振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用

振动频谱分析在滚动轴承故障诊断中的应用

摘要：本文对轴承滚动轴承的常见故障形式进行了解析，并通过振动频谱分析的技术对滚动轴承产生故障的部位特征频率、不同阶段的频率特征进行了阐述。并将通过频谱分析技术较好应用到了实际的滚动轴承故障诊断过程，提高了现场故障诊断水平，满足了生产维护检修的需要。

关键词：滚动轴承故障形式特征频率

一、前言

滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件，是轴及其他旋转构件的重要支承，是最早采用专业化大批量生产的机械基础件之一，在日常的使用与维修中发现，轴承同时也是最容易产生故障的零件。根不完全据统计，在使用滚动轴承的转动设备中，大约有30%的机械故障都是由于滚动轴承而引起的；而在镇海炼化的所有转动设备故障维修统计当中，滚动轴承的故障率甚至在这个数字之上。

二、滚动轴承的常见故障：

由于滚动轴承在实际应用的广泛，其产生的故障现象也多种多样，常见的有以下几种形式：

1、疲劳点蚀：疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式，由于滚动轴承在工作时，滚动体和滚道之间为点接触或线接触，在交变载荷的作用下，表面间存在着极大的循环接触应力，容易在表面处形成疲劳源，由疲劳源生成微裂纹，微裂纹因材质硬度高、脆性大，难以向纵深发展，便成小颗粒状剥落，表面出现细小的麻点，这就是疲劳点蚀。严重时，表面成片状剥落，形成凹坑；若轴承继续运转，将形成大面积的剥落。

2、磨损：由于轴承的工作环境的不同，难免存在润滑不良，外界尘粒等异物侵入，转配不当等原因的存在，都会加剧滚动轴承表面之间的磨损。磨损的程度严重时，轴承游隙增大，表面粗糙度增加，不仅降低了轴承的运转精度，而且也会设备的振动和噪声随之增大。

3、胶合：胶合是一个表面上的金属粘附到另一个表面上去的现象。其产生的主要原因是缺油、缺脂下的润滑不足，以及重载、高速、高温，滚动体与滚道在接触处发生了局部高温下的金属熔焊现象。通常，轻度的胶合又称为划痕，重度的胶合又称为烧轴承。胶合为严重故障，发生后立即会导致振动和噪声急剧增大，多数情况下设备难以继续运转。

4、断裂：轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种故障形式，这主要是由于轴承材料有缺陷和热处理不当以及严重超负荷运行所引起的；此外，装配过盈量太大、轴承组合设计不当，以及缺油、断油下的润滑丧失也都会引起裂纹和断裂。

5、锈蚀：锈蚀是由于外界的水分带入轴承中；或者设备停用时，轴承温度在露点以下，

空气中的水分凝结成水滴吸附在轴承表面上；以及设备在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承表面产生早期剥落，同时也加剧了磨损。

6、电蚀：电蚀主要是转子带电，电流击穿油膜而形成电火化放电，使表面局部熔焊，在轴承工作表面形成密集的电流凹坑或波纹状的凹凸不平。

7.、塑性变形（凹坑及压痕）：对于转速极低（n＜1 r/min）的轴承，或间歇摆动的轴承，其故障形式主要是永久性塑性变形，即在滚道上受力最大处形成凹坑。发生塑性变形，主要与过大的挤压应力有关，例如，工作载荷过重，冲击载荷过大，热变形影响等。轴承出现凹坑后，会产生很大的振动和噪声。此外，当硬颗粒从外界进入滚动体与滚道之间时，会在滚道表面形成压痕。

8、保持架损坏：润滑不良会使保持架与滚动体或座圈发生磨损、碰撞。装配不当所造成的保持架变形，会使保持架与滚动体或座圈之间产生卡涩，从而加速了保持架的磨损。保持架磨损后，间隙变大，与滚动体之间的撞击力增大，以致使保持架断裂。

滚动轴承的严重损坏时，往往会造成设备停运，甚至造成相关部件的损坏，如发生烧轴承故障，会损坏到主轴、轴承箱等，甚至影响到生产装置的稳定运行。但是轴承的损坏大部分都不是短时间内完成的，而是需要一个时间的累积过程，伴随损坏程度的加剧过程，往往会有温度、躁声、振动等参数的变化，随着设备维修体制的不断演化，预知性维修模式的应用渐趋广泛，由此对滚动轴承运行状态的监测和故障的诊断的重要性也日趋突出。应用的方法也有多种，例如振动分析法、油液分析法（磁性法、铁谱法、光谱法）、声发射分析法、光纤诊断法等，各种方法都有自己的特点，其中振动分析法是一线生产中较为实用和相对简单方便，应用最为广泛，主要是针对振动频谱进行针对性的分析。

三、轴承失效的特征频率分析

滚动轴承的失效过程根据一些著名制造厂家的分析一般可分为四个阶段，而且各个阶段内所产生主要特征频率并不相同，其

主要的成分进行了归类与分析后如

右图所示：

第一阶段（超声频率）：轴承

最早期出现的问题表现在超声频率

的异常，其频率范围开始为

250~350kHz。此后随故障发展，频

率范围下移到20~60kHz，此阶段的

振动频谱图中显示较为“干净”，即

除了工频、二倍频等常规振动频率

外，轴承故障的各特征频率均无显

现。所以一般在实际的应用中，会发现轴承的温度比较正常，运行声音也比较均匀，说明轴承在这个阶段基本上没有缺陷存在。

第二阶段（轴承固有频率）：轴承产生轻微缺陷，缺陷产生的冲击激起了轴承元件固有频率的振动或轴承支承部件的共振，其频率范围一般为500Hz~20kHz。到第二阶段末期，在固有频率的周围开始出现边频带；此阶段的振动频谱图里仅显现出轴承的固有频率成分，随着缺陷的逐渐严重，到二阶段后期在轴承的固有频率前后出现一定边频带。

第三阶段（轴承缺陷间隔频率及其倍频）：初期，轴承缺陷间隔频率开始显现；随着故障缺陷的发展，更多的缺陷间隔频率的倍频出现，围绕这些间隔频率及其倍频以及固有

频率的边频带的数量也逐步增多，其中不同设备不同轴承的缺陷间隔频率也不尽相同，主要的间隔频率的计算公式见下表所示：

式中，D～滚动体中心圆（节圆）直径，[mm]；

d～滚动体直径，[mm]；

α～接触角，[角度或弧度]；

z～滚动体的个数；

n～轴的转速，[r/min]。

除转速n外，D、d、α、z均可根据轴承型号由轴承样本查出

随着缺陷不断显化，频谱中缺陷间隔频率周围的也会出现许多清晰可见边频带；通过实践证明这时的轴承缺陷已经已肉眼可见，也传递出这样的信息：此轴承已经到要检修更换的阶段，如果再运行就会存在一定的风险；在日常的诊断或巡检过程中测量到这样的特征频谱，就应该安排此设备的检修。当然，一般情况下，此时的轴承运行温度会比正常高，运行的噪音会增大，而且存在声音不均匀有杂音。

第四阶段（随机宽带振动）：此阶段的滚动轴承失效已经接近尾声，工频也受影响而明显增大，并产生许多倍频成分，特别是原先为离散的、幅值较突出的缺陷间隔频率和固有频率及其倍频开始“消失” ，会出现很多随机的宽带高频“噪声振动” ，而且能量较大。这一阶段对设备来说