滚动轴承的故障诊断
滚动轴承的故障诊断
一、滚动轴承的常见故障
滚动轴承是转动设备中应用最为广泛的机械零件，同时也是最容易产生故障的零件。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。滚动轴承的常见故障形式有以下几种。
1. 疲劳剥落（点蚀）
滚动轴承工作时，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。
疲劳点蚀会造成运转中的冲击载荷，使设备的振动和噪声加剧。
然而，疲劳点蚀是滚动轴承正常的、不可避免的失效形式。轴承寿命指的就是出现第一个疲劳剥落点之前运转的总转数，轴承的额定寿命就是指90%的轴承不发生疲劳点蚀的寿命。
2. 磨损
润滑不良，外界尘粒等异物侵入，转配不当等原因，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。
滚动轴承的故障种类是多种多样的，然而，在实际应用中最常见和最有代表性的故障类型通常只是三种，，即疲劳剥落（点蚀）、磨损、胶合。其中，胶合从发生到轴承完全损坏的过程往往极短暂，因此一般难以通过定期检查及时发现。
二、引起滚动轴承振动的原因及其特征频率
由于结构和工作原理上的一些特点，滚动轴承的振动信号、特别是频率成分较为繁杂。滚动轴承的振动，可以是外界激励因素所引起的，如转子不平衡、不对中、电磁拉力、临界转速、结构共振等，这些故障可以按照它们各自的特征频率及处理方法去诊断；也可以是由于滚动轴承自身结构特点以及故障缺陷所引起的。下面将介绍引起滚动轴承本身振动的原因及其特征频率。
1. 由于结构特点引起的振动——滚动体通过载荷方向时产生的通过频率
滚动轴承在外载荷的作用下，由于存在着游隙，最下面的滚动体受力最大，最上面的滚动体受力最小，其余滚动体的受力大小依据其位置不同是不相同的，如下图所示。轴在旋转过程中，最下面的滚动体从载荷中心线下面向非载荷中心线位置滚动，其接触力由大变小，并引起轴颈中心产生δ的微动位移。因
此，只要轴在旋转，无论轴承是否发生故障，滚动轴承的结构特点决定了每个滚动体在通过载荷中心线时，就会发生一次力的变化，同时对内圈及轴、外圈及轴承座产生冲击振动激励作用，这个激励频率就称为滚动体的通过频率f
o
，用下式表示
f
o ＝z f
c
式中，f
c
～保持架的旋转频率(即滚动体的公转频率)； z～滚动体的个数。
2. 由于轴承刚度非线性引起的振动
滚动轴承在载荷的作用下工作时，滚动体和内、外圈滚道之间为弹性接触，像一个“弹簧”一
样，不过它的刚性很高，并且呈非线性。特别是润滑不良时，容易出现非线性振动。刚度非线性引起的振动是一种自激振动，常发生在深沟球轴承上，而调心球轴承及滚柱轴承则不太会发生这种振动。其振动频率为轴的旋转频率f，及其高次谐波2 f 、3 f 、…（轴承刚度呈对称非线性时）或分数谐波f /2、f /3、…（轴承刚度呈非对称非线性时）。
3. 由于制造及装配等原因引起的振动
（1）由于表面加工波纹引起的振动
在轴承内、外圈及滚动体表面上，加工时所留下的微小起伏状波纹会引起比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍的高频振动、噪声及轴心摆动。其振动频率与波纹数z
s
和所处元件的缺陷间隔频率有关，具体如下：
内圈表面加工波纹引起的振动频率为  z
s f
i
±f  （波纹数为z
s
±1）；
外圈表面加工波纹引起的振动频率为  z
s f
o
（波纹数为z
s
±1）；
滚动体表面加工波纹引起的振动频率为  2z
s f
b
±f
c
（波纹数为2z
s
）。
式中，f
i 、f
o
、f
b
分别为内圈、外圈、滚动体的缺陷间隔频率；f、f
c
分别为轴旋转频率、保持
架旋转频率。
（2）由于滚动体大小不均匀引起的振动
滚动体大小的不均匀会导致轴心不断地变动，以及支承刚性的变化，，其振动频率为滚动体公转
频率（即保持架旋转频率）f
c 及其谐波与轴的旋转频率f的合成，即i f
c
±f（i＝1,2,3,…），通常
振动频率在1kHz以下。
（3）由于轴承偏心引起的振动
当轴承游隙过大或滚道偏心时，都会引起内圈与轴绕着外圈的中心进行涡动，其振动频率为轴的旋转频率f及其谐波，即i f（i＝1,2,3,…）。
（4）由于轴承装歪或轴弯曲引起的振动
如果轴承在轴上装歪或者轴发生了弯曲，轴在旋转时相当于转子的角度不对中现象，将表现出以转速频率f为特征的振动频率。但在滚动轴承中，由于这种情况下会使轴承单方向受力加重，因
此又具有滚动体通过频率f
o 的特征，两者合成为f
o
±f，成为这种故障振动的主要频率成分。
（5）由于轴承装配过紧或过松引起的振动
轴承装配过紧会导致内、外圈局部变形，游隙发生不均匀变化；装配过松会导致轴承窜动。因此，当滚动体在通过特定位置时，都会产生频率相应于滚动体通过周期的周期振动，其振动频率为滚动体的通过频率f
o
。
4. 由于润滑不良引起的振动
润滑不良时，滚动体在旋转中由于不能形成良好的油膜而发生金属与金属之间的滑动摩擦，滚动体不能处于纯滚动状态，从而加剧了滚动体和滚道磨损和疲劳，使轴承振动加大。润滑不良首先会使保持架产生异常的振动和噪声，是因为滚动体和保持架之间发生摩擦，引起保持架的自激振动所致。保持架的引导面与滚动体之间无油膜隔离时，滚动体很可能在保持架内被卡住，或者保持架的材料被胶合到滚动体上。
5. 由于轴承工作表面上的缺陷引起的振动
滚动轴承可能由于润滑不良、载荷过大、异物侵入、锈蚀等原因，引起轴承工作表面上的剥落、胶合、裂纹、腐蚀凹坑、压痕等离散型缺陷或损伤。滚动体在通过内、外圈上的缺陷点或转过自身的缺陷点时，就会与缺陷凹坑发生碰撞，而产生一个冲击脉冲信号。虽然在缺陷的初期，冲击本身的能量并不大，但由于持续时间极短，能量分散在极宽的频率范围上，完全可以激发起轴承各元件以其固有频率的振动，就像用小锤轻轻敲击大钟可以使钟发出声音（固有频率的振动）一样。因此，这种由局部缺陷所产生的冲击脉冲振动信号，其频率成分不仅有反映滚动轴承故障特征的间隔频率（即通过缺陷处的冲击频率），同时还包含有反映滚动轴承各元件固有频率的高频成分。
图(a)显示了滚动体每次进入故障缺陷点时产生的冲击信号波形。每个最高峰之间的间距是冲击周期，即缺陷间隔频率的倒数，冲击后的衰减振荡波形中，相邻两峰之间的间距则是元件的固有频率的倒数。
内、外圈的缺陷波形并不相同。由于外圈不动，各滚动体通过外圈缺陷点时具有相等的冲击强度，因此对应的脉冲振幅值基本相同。每个最高峰之间的间距即为外圈间隔频率f
o
的倒数。见图(b)。内圈滚道上的缺陷与各滚动体接触时，由于内圈在转动，缺陷所处的位置是变化的，与滚动体的接
触力则不相同，所以脉冲振幅值也就不同，这样就形成了对内圈间隔频率f
i
脉冲信号的幅值调制，
调制频率为滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）f
c
或轴的旋转频率f，如图(c)所示。
由于滚动体也是转动的，滚动体上缺陷所产生的波形，与内圈缺陷波形相类似，脉冲幅值也将
出现周期性变化，其间隔频率f
b 的脉冲振幅值将为滚动体的公转频率f
c
所调制，如图(d)所示。
现将有关滚动轴承振动的原因及其基本特征频率整理如下。
尽管滚动轴承故障振动的特征频率十分繁杂，但是，由于滚动轴承最常见、最主要的故障类型是剥落、磨损、胶合；因此，滚动轴承最主要的故障特征频率，除了转速频率f外，主要就是内圈
f
i 、外圈f
o
、滚动体f
b
三个缺陷间隔频率，以及保持架与内、外圈发生摩擦的特征频率f
ci
、f
co
，另
外顶多再考虑一下内圈、外圈、滚动体的固有频率f
ik 、f
ok
、f
bk
滚动轴承的特点。
三、滚动轴承振动的固有频率和缺陷间隔频率
1. 滚动轴承的固有频率
滚动轴承中的任何冲击性激励力都可能激起轴承各元件的固有振动频率，其中往往又以轴承外圈的固有频率在频谱图上表现得最为明显。这是因为，尽管滚动轴承各元件固有频率的赫兹数相对较高，大约为500Hz到数百kHz；但是，由于冲击振动的能量转换时间极为短暂（大致为微秒级），频谱图上频率分布的带宽很宽，可以从0 Hz延展到100 ~ 500 kHz。因此，冲击仍然可以在很宽的频率范围内激发起轴承各元件的固有频率，而其中外圈的固有频率相对较低，最容易被激发，并在频谱图上显现出来。
（1）滚动轴承内、外圈固有频率的计算公式
滚动轴承内、外圈固有频率的计算公式是相同的，两者都可以近似地看作具有矩形截面的一个圆环，其径向弯曲振动固有频率的近似计算公式为

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