第7章-滚动轴承故障诊断
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滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系
轴承的装配制造原因引起的振动
▪ 在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工 面的波纹度
▪ 滚动体大小不均匀引起轴心摆动
2. 由滚动轴承的运动副引起的振动 （计算特征频率）
▪ 滚动轴承的特征频率完全可以根据轴承元件之间 滚动接触速度关系通过计算得到。
▪ 计算特征频率值往往与测量数值十分接近，所以 在诊断前总是先算出这些值，再与测量值比较， 作为诊断的依据。
胶合
➢ 原因:
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， 使一个表面上的金属粘附到另一个表面上
➢ 后果:
出现压痕，产生剥落区
保持架损坏
➢ 原因： 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形
➢ 后果： 保持架和滚动体之间的摩擦增大，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 会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损 坏
在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲 劳剥落坑就认为轴承寿命终结
同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相 差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故 障可以合理利用轴承的寿命
磨损
➢ 原因 尘埃、异物的侵入 润滑不良
➢ 后果 轴承游隙增大，表面粗糙度增加 轴承运转精度降低，振动和噪声增大
断裂
➢ 原因： 过高的载荷可能引起轴承零件断裂 金属材料有缺陷和热处理不良 转速过高，润滑不良
➢ 后果： 轴承出现裂纹，加速劣化
常见故障原因综述
▪ 装配不当 ▪ 润滑不良 ▪ 腐蚀
➢ 水分和异物侵入 ➢ 征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 ▪ 过热 ➢ 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 ➢ 温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火 ➢ 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 ➢ 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能 ▪ 过载 ➢ 引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）
锈蚀
➢ 原因 水分或酸、碱性物质的侵入 轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝 结 电流通过，引起电火花而产生电蚀
➢ 后果 高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常 工作
塑性变形
➢ 原因： 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷 硬度很高的异物侵入
➢ 后果： 运转过程中产生剧烈的振动和噪声 压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面 的剥落
fic
1 2
Z (1
d D
cos )
fr
foc
1 2
Z (1
d D
cos )
Fra Baidu bibliotek
fr
滚动体的公转频率
fb
1 2
(1-
d D
c os )
fr
保持架旋转频率
fc
1 2
(1-
d D
c os )
fr
滚动轴承的特征频率
故障频率经验公式
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr
外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr
疲劳剥落
➢ 原因 内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交 变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂 纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑
➢ 后果 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧
内圈疲劳失效
外圈疲劳失效
疲劳剥落
➢ 是轴承失效的主要形式 ➢ 一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命 ➢ 滚动轴承的额定寿命
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
3. 滚动轴承早期缺陷所激发的振动特征
第一类振动是以特征 频率进行的冲击振动； 第二类振动是被每一 个脉冲激发的以轴承 元件固有频率的衰减 振荡。
图7－4 滚动轴承内缺陷所激发的振动波形
轴承滚动体故障
滚动轴承的特征频率
▪ 几何参数 ➢ Z—滚珠个数 ➢ d—滚珠直径 ➢ D—轴承滚道节径 ➢ β—接触角 ➢ r1—内圈滚道半径 ➢ r2—外圈滚道半径
滚动轴承的特征频率
内圈旋转频率 内外圈相对旋转频率
n fi 60 fr fi fo fi
滚动体通过内圈一点的频率 滚动体通过外圈一点的频率
概述
▪ 滚动轴承的组成
➢ 外圈 ➢ 内圈 ➢ 滚动体 ➢ 保持架
▪ 按承载方向分类
➢ 向心轴承 ➢ 推力轴承 ➢ 向心推力轴承
概述
▪ 滚动轴承的安装
➢ 冷压法和热套法 ➢ 压力机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等
▪ 滚动轴承的拆卸
➢ 使用专门的拆卸工具
7．1 滚动轴承的失效形式
1. 疲劳； 2. 磨损； 3. 腐蚀； 4. 塑变； 5. 断裂； 6. 胶合。
公式计算时假设外圈与轴承座没有相对运动 实际频率与上述理论计算值会有出入，所以在谱图
上寻找各特征频率时应找其近似值来判断
公式是指“一个剥落坑”时，若有n个剥落坑，仍
是此公式 特征频率都是轴工作转速的非同步频率
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr 外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr 滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fc fr
滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
外圈与保持架关系： fo = z×fc 外圈与内圈关系： fo + fi = z×fr
( fr 为转频 ；z为滚动体个数 )
fb fo fi
滚动轴承的特征频率
▪ 关于特征频率的几点说明：
第七章 滚动轴承故障诊断
主讲：王林鸿教授、博士 机械与汽车工程学院
滚动轴承故障诊断的特点
▪ 滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之一， 也是最易损坏的零件；
▪ 滚动轴承有着表面光滑、尺寸精密的滚道，因而 早期故障的振动信号非常微弱。常常淹没在轴与 齿轮的振动信号中；
▪ 因此找出并识别其故障特征就成为滚动轴承诊断 的主要任务。
7．2 滚动轴承的振动机理与信号特征
滚动轴承的时域信号
图7－1 滚动轴承振动的时域信号 (a) 新轴承的振动波形 (b)表面劣化后的轴承振动波形
轴承刚度变化引起的振动 （必振无疑）
▪ 滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载 刚度会有变化，引起轴心的起伏波动
▪ 当滚动体处于载荷下非对称位置时,有水平分力。
轴承的装配制造原因引起的振动
▪ 在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工 面的波纹度
▪ 滚动体大小不均匀引起轴心摆动
2. 由滚动轴承的运动副引起的振动 （计算特征频率）
▪ 滚动轴承的特征频率完全可以根据轴承元件之间 滚动接触速度关系通过计算得到。
▪ 计算特征频率值往往与测量数值十分接近，所以 在诊断前总是先算出这些值，再与测量值比较， 作为诊断的依据。
胶合
➢ 原因:
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， 使一个表面上的金属粘附到另一个表面上
➢ 后果:
出现压痕，产生剥落区
保持架损坏
➢ 原因： 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形
➢ 后果： 保持架和滚动体之间的摩擦增大，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 会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损 坏
在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲 劳剥落坑就认为轴承寿命终结
同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相 差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故 障可以合理利用轴承的寿命
磨损
➢ 原因 尘埃、异物的侵入 润滑不良
➢ 后果 轴承游隙增大，表面粗糙度增加 轴承运转精度降低，振动和噪声增大
断裂
➢ 原因： 过高的载荷可能引起轴承零件断裂 金属材料有缺陷和热处理不良 转速过高，润滑不良
➢ 后果： 轴承出现裂纹，加速劣化
常见故障原因综述
▪ 装配不当 ▪ 润滑不良 ▪ 腐蚀
➢ 水分和异物侵入 ➢ 征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 ▪ 过热 ➢ 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 ➢ 温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火 ➢ 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 ➢ 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能 ▪ 过载 ➢ 引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）
锈蚀
➢ 原因 水分或酸、碱性物质的侵入 轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝 结 电流通过，引起电火花而产生电蚀
➢ 后果 高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常 工作
塑性变形
➢ 原因： 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷 硬度很高的异物侵入
➢ 后果： 运转过程中产生剧烈的振动和噪声 压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面 的剥落
fic
1 2
Z (1
d D
cos )
fr
foc
1 2
Z (1
d D
cos )
Fra Baidu bibliotek
fr
滚动体的公转频率
fb
1 2
(1-
d D
c os )
fr
保持架旋转频率
fc
1 2
(1-
d D
c os )
fr
滚动轴承的特征频率
故障频率经验公式
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr
外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr
疲劳剥落
➢ 原因 内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交 变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂 纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑
➢ 后果 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧
内圈疲劳失效
外圈疲劳失效
疲劳剥落
➢ 是轴承失效的主要形式 ➢ 一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命 ➢ 滚动轴承的额定寿命
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
3. 滚动轴承早期缺陷所激发的振动特征
第一类振动是以特征 频率进行的冲击振动； 第二类振动是被每一 个脉冲激发的以轴承 元件固有频率的衰减 振荡。
图7－4 滚动轴承内缺陷所激发的振动波形
轴承滚动体故障
滚动轴承的特征频率
▪ 几何参数 ➢ Z—滚珠个数 ➢ d—滚珠直径 ➢ D—轴承滚道节径 ➢ β—接触角 ➢ r1—内圈滚道半径 ➢ r2—外圈滚道半径
滚动轴承的特征频率
内圈旋转频率 内外圈相对旋转频率
n fi 60 fr fi fo fi
滚动体通过内圈一点的频率 滚动体通过外圈一点的频率
概述
▪ 滚动轴承的组成
➢ 外圈 ➢ 内圈 ➢ 滚动体 ➢ 保持架
▪ 按承载方向分类
➢ 向心轴承 ➢ 推力轴承 ➢ 向心推力轴承
概述
▪ 滚动轴承的安装
➢ 冷压法和热套法 ➢ 压力机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等
▪ 滚动轴承的拆卸
➢ 使用专门的拆卸工具
7．1 滚动轴承的失效形式
1. 疲劳； 2. 磨损； 3. 腐蚀； 4. 塑变； 5. 断裂； 6. 胶合。
公式计算时假设外圈与轴承座没有相对运动 实际频率与上述理论计算值会有出入，所以在谱图
上寻找各特征频率时应找其近似值来判断
公式是指“一个剥落坑”时，若有n个剥落坑，仍
是此公式 特征频率都是轴工作转速的非同步频率
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr 外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr 滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fc fr
滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
外圈与保持架关系： fo = z×fc 外圈与内圈关系： fo + fi = z×fr
( fr 为转频 ；z为滚动体个数 )
fb fo fi
滚动轴承的特征频率
▪ 关于特征频率的几点说明：
第七章 滚动轴承故障诊断
主讲：王林鸿教授、博士 机械与汽车工程学院
滚动轴承故障诊断的特点
▪ 滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之一， 也是最易损坏的零件；
▪ 滚动轴承有着表面光滑、尺寸精密的滚道，因而 早期故障的振动信号非常微弱。常常淹没在轴与 齿轮的振动信号中；
▪ 因此找出并识别其故障特征就成为滚动轴承诊断 的主要任务。
7．2 滚动轴承的振动机理与信号特征
滚动轴承的时域信号
图7－1 滚动轴承振动的时域信号 (a) 新轴承的振动波形 (b)表面劣化后的轴承振动波形
轴承刚度变化引起的振动 （必振无疑）
▪ 滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载 刚度会有变化，引起轴心的起伏波动
▪ 当滚动体处于载荷下非对称位置时,有水平分力。