减弱的情形。

⑶(b)2(d)

图7.8传感器位置对故障检测灵敏度的影响

由于•滚动轴承的振动在不同方向上反映出不同的特性，因此应尽量考虑在水平（X）、垂

直（y）和轴向（z）三个方向上进行振动检测，但由于设备构造、安装条件的限制，或出于

经济方面的考虑，不可能在每个方向上都进行检测，这时可选择其中的两个方向进行检测。

二、传感器的选择与固定方式

根据滚动轴承的结构特点，使用条件不同，它所引起的振动可能是频率约为1kHz以下的

低频脉动（通过振动），也可.能是频率在1kHz以上，数千赫乃至数十千赫的高频振动（固

有振动），通常情况下是同时包含了上述两种振动成分。因此，检测滚动轴承振动速度和加

速度信号时应同时覆盖或分别覆盖上述两个频带，必要时可以采用滤波器取出需要的频率成

分。考虑到滚动轴承多用于中小型机械，其结构通常比较轻薄，因此，传感器的尺寸和重量

都应尽可能地小，以免对被测对象造成影响，改变其振动频率和振幅大小。

滚动轴承的振动属于高频振动，对于高频振动的测量，传感器的固定采用手持式方法

显然不合适，一般也不推荐磁性座固定，建议采用钢制螺栓固定，这样不仅谐振频率高，可

以满足要求，而且定点性也好，对于衰减较大的高频振动，可以避免每次测量的偏差，使数

据具有可比性。

三、分析谱带的选择

滚动轴承的故障特征在不同频带上都有反映，因此，可以利用不同的频带，采用不同的

方法对轴承的故障做出诊断。

1.低频段

在滚动轴承的故障诊断中，低频率段指1kHz以下的频率范围。

一般可以采用低通滤波器（例如截止频率fbRkHz）滤去高频成分后再作频谱分析。由

于轴承的故障特征频率（通过频率）通常都在1kHz以下，此法可直接观察频谱图上相应的

特征谱线，做出判断。由于在这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反映

故障的频率成分在低频段的能量很小，因此，信噪比低r故障检测灵敏度差，目前已较少采

用O

2.中频段

在滚动轴承的故障诊断中，中频段指I〜20kHz频率范围。同样，利用该频率时也可以使

用滤波器。

(1)高通滤波器

使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除机械干扰：然

后用信号的峰值、RMS值或峭度系数作为监测参数。许多简易的轴承监测仪器仪表都采用

这种方式。

(2)带通滤波器

使用带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，用通带内的信号总功率作为

监测参数，滤波器的通带截止频率根据轴承类型及尺寸选择，例如对309球轴承，通带中心

频率为2.2kHz左右，带宽可选为1〜2kHz。

3.高频段

在滚动轴承的故障诊断中，高频率段指20〜80kHz频率范围。

由于轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段，如果采用合适的加速度

传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率，利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到

衰减振动信号，对故障诊断非常有效。

四、滚动轴承的简易诊断

利用滚动轴承的振动信号分析故障诊断的方法可分为简易诊断法和精密诊断法两种。筒

易诊断的目的是为了初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障；精密诊断的目的

是要判断在简易诊断中被认为出现了故障的轴承的故障类别及原因。

、滚动轴承故障的简易标准

在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常需要将测得的振值(峰值、有效

值等)与预先给定的某种判定标准进行比较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来

判断轴承是否出现了故障，以决定是否需要进一步进行精密诊断。因此，判定标准就显得卜

分重要。

用于滚动轴承简易诊断的判定标准大致可分为以下三种。

(1)绝对判定标准

绝对判定标准是指用于判断实测振值是否超限的绝对量值。

（2）相对判定标准

相对判定标准是指对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较，以轴

承无故障情况卜的振值为基准，根据实测振值与该基准振值之比来进行判断的标准。

（3）类比判定标准

类比判定标准是指对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振动检测，

并，将振值相互比较进行判断的标准。

需要注意的是，绝对判定标准是在标准和规范规定的检测方法的基础上制定的标准，因

此必须注意其适用频率范围，并且必须按规定的方法进行振动检测。适用于所有轴承的绝对

判定标准是不存在的，因此一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这

样才能获得准确、可靠的诊断结果。

二、振动信号简易诊断法

（1）振幅值诊断法

这里所说的振幅值指峰值X，、均值X（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴

承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值）Xrmso

这是一种最简单、最常用的诊断法，它是通过将实测的振幅值与判定标准中给定的值进

行比较来诊断的。

峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击

的故障诊断。另外，对于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采用峰值进行诊断。

均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速较

高的情况高U300r/min以上）。

均方根值是对时间平均的，因而它适用于•像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊

断。

（2）波形因数诊断法

波形因数定义为峰值与均值之比（Xp/X）o该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指

Y/VV/V

标之一。如图7.9所示，当"值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而，小时，

则有可能发生了磨损。

(b)।

图7.10滚动轴承冲击振动的波形因数

(3)波峰因数诊断法

波峰因数定义为峰值与均方根值之比(Xp/XmC。该值用于滚动轴承简易诊断的优

点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放火器等一、二次仪表灵敏度

变化的影响。该值适用于点蚀类故障的诊断。通过对XF/Xms值随时间变化趋势的监测，可

以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障

时，Xp/Xm,,为一较小的稳定值；一旦轴承出现了损伤.则会产生冲击信号，振动峰值明

显增大，但此时均方根值尚无明显的增大，故Xp/Xms增大：当故障不断扩展，峰值逐步达

到极限值后，均方根值则开始增大，Xp/Xmts逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。

(4)概率密度诊断法

无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲线；而一旦出现故障，则概率

密度曲线可能出现偏斜或分散的现象，如图7.11所示。

图7.11滚动轴承的损伤

(4)峭度系数诊断法

节，~Y/

Jx-xp\x)dx

峭度(Kurtosis)B定义为归一化的4阶中心矩，即/=三---------------

式中x—瞬时振幅；

X一振幅均值；

P(x)一概率密度；

。一标准差

振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3。随着故隙的出现和发展，峭度

值具有与波峰因数类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主

要适用于点蚀类故障的诊断。

图7.12为一轴承疲劳试验的结果。试验中第74h轴承发生了疲劳破坏，峭度系数由3

上升到6［图(a)］,而此时峰值［图(b)］和RMS值尚无明显增大。故障进一步明显恶化后，

峰值、RUS值才有所反映。

图中虚线表示在不同转速(800〜2700r/min)和不同载荷(0-llkN)下进行试验时上

述各值的变动范围。很明显，峭度系数的变化范围最小，约为士8机轴承的工作条件对它

的影响最小，即可靠性及一致性较高。

有统计资料表明，使用峭度系数和RMS值共同来监测，滚动轴承振动情况，故障诊断成

功率可达到96%以上。

4

3

2

—

020406080

/h

（c）

图7.12轴承疲劳试验过程

第四节滚动轴承的精密诊断方法

所谓滚动轴承的精密诊断方法，就是在利用简易诊断法确定轴承已经发生故障之后，进

一步判定故障的类别和发生部位，以便采取相应对策。

滚动轴承的精密诊断与旋转机械、往复机械等精密诊断•样，主要采用频谱分析法。

由于滚动轴承的振动频率成分十分中富，既含有低频成分，又含有高频成分，而且每一种特

定的故障都对■应特定的频率成分。进行频谱分析之前需要通过适当的信号处理方法将特定的

频率成分分离出来，然后对其进行绝对值处理，最后进行频率分析，以找出信号的特征频率,

确定故障的部位和类别。

一、轴承内滚道损伤

轴承内滚道产生损伤时，如：剥落、裂纹、点蚀等（如图7.13所示），若滚动轴无径向间

隙时，会产生频率为电/（n=l,2,…）的冲击振动。

以广

(b)冲击脉冲

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