滚动轴承状态监测技术与失效根本原因分析

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3.加速度包络解调技术的处 理原理
由加速度传感器采集到的振 动加速度原始信号包含了转轴的 工频信号（如图4a中的1x，f n=转 速/60），这是因为轴承早期缺陷 受滚动体冲击而激起的振动（如 图4a中的4.4x）被叠加到工频信号 上。经带通滤波，工频信号被滤 除，留下了滚动轴承受冲击而激起 的信号。经半波整流后，留下的信
（4）收集历史信息 保养、 检修历史记录，状态监测历史数 据，运行历史数据。
（5）现场测试 大多数情况 下，在现场能够找到同样结构的设 备，通过对同类设备运行状态监测 数据的收集，进行比较分析，可以 帮助我们发现更深层次的证据。
通过以上信息收集的过程，我 们能够获得保护完好的损坏轴承样 品、设计资料和使用背景信息以及 即时的测试信息。并不是所有收集 到的信息在分析中都能用到，但一
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密封 外圈 滚动体 保持架 内圈 图1 滚动轴承的结构
内圈、外圈和滚动体用于承受 载荷并传递能量；保持架用于引导 滚动体；润滑用于减少摩擦；密封 用于保持润滑剂并阻挡外来污染。
图2 滚动轴承失效形式 这里所叙述的轴承外观特征 变化或损坏的形式，有的是根本原 因，有的还要归因于更深层次的特 定原因。
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滚动轴承的监测技术
1. 不同监测技术对轴承失效形式的适用性 用于滚动轴承的状态监测技术主要包括振动测量与分析、温度测量与 红外成像、磨屑检查、声音检测和润滑分析。表1综合了这些检测技术对轴 承的不同失效形式（故障部位）的适用性。
表1 监测技术与滚动轴承失效形式
号再经低通滤波后，留下信号的形式为滚动轴承受冲击而激起的振动的幅 度的边缘（即所谓的包络）。
由此可见，加速度包络技术是对加速度原始信号进行滤波和整流（这 一过程称为解调），从而分离轴承冲击的故障信号和作为其载波的低频 信号。更为重要的是，轴承部件受冲击而激起的振动波形幅度的包络形式 （频谱图上为轴承缺陷频率）是由转速和轴承自身的结构特性所决定的， 这就为我们进行轴承故障早期诊断提供了最有效的判据。
声音 有效 有效 不可能 有可能 有可能 有可能 有可能 不可能 不可能 有可能 可
润滑分析 不可能 不可能 不可能 有效 有效 有效 有效 有可能 不可能 不可能 可
可以看出，每种检测技术对轴承潜在失效形式的覆盖能力不尽相同。 其中，振动的覆盖性最强，也最为广泛地使用。
2.不同监测技术在轴承寿命周期中的适用性 在滚动轴承的寿命周期中（失效的不同阶段），不同的监测技术适用 性也不尽相同。图3描述了不同的监测技术在轴承失效过程中的适用阶段。
图5是一个实际测得的加速度信号直接进行F F T变换和经加速度包络解 调处理后再进行FFT变换前后的波形图与FFT频谱图。
FFT
包络
(a) 原始加速度波形信号
调解
FFT
(b) 加速度FFT频谱
图4 振动原始波形信号（加速度）
(c) 加速度包络波形信号
(d) 加速度包络FFT频谱
图5 加速度与加速度包络FFT变换 对 比 以 上 谱 图 ： 在 加 速 度 F F T 频 谱 （F m a x= 5 k H z ） 上 ， 仅 在 2 k H z （~7x B P F I-内圈缺陷频率，见本文后面的阐述）以后发现了轴承缺陷频 率，集中在2～5k H z的高频范围内。若频谱分析范围低了（如低于1k H z，通 常为确保高的频谱频率分辨率，F max不会很高），在F F T频谱上就看不到轴 承缺陷频谱，造成漏诊。在加速度包络FFT频谱（F max=1.5kHz）上，我们看 到轴承的内圈缺陷频率（BPFI）从第一倍起就十分明显。 由此我们发现：加速度包络谱用于诊断轴承的早期故障非常直观、准 确，大大提高了频谱分析的精度。这一点，已为加速度包络技术用于检测 轴承早期故障的大量案例所证实。 在齿轮机构中，齿轮啮合信号与齿轮转工频信号有同样原始信号叠加 形式，因此加速度包络技术也同样适用于齿轮啮合类故障的检测和诊断。
失效形式(部位) 破裂 裂纹 压痕
研磨磨损 过电流 粘着磨损 烧结 腐蚀 保持架破裂 形变 运行中可测否
振动 有效 有效 有效 有效 有效 有效 有效 有可能 有可能 有可能 可
温度 不可能 不可能 不可能 有可能 有可能 有可能 有效 不可能 不可能 有可能
可
பைடு நூலகம்
磨屑 有效 有可能 不可能 有效 有效 有效 有可能 有效 有可能 有可能 可(部分不可)
轴承SKF 2222内圈缺陷频率 BPFI及其高次谐波，边频
(a)
(b) 图7 加速度包络谱上（图7a）见到 轴承内圈缺陷与拆下来的轴承内圈
（图7b）
轴承元件的缺陷频率能够被振 动检测技术发现的条件是：第一， 元件确实发生了早期故障；第二， 元件的缺陷位置在运动中被“碰 到”了。因此保持架的缺陷是不易 被检测到的。对于内圈固定的轴 承，检测到轴承内圈缺陷频率后， 要尽可能早地更换轴承，因为在这 种情况下，轴承状况的恶化是快速 发展的，甚至会突然发生内圈断 裂，引发更大的机器事故和长时间 的停机。
滚动轴承的润滑不良问题，也 可以通过振动检测的手段来发现， 本文在此不做详述。
滚动轴承失效根本原因 分析
1. 进行失效根本原因分析 的必要性
从事设备维修的人员大多有 过这样的经历：设计寿命为数年的 轴承常常会因为振动大、温度高等 原因在数月内就因为损坏而更换下 来。我们重复进行着更换轴承的工 作，这就是轴承最终失效引起故障 停机前，通过振动或温度监测、控 制的手段发现了轴承的失效，并更 换了轴承，是成功的预防性维修。 但是，当同一个设备历经数次这样 的事情，我们再来评估维修效果的 时候，就会发出疑问“轴承失效是 真正的原因吗？”或者说“轴承失 效是根本的原因吗？”
个严谨、可靠、具 有说服务力的失效 分析工作是从收集 真实、全面的信息 开始的。
第二步，对拆 卸下来的失效的轴 承样品，进一步观 察和清洁。
在清洁前， 先确定以下信息： 润滑剂的状况（颜 色、水份、浓度/ 稠度等），腐蚀情 况，温度影响（变 色、变形等）。清 洁时，需要去除残 余的润滑剂，洗干 净轴承元件，擦掉
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■ SKF中国有限公司北京办事处 /冉继勇 董 良
滚动轴承状态 监测技术与失效根本原因分析
本文阐述了滚动轴承的失效形 式、用于滚动轴承的状态监测技术 以及这些技术对滚动轴承在不同寿 命阶段的失效形式的适用性，尤其 着重介绍了振动监测的加速度包络 解调技术、失效根本原因分析的工 作流程和当前开展这一工作所面临 的困难。
由此可计算出： BPFO = BPFI = BSF= TFT= 随着振动检测技术的普及，在 部分S K F轴承外包装上已提供了以 上四个轴承缺陷频率参数（假定转 速为60r/min的基数）。另外，在专 业的状态监测软件系统中，包含了 主要轴承品牌常用轴承型号的数据 库，您只需要在设置检测点的数据 库时，指定相应的轴承型号，软件 就可自动在频谱图上显示出轴承缺 陷频率的标识（如图7）。
要回答这个问题，就需进行轴 承失效根本原因分析。失效根本原 因分析就是找到引起失效的主要原 因，并设法消除它。原则上，对所 有引起机器失效的故障都需要进行 失效根本原因分析，尤其是那些重 复出现的故障。失效根本原因分析
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是维修改善的重要工具。
2. 滚动轴承失效根本原因 分析的流程和方法
第一步，需要通过现场观察和 资料、历史记录、甚至是即时测试 数据来收集足够的信息。
（1） 现场勘察，弄清楚以下 信息 轴承在机器上的位置，失效 细节信息（如润滑的情况，污染状 况，轴、轴承座和机架的损坏情 况），损坏部件的位置，失效的影 响，二次失效（由最初失效引起的 后续失效）。
4. 频谱分析中轴承缺陷频率的确定 前面在介绍加速度包络处理技术的原理的时候，提到了“轴承部件受 冲击而激起的振动波形幅度的边缘包络形式（频谱图上为轴承缺陷频率） 是由转速和轴承自身的结构特性所决定的”，那么，如何获得轴承的缺陷 频率呢？
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图6 滚动轴承结构参数 本文开始介绍了滚动轴承的基 本元件，图6介绍了滚动轴承的几 个结构参数： α ——接触角，滚动体运动直 径与轴承径向的交角 D R——滚动体直径 d m——节圆直径， 轴承径向 上的滚动体中心距 z —— 每列滚动体的个数 另外一个决定轴承缺陷频率的 参数是转速n （r/m i n）。这样，滚 动轴承与旋转有关的各元件的缺陷 频率计算工式如下： 外圈缺陷频率（BPFO ）：
滚动轴承的基本元件及 其作用
为便于理解本文所述的有关 术语，我们以深沟球轴承为例，介 绍滚动轴承的基本元件：外圈、内 圈、滚动体、保持架以及密封和润 滑（见图1）。
滚动轴承的失效形式分 类及原因
ISO/FDIS 15243标准从使用过 程中发生外观特征损坏或变化的角 度，采用肉眼观察或者是显微镜观 察，对轴承的失效形式划分如图2 所示。
图3 滚动轴承寿命周期中的监测技术 轴承完好阶段，高频信号检测技术(HFD)和频谱能量发射技术(SEE® )最 为有效，其中S E E® 技术为S K F专利。这两种技术十分灵敏，甚至可以用于 检测轴承质量。但轴承用户更关心的是什么时候轴承可能出现缺陷，而轴 承质量是由轴承制造商来控制的。因此，这两种技术很少在故障诊断中使 用。 轴承出现早期缺陷时，通常是集中在30～40k H z范围内的高频信号。 一方面，因为加速度压电晶体传感器在这个范围里是共振响应，直接使用
当轴承故障已发展到非常严重 的阶段，凭人的感官就可以听得出 来、摸得出来，温度也会有明显上 升，振动测量（无论是速度还是加 速度包络）都有十分高的报警。这 个阶段通常是很短暂的，留给维修 准备的时间十分有限。
由于振动监测技术可以覆盖滚 动轴承的整个寿命周期，因此在有 振动监测的情况下，通常不再使用 其他专门的监测技术。
内圈缺陷频率（BPFI ）：
滚动体缺陷频率（BSF ）：
保持架缺陷频率（TFT ）：
例：S K F 6211轴承，在 2985r/m i n时的缺陷频率，查询 S K F轴承型录，得知D amax =91m m , d amin=64mm，z =10，α =0；则 ：
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随着轴承早期缺陷的出现和发 展，轴承材料磨屑会进入润滑油或 润滑脂中。通过对油质中金属颗粒 属性、大小、数量等的分析，可以 评估轴承缺陷/剥落的严重程度。 甚至可以直接在油液回路中使用磁 铁收集磨屑，或者是有经验的工程 师可以用手指研磨润滑剂样品来感 知磨损的严重程度。
轴承缺陷的进一步发展，也就 是当轴承故障已经对整机运行产生 影响的时候，通过振动速度总值和 速度谱的测量能够发现。对一般应 用环境，应在此时更换轴承。而对 于低速或变速、重载的应用环境， 在轴承出现早期缺陷的时候，就要 考虑更换轴承。
加速度信号评估早期缺陷，难以建 立一致的适用标准；另一方面，由 于轴承缺陷信号为旋转轴的工频 信号所调制，在中低频段部分， 见不到轴承的缺陷信息，需要有 很宽的频谱分析范围，这样又会损 失频谱分析精度；所以此范围内 的加速度信号需要特殊的处理技 术。加速度包络解调处理技术因 为能很好地难决了这一问题，因 此成为滚动轴承早期故障检测的 主流技术。
（2） 组件保护与拆卸轴承 组件保护的作用是确保上述信息不 会因为腐蚀和其他现场处置而被破 坏，拆卸轴承时要尽可能减少破坏 性和留下痕迹，避免最初的故障信 息被掩盖。
（3）收集设备信息 包括完 整的轴承型号、机器类型、使用的
安装工具、技术和程序，转速、载 荷、轴承运行温度、环境温度和湿 度、运行时间、润滑剂及其特性 （润滑方式、间隔、润滑量…）， 服务寿命（理论计算值、实际值、 平均无故障时间M T B F），失效引 发的成本（生产损失、部件损失、 人力成本等）。