第八章：滚动轴承的故障及诊断
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B点的速度：
向心推力球轴承（中：球轴承；右：滚锥轴承） D — 轴承节径；d — 滚动体直径；α— 接触角。
vo = 2πr2 f o1 = πf o1 (D + dcoxα )
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二、轴承振动的特征频率
一、轴承零件的振动固有频率
1、轴承圈在自由状态下径向弯曲振动的固有频率
一、轴承零件的振动固有频率
2、钢球的固有频率
对于钢材
f 0= 9.4 × 10 5
hk (k 2 − 1) b2 k 2 +1
4 5 34.54 (kHz)
fc =
0.424 E R 2ρ
例：6205轴承内圈弯曲的固有频率为 k＝ 2 3
有疲劳剥落故障轴承的振动信号
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8.3 滚动轴承故障监测与诊断方法
一、振动信号分析法 1、分析频带的选择 (1)低频段：用低通道滤波器(截至频率1kHz) 滤去 高频成分后再作频谱分析。 ①因为轴承故障的特征频率一般在1000Hz以下， 所以可直接在谱图上观察相应的特征频率，作 出判断。 ②由于在这一频率范围内易受机械及电源干扰， 且初期故障能量小，所以信噪比低，故障检测 灵敏度差，很少使用。
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一.振动信号分析法
3、测量方法 (3)包络法(共振解调法) a. 把传感器的一阶自振频率作为监测频带； b. 利用传感器及电路的谐振，将故障冲击引起的 衰减 振动 放 大， 从 而 提 高 了 故障 探 测 的 灵敏 度； c. 利用解调技术把故障信息提取出来，通过对解 调后的信号作谱分析，可诊断出故障的部位。 d. 其过程为： 传感器拾取经调制的高频分量 → 放大、滤波 → 包络检波 → 低频脉动信号 → 谱分析 → 故 障部位。
8.1 滚动轴承的主要故障 8.2 滚动轴承振动信号的特征 8.3 滚动轴承故障监测与诊断方法
二、磨损
1、原因： (1)滚道和滚动体的相对运动及异物侵入而引起表 面磨损； (2)润滑不良。 2、后果： (1) 轴承游隙增大； (2)表面粗糙度增加； (3)运转精度降低； (4)振动、噪声增大。
三、压痕
8.2 滚动轴承振动信号的特征
一、轴承零件的振动固有频率
外部振源引起的 滚动轴承的振动 本身的结构特点及缺陷引起的
一、轴承零件的振动固有频率 4 k (k 2 − 1) 1、轴承圈在自由状 × 2 态下径向弯曲振 f 0 = 2 2π k + 1 D 动的固有频率
式中：k——振动阶数，k＝2，3，… E——弹性模量； I——套圈横截面的惯性矩，m4
4
0
0 .2
0.4
0 .6
0.8 1 1 .2 Freq ue nc y(Hz )
1.4
1 .6
1.8 x 10
第八章：滚动轴承的故障及诊断
8.1 滚动轴承的主要故障
一.疲劳剥落 1、原因： 在滚动轴承中，滚道和滚动体表面由于交变载荷 的作用，首先在表面下最大剪应力处形成裂 纹，继而扩展到接触表面，使表面发生剥落 坑，最后发展到大片剥落。 2、后果：疲劳剥落会造成运行时的冲击载荷、 振动和噪声。在正常工作条件下，疲劳剥落是 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。轴承的寿命试验就是疲劳试验。
C点的速度：
二、轴承振动的特征频率
1.滚动体在内滚道的通过频率：
f i = 0.5 zf r (1 + d cos α ) D
vc =
由此：
1 (vi + vo ) = πf b1 D 2
2.滚动体在外滚道的通过频率：
fb1 =
vi + vo 1 d d = 1− cosα fi1 + 1+ cosα fo1 2πD 2 D D
三、正常轴承振动信号的特征
3、制造、装配原因引起的振动 ( 3)滚动体大小不均匀引起的轴心振动 导致轴心变动，支撑刚度的变化。 振动频率：fBo及ifBo±fr ，i＝1，2，… fBo——保持架的回转频率 (4)轴弯曲引起的轴承偏斜 振动频率为：ifBo±fr ， i＝1，2，…
四、有故障轴承的振动信号的特点
一、振动信号分析法
1、分析频带的选择 (2)中频段：1～20kHz ①用高通滤波器滤去1000Hz以下的低频成分， 消除机械干扰，然后用信号的峰值、均方根值、 峭度指标作为监测参数进行监测，许多简易的 轴承监测仪表用这种方法。 ②用带通滤波器截取轴承零件或结构零件的共 振频率，带宽根据轴承而定；用通带内的信号 总功率作为监测参数。
5.保持架碰内环：
式中：fr——轴回转频率；
α——压力角；
z——滚动体个数； d——滚动体直径； D——轴承节径。
f Bi = 0 .5 f r (1 +
d cos α ) D
三、正常轴承振动信号的特征
1、轴承结构引起的振动 轴承承载时，在不同位置承载的滚子数 目不同，刚度有变化，引起轴心的起伏 波动，波动时的振动频率为：
四、有故障轴承的振动信号的特点
轴承零件上的疲劳剥落坑
冲击过程示意图
四、有故障轴承的振动信号的特点
四、有故障轴承的振动信号的特点
2、磨损 随 磨损的进行，振动加速度峰值与均方根 值缓慢上升。两者之比从5上升到5.5～6 左右。 3、胶合 随 胶合的发生，振动加速度及温度都会 急 剧上 升 ，且 振动加速度 的上 升 发生在温 度上 升前，所 以振动值比温度 值能更早 地预报胶合的发生。
2、测点的选择 传感器位置对故障检测 的灵敏度的影响为： 设传感器放在承载方向时灵敏度为100％ 传感器放 在与承载±45º时灵敏 度为 95％ (5dB) 传感器放在与承载±90º时灵敏度为89％ 传感器放在轴向方向时灵敏度为22％～ 25 ％(-12～13dB)
一.振动信号分析法
3、测量方法 (1)低频信号接收法 直接测量轴承损坏的特征频率，即以轴承的特 征 频率 作 为 监测 频 带 。 受外 界 干扰 源 的 影响 大，一般不大采用 。 (2)谐波信号接收法 选择30～40kHz作为监测频带，避开传感器、 机壳及其邻近零件的谐波频率。当被测轴承正 常运行时，在监测频带内不会出现共振峰，一 旦轴承发生故障，通过传感器的接收及滤波， 获得监测频带内的信号。
1、疲劳剥落 a. 冲击力的脉宽很窄(脉冲时间大致为微秒级)。 b. 频 谱 的 频率 范围 很 宽 ， 从 直 流延 展到 100 ～ 500kHz ， 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。 c. 碰撞频率为：内、外圈，滚子剥落频率：fi、 fo、fb 。 d. 随着疲劳剥落 凹坑的形成，振动加速度的峰 值、均方根值、峭度指标都会明显上升。
三、正常轴承振动信号的特征
3、制造、装配原因引起的振动 (1)加工表面波纹引起的振动 轴承零 件加工表面的波纹 度引起的振动 在轴承振动中 占重 要位置， 它 引起 明显 的 高 频 振动、噪声及轴 心摆 动，会引起 轴承的径向及轴向振动。 ห้องสมุดไป่ตู้2)轴承偏心引起的振动 振动频率为：ifr， r＝1，2，…
式中：E——弹性模量；
ρ——密度， 钢为7.86×10－6kg/m3；
R——钢球半径 ，mm 。
f0= 3.94 8.14
31.36
二、轴承振动的特征频率
二、轴承振动的特征频率
设：外圈回转频率为fo1， 内圈回转频率为fi1， 保持架回转频率（滚动体公转频率）为fb1。 A点的速度：
vi = 2πr1 f i1 = πf i1 (D − dcoxα )
一.振动信号分析法
F(t) —故障引起的冲击脉冲； a(t) —经传感器拾取及电路谐振， 得到的放 大的高 频衰减振动 信号； a1(t) —经包络滤波得到的波形； s(f) —频谱。
2 1 a(m/s2)
a(m/s 2 )
40 20 a(m/s 2 ) 0 -2 0 -4 0
40 20 0 -20 -40 0 0 100 20 0 30 0 40 0 500 tim e(m s) 600 700 800 900 1 0.8 FFT(m/s 2 ) 0.6 0.4 0.2 FFT(m/s )
EIg ρA
1、轴承圈在自由状态下径向弯曲振动的固有频 率 当轴承结构不合适或有缺陷时，外部振源激发 各元件以其固有频率振动。 固有频率与材料、外形、质量有关，与振动及 轴的回转频率无关。
ρ——密度， 钢为7.86×10－6kg/m3
A——套圈横截面面积，A≈bh mm2， b轴承宽，h套圈厚 D——套圈横截中性轴直径，mm g——重力加速度，9800mm/S2
六、胶合 胶合即：一个表面上的金属粘附到另一个表面上 的现象。 原因：润滑不良、高速重载下摩擦发热在短时间 内达到很高的温度。 结果：导致表面烧伤及胶合。 七、保持架损坏 原因：装配不当引起保持架变形。 结果：增加保持架上滚动体之间的摩擦； 滚动体卡死； 保持架与内外圈发生摩擦。
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1、原因： (1) 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷； (2)因热变形引起额外载荷； (3)硬度很高的异物侵入。 2、后果： (1)运行时产生剧烈振动和噪声； (2)压痕引起的冲击载荷进一步引起压痕 附近表面的剥落。
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一、振动信号分析法
1、分析频带的选择 (3)高频段：20～80kHz 轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能 量分布在高频段； 轴承正常运行时，这一段内的振动很 小； 当有故障时振动加大。 通常选用30～40kHz范围作为监测频段— —即谐波信号接收法。
一 振 动 信 号 分 析 法
2、测点 的选择
一.振动信号分析法
f 0 = 0.5 zf r (1 −
d cos α ) D
二、轴承振动的特征频率
3.滚动体缺陷：
二、轴承振动的特征频率
6.滚道不圆
f b = 0.5 f r (1 −
4.保持架碰外环：
d2 D cos 2 α ) d D2
d cos α ) D
f = if r
，i＝1，2，…
f Bo = 0.5 f r (1 −
四、腐蚀
1、原因： (1)润滑油、水份、湿气的化学腐蚀； (2)电腐蚀：轴承表面有电通过时，使表面 产生点蚀； (3)微振腐蚀：外圈与孔或内圈与轴有微小 的相对运动时产生锈蚀。 2、后果： 表面出现麻点、凹坑、锈斑等。
五、断裂
原因： (1)载荷过大引起轴承零件破裂 (2)磨削、热处理，装配引起的残余应力； (3)工作时热应力过大； (4)装配不当。
f o = 0.5zf r (1 − d cos α ) D
三、正常轴承振动信号的特征
2、轴承刚度非线性引起的振动 滚动轴承的轴向刚度呈非线性，特别是当 润滑不良时，易产生异常的轴向振动。 刚度曲线呈对称非线性时：振动频率ifr ； 刚度曲线呈非对称非线性时：振动频率 1 f r
i
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400 50 0 tim e(m s)
6 00
7 00
80 0
9 00
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency(Hz) 1.4 1.6 1.8 x 10 2
4
0.4 0.3 FFT(m/s2 ) 0.2 0.1 0 0
0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Freq ue ncy (Hz) 1 .4 1 .6 1 .8 x 10 2
2
40 20 a(m/s )
2
0 -1 -2 0
0 -20 -40
100
200
300
100
200
300
400 500 time(ms)
600
700
800
900
0 .8 0 .6 FFT(m/s 2 ) 0 .4 0 .2 0
400 500 time(ms)
600
700
800
900
0
1 00
20 0
3 00
向心推力球轴承（中：球轴承；右：滚锥轴承） D — 轴承节径；d — 滚动体直径；α— 接触角。
vo = 2πr2 f o1 = πf o1 (D + dcoxα )
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二、轴承振动的特征频率
一、轴承零件的振动固有频率
1、轴承圈在自由状态下径向弯曲振动的固有频率
一、轴承零件的振动固有频率
2、钢球的固有频率
对于钢材
f 0= 9.4 × 10 5
hk (k 2 − 1) b2 k 2 +1
4 5 34.54 (kHz)
fc =
0.424 E R 2ρ
例：6205轴承内圈弯曲的固有频率为 k＝ 2 3
有疲劳剥落故障轴承的振动信号
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8.3 滚动轴承故障监测与诊断方法
一、振动信号分析法 1、分析频带的选择 (1)低频段：用低通道滤波器(截至频率1kHz) 滤去 高频成分后再作频谱分析。 ①因为轴承故障的特征频率一般在1000Hz以下， 所以可直接在谱图上观察相应的特征频率，作 出判断。 ②由于在这一频率范围内易受机械及电源干扰， 且初期故障能量小，所以信噪比低，故障检测 灵敏度差，很少使用。
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一.振动信号分析法
3、测量方法 (3)包络法(共振解调法) a. 把传感器的一阶自振频率作为监测频带； b. 利用传感器及电路的谐振，将故障冲击引起的 衰减 振动 放 大， 从 而 提 高 了 故障 探 测 的 灵敏 度； c. 利用解调技术把故障信息提取出来，通过对解 调后的信号作谱分析，可诊断出故障的部位。 d. 其过程为： 传感器拾取经调制的高频分量 → 放大、滤波 → 包络检波 → 低频脉动信号 → 谱分析 → 故 障部位。
8.1 滚动轴承的主要故障 8.2 滚动轴承振动信号的特征 8.3 滚动轴承故障监测与诊断方法
二、磨损
1、原因： (1)滚道和滚动体的相对运动及异物侵入而引起表 面磨损； (2)润滑不良。 2、后果： (1) 轴承游隙增大； (2)表面粗糙度增加； (3)运转精度降低； (4)振动、噪声增大。
三、压痕
8.2 滚动轴承振动信号的特征
一、轴承零件的振动固有频率
外部振源引起的 滚动轴承的振动 本身的结构特点及缺陷引起的
一、轴承零件的振动固有频率 4 k (k 2 − 1) 1、轴承圈在自由状 × 2 态下径向弯曲振 f 0 = 2 2π k + 1 D 动的固有频率
式中：k——振动阶数，k＝2，3，… E——弹性模量； I——套圈横截面的惯性矩，m4
4
0
0 .2
0.4
0 .6
0.8 1 1 .2 Freq ue nc y(Hz )
1.4
1 .6
1.8 x 10
第八章：滚动轴承的故障及诊断
8.1 滚动轴承的主要故障
一.疲劳剥落 1、原因： 在滚动轴承中，滚道和滚动体表面由于交变载荷 的作用，首先在表面下最大剪应力处形成裂 纹，继而扩展到接触表面，使表面发生剥落 坑，最后发展到大片剥落。 2、后果：疲劳剥落会造成运行时的冲击载荷、 振动和噪声。在正常工作条件下，疲劳剥落是 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。轴承的寿命试验就是疲劳试验。
C点的速度：
二、轴承振动的特征频率
1.滚动体在内滚道的通过频率：
f i = 0.5 zf r (1 + d cos α ) D
vc =
由此：
1 (vi + vo ) = πf b1 D 2
2.滚动体在外滚道的通过频率：
fb1 =
vi + vo 1 d d = 1− cosα fi1 + 1+ cosα fo1 2πD 2 D D
三、正常轴承振动信号的特征
3、制造、装配原因引起的振动 ( 3)滚动体大小不均匀引起的轴心振动 导致轴心变动，支撑刚度的变化。 振动频率：fBo及ifBo±fr ，i＝1，2，… fBo——保持架的回转频率 (4)轴弯曲引起的轴承偏斜 振动频率为：ifBo±fr ， i＝1，2，…
四、有故障轴承的振动信号的特点
一、振动信号分析法
1、分析频带的选择 (2)中频段：1～20kHz ①用高通滤波器滤去1000Hz以下的低频成分， 消除机械干扰，然后用信号的峰值、均方根值、 峭度指标作为监测参数进行监测，许多简易的 轴承监测仪表用这种方法。 ②用带通滤波器截取轴承零件或结构零件的共 振频率，带宽根据轴承而定；用通带内的信号 总功率作为监测参数。
5.保持架碰内环：
式中：fr——轴回转频率；
α——压力角；
z——滚动体个数； d——滚动体直径； D——轴承节径。
f Bi = 0 .5 f r (1 +
d cos α ) D
三、正常轴承振动信号的特征
1、轴承结构引起的振动 轴承承载时，在不同位置承载的滚子数 目不同，刚度有变化，引起轴心的起伏 波动，波动时的振动频率为：
四、有故障轴承的振动信号的特点
轴承零件上的疲劳剥落坑
冲击过程示意图
四、有故障轴承的振动信号的特点
四、有故障轴承的振动信号的特点
2、磨损 随 磨损的进行，振动加速度峰值与均方根 值缓慢上升。两者之比从5上升到5.5～6 左右。 3、胶合 随 胶合的发生，振动加速度及温度都会 急 剧上 升 ，且 振动加速度 的上 升 发生在温 度上 升前，所 以振动值比温度 值能更早 地预报胶合的发生。
2、测点的选择 传感器位置对故障检测 的灵敏度的影响为： 设传感器放在承载方向时灵敏度为100％ 传感器放 在与承载±45º时灵敏 度为 95％ (5dB) 传感器放在与承载±90º时灵敏度为89％ 传感器放在轴向方向时灵敏度为22％～ 25 ％(-12～13dB)
一.振动信号分析法
3、测量方法 (1)低频信号接收法 直接测量轴承损坏的特征频率，即以轴承的特 征 频率 作 为 监测 频 带 。 受外 界 干扰 源 的 影响 大，一般不大采用 。 (2)谐波信号接收法 选择30～40kHz作为监测频带，避开传感器、 机壳及其邻近零件的谐波频率。当被测轴承正 常运行时，在监测频带内不会出现共振峰，一 旦轴承发生故障，通过传感器的接收及滤波， 获得监测频带内的信号。
1、疲劳剥落 a. 冲击力的脉宽很窄(脉冲时间大致为微秒级)。 b. 频 谱 的 频率 范围 很 宽 ， 从 直 流延 展到 100 ～ 500kHz ， 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。 c. 碰撞频率为：内、外圈，滚子剥落频率：fi、 fo、fb 。 d. 随着疲劳剥落 凹坑的形成，振动加速度的峰 值、均方根值、峭度指标都会明显上升。
三、正常轴承振动信号的特征
3、制造、装配原因引起的振动 (1)加工表面波纹引起的振动 轴承零 件加工表面的波纹 度引起的振动 在轴承振动中 占重 要位置， 它 引起 明显 的 高 频 振动、噪声及轴 心摆 动，会引起 轴承的径向及轴向振动。 ห้องสมุดไป่ตู้2)轴承偏心引起的振动 振动频率为：ifr， r＝1，2，…
式中：E——弹性模量；
ρ——密度， 钢为7.86×10－6kg/m3；
R——钢球半径 ，mm 。
f0= 3.94 8.14
31.36
二、轴承振动的特征频率
二、轴承振动的特征频率
设：外圈回转频率为fo1， 内圈回转频率为fi1， 保持架回转频率（滚动体公转频率）为fb1。 A点的速度：
vi = 2πr1 f i1 = πf i1 (D − dcoxα )
一.振动信号分析法
F(t) —故障引起的冲击脉冲； a(t) —经传感器拾取及电路谐振， 得到的放 大的高 频衰减振动 信号； a1(t) —经包络滤波得到的波形； s(f) —频谱。
2 1 a(m/s2)
a(m/s 2 )
40 20 a(m/s 2 ) 0 -2 0 -4 0
40 20 0 -20 -40 0 0 100 20 0 30 0 40 0 500 tim e(m s) 600 700 800 900 1 0.8 FFT(m/s 2 ) 0.6 0.4 0.2 FFT(m/s )
EIg ρA
1、轴承圈在自由状态下径向弯曲振动的固有频 率 当轴承结构不合适或有缺陷时，外部振源激发 各元件以其固有频率振动。 固有频率与材料、外形、质量有关，与振动及 轴的回转频率无关。
ρ——密度， 钢为7.86×10－6kg/m3
A——套圈横截面面积，A≈bh mm2， b轴承宽，h套圈厚 D——套圈横截中性轴直径，mm g——重力加速度，9800mm/S2
六、胶合 胶合即：一个表面上的金属粘附到另一个表面上 的现象。 原因：润滑不良、高速重载下摩擦发热在短时间 内达到很高的温度。 结果：导致表面烧伤及胶合。 七、保持架损坏 原因：装配不当引起保持架变形。 结果：增加保持架上滚动体之间的摩擦； 滚动体卡死； 保持架与内外圈发生摩擦。
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1、原因： (1) 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷； (2)因热变形引起额外载荷； (3)硬度很高的异物侵入。 2、后果： (1)运行时产生剧烈振动和噪声； (2)压痕引起的冲击载荷进一步引起压痕 附近表面的剥落。
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一、振动信号分析法
1、分析频带的选择 (3)高频段：20～80kHz 轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能 量分布在高频段； 轴承正常运行时，这一段内的振动很 小； 当有故障时振动加大。 通常选用30～40kHz范围作为监测频段— —即谐波信号接收法。
一 振 动 信 号 分 析 法
2、测点 的选择
一.振动信号分析法
f 0 = 0.5 zf r (1 −
d cos α ) D
二、轴承振动的特征频率
3.滚动体缺陷：
二、轴承振动的特征频率
6.滚道不圆
f b = 0.5 f r (1 −
4.保持架碰外环：
d2 D cos 2 α ) d D2
d cos α ) D
f = if r
，i＝1，2，…
f Bo = 0.5 f r (1 −
四、腐蚀
1、原因： (1)润滑油、水份、湿气的化学腐蚀； (2)电腐蚀：轴承表面有电通过时，使表面 产生点蚀； (3)微振腐蚀：外圈与孔或内圈与轴有微小 的相对运动时产生锈蚀。 2、后果： 表面出现麻点、凹坑、锈斑等。
五、断裂
原因： (1)载荷过大引起轴承零件破裂 (2)磨削、热处理，装配引起的残余应力； (3)工作时热应力过大； (4)装配不当。
f o = 0.5zf r (1 − d cos α ) D
三、正常轴承振动信号的特征
2、轴承刚度非线性引起的振动 滚动轴承的轴向刚度呈非线性，特别是当 润滑不良时，易产生异常的轴向振动。 刚度曲线呈对称非线性时：振动频率ifr ； 刚度曲线呈非对称非线性时：振动频率 1 f r
i
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400 50 0 tim e(m s)
6 00
7 00
80 0
9 00
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency(Hz) 1.4 1.6 1.8 x 10 2
4
0.4 0.3 FFT(m/s2 ) 0.2 0.1 0 0
0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Freq ue ncy (Hz) 1 .4 1 .6 1 .8 x 10 2
2
40 20 a(m/s )
2
0 -1 -2 0
0 -20 -40
100
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600
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0 .8 0 .6 FFT(m/s 2 ) 0 .4 0 .2 0
400 500 time(ms)
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1 00
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3 00