滚动轴承故障诊断技术

滚动轴承故障诊断技术原理
一、 峰值能量法：
轴承一旦出现故障，如：内外环壁裂纹，滚动体点蚀，缺油等，往往产生频率很高的振动，一般是转速频率的10—50倍，其它因素如：不对中，不平衡，机座松动等，它们所造成的振动，其频率较低，往往在基频的5倍以内，通过仪器滤去各种低频信号，拾取高频分量，可得到轴承的特征信号。

峰值能量法，将信号滤波放大处理，根据其能量的大小来判断轴承的损坏程度。

二、 GS为单位表征其峰值能量
1、 新轴承：0.2---0.6GS。

2、 使用中的轴承：0.5----I.0GS。

3、 有缺陷的轴承：1.0----2.5GS。

4、 损坏的轴承办2.5----5.0GS。

5、 dBm-----少量强冲击脉冲相关的最大值。

6、 dBc -----大量弱冲击脉冲相关的地毯值。

7、 δ=dBm—dBc，差值应该很小。

轴承损坏的特征是有一个较大的dBm值和较大的δ值。

轴承初始脉冲值一般在10 dB值。

使用中好的轴承脉冲值一般在20dB以下。

一般轴承初始脉冲值增大至1000倍时（60dB）认为该轴承达到报废。

一般20〈dB〈30 轻微受损。

30〈dB〈45 开始恶化。

45〈dB〈60 严重受损。

二、 轴承损坏有七种情况：
1、 疲劳磨损----由于交变载荷的作用，一定深处有最大剪
应力形成裂纹，发生剥落坑，滚道，滚动体，面积有0.5mm
的疲劳剥落坑，该轴承寿命终结。

2、 磨损-----润滑不良，尘埃，异物侵入，表面受损。

3、 塑性变形-----过重载荷，冲击，热变形，一旦有了压
痕表面剥落。

4、 锈蚀-----水份侵入轴承锈蚀，或电流通过，油膜引起
火花，使表面熔触凹凸不平。

5、 断裂-----热处理，残余应力，过载，另件破裂，磨削
热应力过大。

6、 胶合---润滑不良，高度重载摩擦发热导至表面烧伤及
胶合，一个表面的金属粘附到另一表面上的现象。

7、 保持架损坏-----装配不当，保持架发生变形，增加摩
擦，卡死，发热，噪声及振动增大。

三、 滚动轴承的振动
滚动轴承的振动，原则上分为与轴承弹性有关的振动和轴 承滚动表面状况有关的振动两种类型。

前者不论轴承正常或异常，振动都要发生，它虽与轴承异常无关，但却决定了振动系统的传递特征：后者则反映了轴承的损伤状况。

下面分别对滚动轴承的各种振动进一步讨论。

1、 滚动轴承的固有振动
轴承工作时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击，而 诱发元件的振动。

这种振动是一种强迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动加剧。

固有频率仅取决于元件本身的材料，形状和质量，与轴转速无关。

轴承在自由状态下的经向弯曲振动的固有频率为：
式中K为振动阶数加1（即K=2、3…）；E为弹性模量；γ为密度；I为轴承圈横截面的惯性矩；A为轴承圈横截面的面积；D 为轴的节径；g为重力加速度。

对于钢材，将诸常数代入上式，得
式中h为轴承圈的高度，mm；b为轴承外半径与内径之差，mm;
一般滚动轴承的固有频率为数千赫到数十千赫，是频率非常高的振动。

2、 承载状态下滚动轴承的振动
A、 滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载滚子数目不 同，因而承载刚度有变化，引起轴心起伏波动。

它由滚动体公
转而产生，这种振动有时称为滚动体的传输振动。

其振动主要频率成分为fz 。

其中z 为滚动体数目，f为滚动体公转频率。

B、 轴承刚度非线性引起的振动
滚动轴承是靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，具 有弹簧的性质。

当轴承的润滑状态不良时，就会呈现非线性弹簧的特性。

导致在推力方向产生异常振动，其频率有轴的旋转频率f及高次谐波2f,3f,----,分数谐波二分之一f,三分之一f ----。

但是这种振动多半发生在深槽球轴承上，在自动调心型和滚子轴承上不常发生。

3、 轴承制造或装配的原因引起的振动
A、 加工面波纹引起振动，其频率比在滚道上的通过频率 高很多倍。

B、 轴弯曲或装歪，由于轴承偏斜引起的振动，其振动频率
成为fz f。

C、 滚动体大小不均引起的振动，其频率包括滚
频率f 及nf。

F（其中n=1，2，--）。

频率数值一般在1Khz以下。

D、 装配过紧或过松引起的振动，当滚动体通过特定位置时，
会产生频率相当于滚动体通过的周期振动。

4、 异常轴承的振动
滚动轴承异常的种类是各种各样的，大体可区分为疲劳 剥落，磨损和胶合等。

1、 疲劳剥落
在这类异常中包括表面剥落，裂纹，压痕等滚动面发生
局部损伤的异常状态。

在发生表面剥落时，会产生图3-4所示的冲击振动。

由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作面缺陷受到反冲击而产生低频脉冲，其发生周期（图3—4）中的脉冲包络之间的时间间隔，可从转速和零件的尺寸求得。

在轴承零件的圆周上发生了一处剥落时，由于冲击振动所产生的相应频率称为“特征频率”因剥落的位置不同而不同，表3-1给出了求取这种特征频
率的相应的公式。

其中z为滚动体数目，f为轴转动频率，D为轴承节径，d为滚动体直径，x为接触角。

轴承元件缺陷的特征频率一般在1kHZ以下。

由图3—4可见，冲击脉冲内是由此瞬态冲击所激发出来的加速度计，轴承和轴承座系统的固有振动，它是频率较高的衰减振动，其频率约在（1---50）kHz范围内。

固有振动的频率一般不至一个。

轴承内环表面剥落时的振动波形如图3—5所示，由于轴承内环的转动，故障冲击脉冲的包络受到转速的调制，即脉冲的幅度随转速而起伏。

外环表面剥落和滚动体表面剥落时的振动波形
与图3—4类似，外环故障脉冲的幅度一般不受转速的调制。

图3—6是轴承的典型故障谱图。

图3—7所示为滚动轴承正常和发生剥落时振动信号的幅值概率密度函数。

剥落发生时，分布的幅度广，这是由于剥落的冲击振动所致。

这样，根据概率密度函数的形式也可以进行异常诊断。

2）磨损
由图3—8可见，磨损与正常轴承的振动相比两者都是无规则的，振幅的概率密度大体均为正态分布，频谱亦无明显差别，只是振动有效值比正常时大。

3）烧损
这类异常是由于润滑状态恶化等原因引起的。

烧损过程中伴随有冲击振动，一般找不出其发生的周期，但是，有时也会以轴承内环或外环特征频率的形式表现出来。