滚动轴承故障诊断频谱分析

滚动轴承故障诊断1（之国外专家版）

滚动轴承故障

现代工业通用机械都配备了相当数量的滚动轴承。一般说来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常情况下，它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的实践经验表明，只有10%以下的轴承能够运行到设计寿命年限。而大约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障，30%失效是由于不对中或“卡住”等装配失误，还有20%的失效是由过载使用或制造上缺陷

等其它原因所致。

如果机器都进行了精确对中和精确平衡，不在共振频率附近运转，并且轴承润滑良好，那么机器运行就会非常可*。机器的实际寿命也会接近其设计寿命。然而遗憾的是，大多数工业现场都没有做到这些。因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。你的工作是要检测出早期症状并估计故障的严重程度。振动分析和磨损颗粒分析都是很好的诊断方法。

1、频谱特征

故障轴承会产生与1X基频倍数不完全相同的振动分量——换言之，它们不是同步的分量。对振动分析人员而言，如果在振动频谱中发现不同步分量那么极有可能是轴承出现故障的警告信号。

振动分析人员应该马上诊断并排除是否是其它故障引起的这些不同步分量。

如果看到不同步的波峰，那极有可能与轴承磨损相关。如果同时还有谐波和边频带出现，那么轴承磨损的可能性就非常大——这时候你甚至不需要再去了解轴承准确的扰动频率。

2、扰动频率计算

有四个与轴承相关的扰动频率：球过内圈频率（BPI）、球过外圈频率（BPO）、保持架频率（FT）和球的自旋频率（BS）。轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径和接触角。其中，BPI 和BPO的和等于滚珠/滚柱的数量。例如，如果BPO等于3.2 X，BPI等于4.8 X，那么滚珠/滚柱

的数量必定是8。

轴承扰动频率的计算公式如下：

注意：BS的值可能会加倍，因为所给的公式针对的是球撞击内圈或外圈的情况。如果有庇点的滚球/滚柱同时撞击内圈和外圈，那么其频率值应该加倍。

需要说明的是由于受到各种实际情况如滑动、打滑、磨损、轴承各参数的不精确（如直径可能不完全精确）等的影响，我们所计算出来的频率值可能会与真实值有小范围的差异。

在检查过程中你可能会经常涉及到滚珠的数目，对于轴承而言你所能了解到的信息可能只有滚珠（或滚柱）的数目。如果能够根据频谱（或其它地方）确定其中一个的扰动频率，我们就可以根据

它计算出其它的频率。

对于四个扰动频率计算还有一个近似的经验公式可供参考。对于8～12个滚珠/滚柱的轴承：BPO 通常等于滚珠数量的0.4倍，BPI是滚珠数量的0.6倍，而FT等于0.4 X。

3、轴承失效的九个阶段

有人把轴承失效划分为四个阶段，在此我们为了描述得更加详细将它细分为九个阶段。

第一阶段：

在轴承失效的最初阶段，其频率范围大约在20 KHz～60 KHz之间——或更高。有多种电子设备可以用来检测这些频率，包括峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音频测量装置。在这个阶段，

普通的频谱上不会出现任何显示。

第二阶段：

由于轴承上的庇点增大，使它在共振（固有）频率处发出铃叫声。同时该频率还作为载波频率调制

轴承的故障频率。

第三阶段：

出现轴承故障频率。开始的时候我们只能观察到这个频率本身。图中所示为轴承内圈故障时的频谱显示。当轴承磨损进一步加剧后，在故障频率（例子中的BPI）处的波峰值将会升高。大多数情况

下波峰值将随着时间线性增加。

第四阶段：

随着故障的发展，故障频率将产生谐波。这表明发生了一定程度的冲击。故障频率的谐波有时可能会比基频波峰更早被发现。因此，我们首先要查找频谱中的非同步波峰，并查证是否有谐波。对应

的时域波形中同时也会出现冲击脉冲的显示。

故障频率及其谐波的幅值在开始阶段都比较低。如果你仅仅通过线性坐标图表来查看数据，很容易错过这些重要的故障信号。因此，建议结合对数坐标来进行分析，从而及时发现轴承故障的早期显

示。

如果你想要进行轴承的早期故障预报，那么就应该使用加速度为单位来采集高频时域波形（使用加速度传感器）——也就是说，不要进行积分。加速度能突出信号中的高频成分，这对于我们的应用

来说是很理想的方法。

第五阶段：

随着故障状态的恶化，轴承的损坏更加严重，振动级将继续升高，同时出现更多的谐波。由于故障自身的性质，这时还会出现边频带。时域波形上的尖峰波将更加清晰和明显，你甚至能够通过测量尖峰间的时间间隔来计算故障频率。高频率的轴承检测，如峰值能量和冲击脉冲所得到的趋势都在

持续上升。

此时引起调制的原因有二个：第一种情形是当内圈出现故障时，如果它位于加载区域时，产生的冲击会更加剧烈，从而产生更高的振幅。当内圈故障位置移出加载区后，其振幅又会降低，并在轴承顶部达到最小值。在这种情况下内圈的故障频率将被（内圈的）旋转频率所调制，于是我们可以在

频谱中看到1 X边频带出现。

如果滚珠出现问题，也会因相同的原因，产生调制。当滚珠运转在载荷区会产生比运转在非载荷区更强烈的冲击。越接近载荷区，振幅越高。滚珠沿轴承以保持架频率FT滚动。该频率低于1 X—

—典型的FT大约等于0.4 X。

当我们能够从频谱中观察到谐波，特别是边频带后，轴承上的磨损就已经能够用肉眼观察到了。这

时候，你就可以建议更换轴承了。

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2006-08-29 12:52

滚动轴承故障诊断2

第六阶段：

1X处的幅值增大，并出现1X的谐波，这是由于磨损引起间隙增大的结果。

第七阶段：

现在我们看见故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作"干草堆"。这是由于宽带噪声所致。在*近机器的地方，你还能听到轴承发出的噪声。在这个阶段，高频率的轴承测量量可能会逐渐减少。如果你用测量工具测到的振幅有下降趋势，不要以为是情况出现好转，而应该尽快去定购用来更换的轴承了！

第八阶段：

频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着松动的增加而增大，高频率的轴承测量显示出的趋势可能会继续降低，但重要的是整个噪声水平都在上升。你能清晰的听到轴承发出的声音，这预示着轴承即将报废。

第九阶段：

到了这个阶段以后，频谱会变得平直，因为机器已经不能运转了！

4、解调频谱及在滚动轴承诊断中的应用

振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息，并且可以跟踪轴承的故障发展，在轴承故障的不同阶段中以不同的信息反映轴承不同的故障状态。

4-1使用和认识解调