第7章 机械零部件故障监测与诊断技术2

7.2 滚动轴承故障诊断技术

7.2.1 概 述

滚动轴承是机械设备的重要零件，应用面广，但易损坏，据统计在使用滚动轴承的旋转机械中大约30％的机械故障是由滚动轴承故障引起的，所以滚动轴承的状态监测与诊断技术一直是国内外发展的重点。

一、滚动轴承故障的基本形式

滚动轴承故障按产生的原因划分有以下几种。

（1）磨损

滚动轴承内外圈的滚道和滚动体表面，既承受载荷又有相对运动，所以要发生各种形式的磨损。（疲劳磨损、磨料磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等）在正常情况下疲劳磨损是滚动轴承故障的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命。

（2）压痕

轴承受过大载荷或因硬度很高的异物侵入时，都将在滚动体和滚道的表面上形成凹痕，使轴承运转时产生剧烈的振动和噪声，影响工作质量。

（3）断裂

轴承元件的裂纹和破裂主要是加工轴承元件时磨削加工或热处理不当引起，也有的是由于装配不当、载荷过大、转速过高、润滑不良产生的过大热应力引起。

二、滚动轴承故障监测与诊断方法

轴承元件的损伤不可能直接诊断，只能间接诊断。诊断方法有以下几种。

（1）噪声诊断法

这是最原始的方法，由于设备各种噪声和环境噪声的干扰很大，从监测信号中提取被测轴承的噪声信息十分困难，所以现代故障诊断领域应用较少。但是用听音棒接触与轴承最接近的部位监听轴承运行时的噪声，至今仍在采用。这是因为这种方法具有简单、方便、快速等优点，适合普通机械设备的简易诊断。若用电子听诊器提高灵敏度，有经验的人不仅能识别轴承有无故障，而且还能估计出发生故障的原因。

（2）振动诊断法

轴承元件损伤，运行时必然产生冲击和振动。根据振动诊断轴承的状态是目前最适用的方法。国内外开发生产的轴承监测与诊断仪表绝大多数都是根据振动诊断原理制成的。

由于轴承的结构特点和不可避免的加工与安装误差，正常轴承运行时，不可避免地已有相当复杂的振动，再加上轴承所在设备的各种振动干扰，所以根据振动信号判别轴承故障的关键是排除干扰提高信噪比，这是一件十分复杂的技术。因此目前单独根据振动信息诊断轴承故障还不是十分可靠的技术，最好采用多种方法进行综合诊断。

（3）温度诊断法

轴承元件损伤，轴承的温度便会升高，所以对轴承可以进行温度监测。这种方法简单易行使用最早。但是它的灵敏度很低、响应也慢，特别是工作表面剥落、压痕或裂纹等局部性损伤在初期阶段几乎不可能根据温度变化检测出来。不过温度对轴承载荷、速度和润滑油情况的变化还比较灵敏，所以温度诊断法对防止轴承故障还有重要意义，至今仍普遍采用。

（4）油膜电阻法

运行中的滚动轴承，由于滚道与滚动体之间形成油膜，所以电阻很大，常在兆欧以上，若轴承损伤润滑状态恶化，则油膜破坏，电阻变小到零欧附近。利用这种变化就可对轴承故障进行诊断。

图7-10 油膜电阻法测量原理

油膜电阻的测量原理如图7-10所示。为了避免对运动表面的不良影响所加电压希望低些，在实际应用中，一般采用1伏左右。

油膜电阻法对磨粒磨损等均匀损伤比较敏感；振动分析法对剥落、压痕等局部损伤比较敏感，所以油膜电阻法可作为振动诊断法的一种补充监测技术。

（5）光纤监测技术

用光纤位移传感器监测轴承的运行状态是一种直接从轴承套圈表面提取信息的诊断技术，灵敏度高，传递通道的影响小。它的基本原理如图7-11a）所示，用光导纤维制成的传感器含有发送光纤束与接收光纤束两部分，光线从发射光纤束射出，经传感器端面和轴承套圈表面间的间隙照射到套圈表面上，然后反射回来，由接收光纤束接收，经光电元件转换为电压输出，间隙量ｄ改变时，照射在套圈表面的面积也随之改变，接收光纤束接收的光量、光电元件输出的电压也随之改变，其间关系如图7-11b）所示。根据输出电压的变化，可以判别轴承套圈的径向变化量和轴承的状态。

a） 1—套圈；2—发送光锥；3—发射光纤束；b）

4—接收光纤束；5—接收光锥

图7-11 光纤法原理及特性曲线

（6）油污染物分析

检测润滑油中轴承磨损产物可有效地判断轴承是否损伤。常用的分析方法有铁谱分析法和磁塞分析法。但只适用于油润滑轴承，局限性大。

7.2.2 滚动轴承的故障振动分析

滚动轴承的振动非常复杂，除轴承本身结构特点和加工、装配误差引起的正常振动外，还有轴承损伤引起的故障振动，以及外部因素引起的振动。在此，只分析轴承的故障振动。

滚动轴承的故障振动由两种故障引起：局部故障和分布故障。

一、局部故障

当轴承元件的滚动面上产生损伤点（如点蚀、剥落、压痕、裂纹等）时，在轴承运行过程中在损伤处滚动体与内外圈就会因反复碰撞产生周期性的冲击力，引起低频振动，它的频率与冲击力的重复频率相同，称为轴承故障的特征频率。特征频率的大小取决于损伤点所在的元件和元件的几何尺寸以及轴承的转速，一般在 1KHz 以下，在听觉范围内（1～20KHz），是分析轴承故障部位的重要依据。

冲击力具有极为丰富的频率成分，其高频分量必然激发轴承系统的组成部分产生共振，即以各自的固有频率作高频自由衰减振动。高频自由衰减振动的振幅大、持续时间长，但重复频率与冲击的重复频率（故障特征频率）相同。这些特点也是分析轴承故障的重要依据。

图7-12 滚动轴承发生的冲击振动

图7-12是轴承有局部故障的波形图，T是冲击重复周期，即轴承局部故障的特征周期， f0一般是轴承外圈的固有频率，虽然轴承系统的高频自由衰减振动很复杂，但因测点通常距外圈最近，传感器拾取的高频衰减信号以外圈的为最显著。

1．局部故障特征频率的计算

轴承故障特征频率计算公式见表7-1，这些公式是向心推力滚动轴承在外圈固定条件下推导出来的。

表7-1 轴承故障特征频率

表面损伤点位置特征频率(Hz)

外圈

内圈

滚动体

—滚动体数量/个；—接触角/度；

—轴的转动频率/

例如：204型滚珠轴承，，，，，当，且轴承外圈固定时，各特征频率值为：

表7-1 中公式是由几何学和运动学中的关系式推导出来的，推导过程如下。

（1）滚动体公转频率（保持架转频）

因滚动体与滚道没有相对滑动，所以滚动体中心点Ｃ的圆周速度是内圈滚道上A点速度的一半，即：

因 ，，故得，

即

（2）滚动体自转频率

因滚动体和内圈相对保持架的回转频率与它们的直径成反比，即：故得

（3）内外圈损伤点的特征频率

因保持架相对内外圈转动一周，每一个滚动体只与内外圈滚道上一个损伤点碰撞一次，故得