滚动轴承故障机理分析 (DEMO)

滚动轴承故障的机理分析

一、轴承产生振动机理

由于滚动轴承的内、外圈和滚动体都是弹性体，构成振动系统或以子系统的形式耦合在整个系统中。内、外圈和滚动体都有自己的振动特征----固有频率和振型。所以从轴承的振源不同，滚动轴承的振动可分为非轴承故障性振动和轴承故障性振动。使用同步平均处理拾得的振动信号来寻找轴承故障几乎是不可能的，因为轴承信息中的基频是非同步的。滚动轴承有损伤时，其振动波形往往是调幅波。相当于载波的是轴承各部件及传感器本身以其固有频率振动的高频成分，起调制作用的是与损伤有关的低频成分。

冲击振动从分析的角度来看可以分为两种类型。第一种是直接分析由于滚动体通过工作面上的缺陷、产生反复冲击而形成1kHz以下的低频振动，或称为轴承的通过振动，它是滚动轴承的重要特征信息之一。但是由于这一频带中的噪声干扰很大，所以不容易捕捉到早期诊断信息。第二类是分析由于冲击而激起的轴承零件的固有振动。实际应用中可以利用的固有振动有三种：

1)轴承内、外圈一阶径向固有振动，其频带范围一般在1—8kHz之间。

2)轴承零件其他固有振动，其频率范围多在20一60kHz之间。

3)加速度传感器的一阶固有频率，其频率中心通常选择在10一25kHz附近。

1、非轴承故障性振动

非轴承故障性振动主要有安装不当或制造误差引起的偏心，转子或转轴不平衡引起的振动，这类振动往往被用来作为对转子故障进行诊断的信息。在滑动轴承和高速旋转机械中更是如此。

2、滚动轴承结构引起的振动

对于水平轴旋转时，每个钢珠通过轴的正下方时，轴就会略为向上升起。这样就产生了回转轴端部的上下运动。这种运动也称为滚动元件的通过振动。

3、轴承故障性振动

轴承故障性振动主要由下列各种原因引起：

1）由于载荷过大引起内、外圈和滚动体变形过大导致的旋转轴中心随滚动体位置变化所引起的振动----传输振动。还有因安装不准确或滚动体大小不一致引起的振动。一般情况下，这样的振动其频率较低（≤1KHz）。

2）由于润滑脂的润滑性能不良引起的非线性振动。

3）由于轴承的损伤引起的振动。即包括周期性脉冲引起的强迫振动，也包括高频或较高频轴承系统的固有振动。

4）随机和冲击虽然均属于宽频激励，如果覆盖系统的某阶固有频率，均会引起共振。但因前者的随机激励能力很小其振动效应轻微，而后者的激励能量甚大，共振效应强烈。

4、轴承振动特点

首先，由于轴的旋转，滚动体便在内、外圈之间波动。虽然轴承的滚动表面加工得非常平滑，但从微观来看，仍有小的凹凸。滚动体在这些凹凸面上转动时，产生交变的激振力。通常，由于滚动表面的凹凸形状是无规则的，所以激振力也具有随机的性质，它具有多种频率成分，由轴承(主要是外圈)和外壳形成的振动系统由于这个力的激励，发生的振动将是由各种频率成分组成的随机振动。

十分明显，滚动表面损伤的形态和轴的旋转速度决定了激振力的频谱；轴承和外壳决定了振动系统的传递特性；它们二者共同决定了最终的振动频谱。由此可知，由于轴承异常所引起的振动频率，受轴的旋转速度和损伤部分的形状以及轴承和外壳振动系统的传递特性三者所左右。

一般，轴的旋转速度越高，而且损伤的形态表现得越显著时，振动的频率就变高。轴承振动系统中轴承的尺寸越小，其固有振动频率越高。因此，由于异常所产生的振动，对所有轴承都共同具有的特定频率是没有的。另外．即使对一个特定的轴承，当产生异常时，几乎也不会只发生单一频率的振动。

在球轴承内、外圈上都有凹槽滚道，它起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。保持架使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦和磨损，如果没有保持架，相邻滚动体将直接接触，且相对摩擦速度是表面速度的两倍，发热和磨损都较大。

二、轴承严重磨损引起偏心时的振动

当使用过程中由于发生严重磨损而使轴承偏心时(或其它原因造成的偏心)，轴的中心将产生振摆，这种振摆应属于受迫振动范畴。所以受迫振动的频率应与干扰力的频率一致，还可能激发固有频率及其高次谐波的振动。振动的频率为nfr;其中n为自然数，fr为轴的旋转频率。

此时的振动情形如图所示：

旋转周期

另外、滚动轴承磨损会导致轴承游隙增大，轴承运行轨迹不断变化，表面粗糙度增加，及由于受力不均局部轴承载荷增大，降低了轴承的运行寿命。还有一种情况，设备在运行时由于环境引起的微振动，滚动体与滚道之间接触面小，反复相对滑动而产生的磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。

滚动轴承内环或滚动体故障时，由于存在径向间隙，而使振动受到轴转频或滚动体公转频率的调制。外环缺陷由于此时的位置与承载方向相对位置固定，故不会发生调制现象。

三、轴承加工和装配不良引起的振动

与轴承内孔配合的轴颈和轴肩台加工不良时，或由于轴颈弯曲等原因，使轴承内圈装配后其中心线与轴心线不重合，这样轴每旋转一周，轴承就会受到一次交变的轴向力的作用，使轴承产生振动。

轴承的这种振动的特点是：

1.振动幅值以轴向为最大。

2.振动频率和旋转频率相同。

四、滚动轴承的摩擦振动

高速旋转机械在运行中，轴承两接触面构成一摩擦副，由于加工和运行条件的原因，此摩擦副的接触摩擦是随机的，由此而产生的响应也是随机振动。轴承摩擦振动的一个典型频率特征就是广谱性。摩擦越严重，广谱性越突出。随着摩擦历程的延长，频谱类似于白噪声谱。

五、振动非线性特性引起的振动

滚动轴承是通过滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，可以形象地比之为“弹簧”。此“弹簧”的弹性系数很大，当轴承的润滑状态不良时，就会出现非线性，由此而引发振动。其振动的频率为轴的旋转频率及其谐波和分频。（深沟球轴承）

转子不平衡旋转力和轴承内圈轴向力的激励下，轴承上易产生为旋转频率整数倍或分数倍成分的振动发生，这种振动与轴承的油膜特性有关，往往在冬季易发生。

这种轴承非线性振动的特征是：

1.在刚度曲线成对称非线性时，振动频率是旋转频率的整数倍（fr、2fr、3fr…）;在刚度曲线成非对称非线性时，振动频率为分数倍（fr 、fr/2、fr/3 …）。（上述观点对于摩擦、松动、轴裂纹等同样适用）