滚动轴承的故障诊断与失效分析(杜新定)

2023/9/221滚动轴承的故障诊断

2023/9/222概述旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大比例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见滚动轴承故障诊断工作的重要性。2023/9/223滚动轴承故障诊断技术的分类滚动轴承的故障诊断技术主要有振动诊断技术、铁谱诊断技术、温度诊断技术、声学诊断技术、油膜电阻诊断技术和光纤监测诊断技术等，其中，振动、铁谱、温度诊断技术应用最普遍。2023/9/224振动诊断技术(一)轴承元件的工作表面出现疲劳剥落、压痕或局部腐蚀时，轴承运行中会出现周期性的脉冲信号。这种周期性的信号可有安装在轴承座上的传感器（速度型或加速度型）来接收，通过对振动信号的分析来诊断轴承的故障。特点：振动诊断技术应用广泛；可实现在线监测；诊断快，诊断理论已成熟。应用范围：特别适合旋转机械中轴承的故障监测。2023/9/225铁谱诊断技术（二）轴承磨损颗粒与其工作状况有密切的联系。将带有磨损颗粒的润滑油通过一强磁场，在强磁场的作用下，磨粒按一定的规律沉淀在铁谱片上，铁谱片可在铁谱显微镜上作定性观察或在定量仪器上测试，据此判断轴承的工作状况。特点：机器无需解体；投资低，效果好；能发现轴承的早期疲劳失效；可做磨损机理研究。应用范围：适用于用润滑油润滑的轴承的故障诊断，对于用脂润滑的轴承较困难。2023/9/226油膜电阻诊断技术（三）润滑良好的轴承，由于油膜的作用，内、外圈之间有很大的电阻。故通过测量轴承内、外圈的电阻，可对轴承的异常作出判断。特点：对不同的工况条件可使用同一评判标准。对表面剥落、压痕、裂纹等异常的诊断效果差。应用范围：适用于旋转轴外露的场合。2023/9/227光纤监测诊断技术（四）光纤监测是一种直接从轴承套圈表面提取信号的诊断技术。用光导纤维束制成的位移传感器包含有发射光纤束和接收光纤束。光线由发射光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙反射回来，由接收光纤束接收，经光电元件转换成电信号，通过对电信号的分析处理，可对轴承工况作出评估。特点：光纤位移传感器灵敏度高；直接从轴承表面提取信号，提高了信噪比；可直接反映滚动轴承的制造质量、表面磨损程度、载荷、润滑和间隙情况。应用范围：适用于可将传感器安装在轴承座内的机器。2023/9/228温度诊断技术（五）轴承若产生某种异常，轴承的温度会发生变化。因此，根据温度的变化，可以对轴承故障进行诊断，但对异常判断的能力很低。特点：诊断简单；对轴承烧伤判断效果较好。应用范围：适用于机器中轴承的简单常规诊断

.2023/9/229声发射诊断技术（六）金属材料由于内部晶格的位错、晶界滑移或者由于内部裂纹的发生和发展，均需要释放弹性波，这种现象称为声发射现象。滚动轴承产生剥落或裂纹时，会产生不同类型的声发射信号，据此可对轴承工况作出评估。特点：诊断快速、简便；可在线监测。应用范围：近几年来发展的新技术，在轴承工况监测中应用较少.2023/9/2210滚动轴承振动故障诊断技术滚动轴承是机器中最精密的部件，通常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靠，机器实际寿命会接近其设计寿命。然而，大多数情况都没有做到这些。因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。振动分析和磨损颗粒分析是很好的诊断方法。2023/9/2211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。应通过振动分析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。2023/9/2212滚动轴承振动的基本参数轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径和接触角。接触角的定义:指滚动体与滚道接触区中点处,滚动体载荷向量与轴承径向平面之间的夹角.按此定义支力轴承的接触角为0,止推轴承的接触角为902023/9/2213轴承扰动频率有四个与轴承相关的扰动频率：球过内圈频率（fi）、球过外圈频率（fc）、保持架频率（FT）和球的自旋频率（fb）。其中fi和fc的和等于滚珠/滚柱的数量。例如，如果fi等于3.2X，fc等于4.8X，那么滚珠/滚柱的数量必定是8。fb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。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。2023/9/2214轴承扰动频率的计算公式2023/9/2215轴承失效的九个阶段(第一阶段)在轴承失效的最初阶段，其频率范围大约在20KHz～60KHz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等超音波测量装置。在这个阶段，普通的频谱上不会出现任何显示。2023/9/2216轴承失效的九个阶段(第二阶段)由于轴承上的庇点增大，使它在轴承固有频率处发出铃叫声。同时固有频率周围还出现边频带。2023/9/2217轴承失效的九个阶段(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。2023/9/2218轴承失效的九个阶段(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。2023/9/2219轴承失效的九个阶段(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1X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1X——典型的FT大约等于0.4X。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。2023/9/2220轴承失效的九个阶段(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。2023/9/2221轴承失效的九个阶段(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。在靠近机器的地方，你还能听到轴承发出的噪声。在这个阶段，高频率的轴承测量值可能会逐渐减少。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！2023/9/2222轴承失效的九个阶段(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。2023/9/2223轴承失效的九个阶段(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！2023/9/2224滚动轴承诊断口诀内圈外圈滚动体，特征频率要牢记；确有轴承故障存，频率成分难再隐。先看频谱低频处，非同步的看有无；若有非同步成分，故障已可定三分；特征频率谐波存，对应故障无疑问；再看频谱高频处，调制存在故障明；外圈特征转频调，松动现象无疑问；内圈故障转频调，亦可作证据成分。特殊情况特殊看，诊断故障有分寸；单一频率若存在，是否轴承需辨认。高频也是很重要，早期故障高频分；低频没有高频有，时常跟踪要勤奋；损坏若是很严重，高频抬起有空洞；及时更换莫侥幸，时刻避免事故生。故障机理把握清，是是非非要分明；润滑状况常检测，调试装配莫放松；诊断轴承有诀窍，相信科学错不了。2023/9/2225滚动轴承的失效分析滚动轴承是重要的机械基础件之一，轴承的运行状况直接影响主机运行质量。通过轴承失效分析，可以直观地发现轴承损坏的因素，便于查找引起轴承失效的根本.滚动轴承的失效原因比较复杂，涉及到多方面的专业知识，需要对轴承的结构特性、加工方法、各个零件的加工工艺及设备有一定的了解。现在所涉及的只是常见失效形式，根据轴承的结构特性，结合轴承的使用工况，通过对轴承的安装、配合及调整的分析，对运行速度、温升，受力分析，包括对轴承使用过程中维护、保养的分析等，归纳总结出轴承早期失效过程和失效原因.2023/9/2226单一失效形式的多种因素一种失效的形式，往往有多种可能导致的因素。如：发热

.润滑不良

.游隙小

.转速过高

.干涉

.配合不当

.不对中等,必须根据现场的情况，对设备及轴承进行观察，然后作出判断。2023/9/2227擦伤—金属表面因滑动摩擦而产生的表面金属迁移现象。2023/9/2228擦伤形态特征—

在零件相互接触的表面上，沿滑动方向产生的机械摩擦损伤，有一定长度和深度。产生原因—轴向预紧力过大或轴承游隙过小，润滑不良或密封不良。2023/9/2229划伤—

硬性颗粒及硬物棱角在轴承表面滑动而产生的表面线状机械性损伤。形貌特征—呈线状、光亮、无方向性，有手感产生原因—粗鲁作业，润滑剂含杂质，密封不良。2023/9/2230点蚀—金属表面呈分散或群集状的细小坑点。2023/9/2231点蚀

形貌特征——产生于滚动接触面上，呈黑色针孔状凹坑，有一定深度，个别存在或密集分布。

产生原因——

润滑不良时，在滚动接触应力的循环作用下，金属亚表层夹杂物或炭化物形成应力集中，进而产生微观裂纹，并逐渐发展成凹坑状的微小剥离。润滑剂含杂质，密封不良.2023/9/2232磨耗——零件在摩擦作用下,金属表面材料被去除的现象。

2023/9/2233磨耗形貌特征——产生于滚动接触面上或引导面上，呈磨合状的浅沟槽，表面光亮。随着滚动接触表面的磨耗发展，轴承游隙增大。产生原因——细微颗粒物进入轴承或润滑不良，在滑动摩擦的作用下，零件接触处金属表面材料被磨掉。

2023/9/2234电蚀——电流通过轴承时，击穿油膜，产生高温，使金属表面局部熔融形成不规则凹坑或沟蚀。

2023/9/2235电蚀形貌特征——电蚀凹坑呈斑点状，有金属熔融现象，深处蓝黑色，呈火山喷口状；轴承运行中形成的电蚀沟蚀呈洗衣板状。产生原因——电流通过轴承（电击伤）。

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滚动体卡伤——轴承运行过程中，滚动体在异物或其他零件的作用下自转或公转受阻时，产生的磨损、裂损。

2023/9/2237滚动体卡伤形态特征——滚动体的工作表面与其他零件干涉所出现的磨损痕迹产生原因——游隙过大或有异物进入轴承使滚动体运转卡阻。2023/9/2238裂损——材料破坏性损伤。

2023/9/2239裂损形貌特征——裂损按损伤程度分为裂纹和缺损。裂纹——呈线状，无方向性，有一定长度和深度。缺损——零件有局部掉块。产生原因——由其他损伤诱发，如：轴承承受非正常冲击力，材料缺陷或材料疲劳，零件局部温升等。2023/9/2240腐蚀和锈蚀——金属表面与周围环境介质发生化学反应产生的表面损伤现象。

2023/9/2241腐蚀和锈蚀形貌特征——腐蚀按不同程度分为色斑、蚀刻和蚀坑。色斑——呈点状或条状，颜色呈浅灰色或红褐色，无深度。蚀刻——呈点状、条状或片状，颜色呈灰黑色，稍有手感。蚀坑——呈点状、条状或片状，颜色呈红褐色或黑色，手感明显。产生原因——密封不良，造成轴承中进入潮湿的空气或水、酸、碱类物质。

2023/9/2242热变色——由于温升造成金属表面产生氧化的现象。2023/9/2243热变色形态特征——零件受热部位呈现淡黄色、黄色、橙色、棕红色、紫兰色、蓝黑色。产生原因——润滑不良、润滑剂老化，安装配合不当，游隙小。2023/9/2244烧附——金属表面的热熔性材料粘着现象。2023/9/2245烧附形貌特征——在零件相互接触的表面上，金属表面粘附有被迁移的熔融性材料。产生原因——预紧力过大、轴承游隙过小，润滑不良，轴承高速运转产生温升，使滚动体受热膨胀后接触表面摩擦产生的急剧温升形成。2023/9/2246磕碰伤——轴承零件之间或与其他硬物之间相互碰撞产生的零件表面机械性损伤。2023/9/2247磕碰伤

形貌特征——呈半圆形或针叶形等形状规则的凹陷，边缘突起，手感明显。一般在严重的磕碰伤附近及其尖角处有微裂纹。产生原因——粗鲁作业使轴承外表面受到按一定角度施加的强力冲撞、敲击产生的凹陷痕迹。

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压痕——在强大挤压力作用下，金属表面产生的塑性凹陷。2023/9/2249压痕形貌特征——凹陷形状与挤压体的形状吻合，有深度，边沿材料凸起光滑。产生原因——在过载冲击力或过载压力的作用下，滚道面受滚动体挤压而产生的凹陷痕迹。轴承受到振动、颠簸，滚动体与滚道发生碰撞形成。2023/9/2250

配合面拉伤——轴承材料装配表面受到极大的摩擦力时产生的机械性损伤。2023/9/2251配合面拉伤形貌特征——伤痕与摩擦力方向一致，严重时有金属表面材料位移或表面附着物。产生原因——轴承安装或退卸时，装配倒角过渡不圆滑，过盈量大；可分离套圈在轴承合套时偏斜，滚道与滚子摩擦产生的机械性损伤。2023/9/2252辗皮——金属表面由于疲劳而发生的极薄的金属起皮现象。2023/9/2