關于軸承振動特征分析滾動軸承故障

滾動軸承是機器中最精密的部件,公差是其余部件的十分之一。由于各種原因，只有10％到20％的軸承能達到它們的設計壽命第2頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承類型

深槽球軸承針軸承角接觸球軸承圓柱滾子軸承球面滾子軸承圓錐滾子軸承第3頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承為什么會過早損壞？主要因素之一是過大的動載荷即振動。理論計算滾珠軸承壽命公式，表明為什么作用在軸承上的動載減少軸承的壽命：

轉速愈高，預期的壽命愈短。理論的軸承壽命隨軸承承受的的負載的三次方變化。如果設計者只考慮軸承的靜載和如皮帶拉伸等其他部件靜載，則軸承的理論計算壽命會大打折扣。第4頁,共70頁，2024年2月25日，星期天縮短滾動軸承壽命的因素例：重量為2000磅(908公斤)的轉子，轉速為6000轉/分，在直徑為3英尺（半徑為18英寸=457.2毫米）處的轉子上存在一個1盎司(28．35克)的不平衡質量。此不平衡質量產生的離心力計算：第5頁,共70頁，2024年2月25日，星期天其它縮短滾動軸承壽命的因素轉子不只承受不平衡，還承受不對中、松動、氣蝕或其它故障引起的動載荷，軸承的實際壽命可能還要短。其它因素：潤滑不當，錯誤潤滑劑，灰塵和其它污染物污染，儲存不當，潮氣，運輸或使用時嗑碰、刮傷，錯用軸承型號，軸承安裝不當等。最重要的對策是監測滾動軸承的狀態，早期發現軸承故障，跟蹤其發展趨勢，并知道何時需更換軸承；正確地采集軸承振動特征信號；分析其振動特征信號，故障診斷；利用高頻包絡解調信號處理技術，更有效地監測出軸承故障。

選擇合適的監測參數如振動速度、沖擊脈沖、解調譜等。第6頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決過負荷引起過早疲勞，（包括過緊配合，布氏硬度凹痕和預負荷）減少負荷或重新設計過熱征兆是滾道，球和保持架變色，金色變為藍色溫度超過400F(204℃)使滾道和滾動體材料退火硬度降低導致軸承承重降低和早期失效嚴重情況下引起變形，另外溫升高會降低和破壞潤滑性能第7頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決布氏硬度凹痕當負荷超過滾道的彈性極限時產生滾道上的凹痕增加振動（噪聲）任何靜態過負荷和嚴重沖擊產生布氏凹痕偽布式凹痕在每個滾珠位置產生的橢圓形磨損凹痕，光滑，有明顯邊界，周圍有磨削表明嚴重的外部振動隔振和使用抗摩添加劑第8頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決正常疲勞失效疲勞失效指滾道和滾動體上發生龜裂，并隨之產生材料碎片剝落這種疲勞為逐漸發生，一旦開始則迅速擴展，并伴隨明顯的振動增加更換軸承，和設計有更長疲勞壽命的軸承第9頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決反向載荷角接觸軸承的設計只接受一個方向的軸向載荷當方向相反時，外圈的橢圓接觸區域被削平…結果是應力增加，溫度升高，并產生振動增大和軸承早期失效第10頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決污染污染是軸承失效的主要原因之一污染的征兆是在滾道和滾動體表面有點痕，導致振動加大和磨損清潔環境，工具，規范操作。新軸承的儲運。潤滑油失效滾道和滾子的變色（藍、棕）是潤滑失效的征兆，隨之產生滾道、滾子和保持架磨損，導致過熱和嚴重故障。滾動軸承的正常運行取決于各部件間存在良好油膜失效常常由潤滑不足和過熱引起第11頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決腐蝕其征兆是在滾道、滾子、保持架或其他位置出現紅棕色區域原因是軸承接觸腐蝕性流體和氣體嚴重情況下，腐蝕引起軸承早期疲勞失效除掉腐蝕流體，盡可能使用整體密封軸承第12頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障原因及其解決不對中征兆是滾珠在滾道上產生的磨痕與滾道邊緣不平行如果不對中超過0.001in/in，會產生軸承和軸承座異常溫升，和保持架球磨損配合松動配合松動導致配合部件的相對運動，如果這個相對運動輕微但不間斷，則產生磨損這種磨損產生顆粒，并氧化成特殊的棕色。這導致研磨和松動加大。如果松動增大到內圈或外圈的顯著運動，安裝表面（孔徑，外徑和側面）將磨損和發熱，引起噪聲和晃動。第13頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障的振動特征滾動軸承一旦產生故障，可能會產生四種類型頻率的振動隨機的超聲頻率；軸承零部件的自振頻率；軸承故障特征頻率；軸承故障的和頻及差頻。隨機的超聲頻率振動滾動軸承初始故障時產生的振動，從滾動軸承安裝在設備上直到它們剛發生故障之前，發生的頻率范圍從約5000Hz到60000Hz超聲頻率范圍。包括振動尖峰能量(SpikeEneey)，高頻加速度(HFD)，沖擊脈沖(ShockPules)及其他。通常，以總量值評定軸承的狀態，其頻譜數據信息更豐富。第14頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承振動尖峰能量(gSE)報警值。第15頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承零部件的自振頻率 安裝在機器上的滾動軸承自振頻率范圍約為500到2000Hz之間。自振頻率與轉速無關，無論軸的轉速高低它都處在一個相同的頻率位置。軸承故障特征頻率滾動軸承故障特征頻率就是軸承故障產生的振動頻率。BPFO–外圈故障特征頻率BPFI–內圈故障特征頻率BSF–滾動體故障特征頻率FTF

－保持架故障特征頻率滾動軸承故障的振動特征第16頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承的故障頻率與其他故障頻率不同；軸承故障頻率是轉速頻率的非整數倍；內外環故障頻率的和頻=“軸承滾動體通過頻率”（滾動體個數×RPM）軸承內環故障頻率往往伴有1X轉速頻率的邊帶軸承故障特征頻率的特點第17頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承外環故障頻率的幅值高于軸承內環故障頻率的幅值；軸承故障一般在發展到滾動體和保持架出現故障之前首先出現的是內環或外環故障頻率；軸承保持架故障頻率(FTF)通常不是以其基頻出現；當滾動體本身出現故障時，往往會產生不僅滾動體故障頻率(BSF)，還有保持架故障頻率(FTF)；軸承保持架斷裂時，可能出現滾動體旋轉故障頻率；一個以上滾動體有故障時，將產生有故障的滾動體數目×滾動體故障特征頻率的頻率。如果5個滾珠或滾柱上有故障，往往將出現5×BSF的頻率。軸承故障頻率允許的振動幅值不能絕對限定。它不僅與具體機器、轉速有關，還與軸承故障頻率傳遞的通路有很大關系。指示軸承損壞的最明顯的標志就是存在軸承故障頻率的諧波頻率，尤其是這些頻率伴有1×轉速頻率或軸承其它故障頻率邊帶，應盡快更換該軸承。軸承故障特征頻率的特點第18頁,共70頁，2024年2月25日，星期天12.評定的低速機器的軸承狀態:

評定尤其是低于100轉／分轉速的機器軸承狀態時，推薦采集時域波形和(FFT)頻譜二者。當轉速很低時，滾動體滾動通過軸承內外環上缺陷時發生的脈沖沒有足夠能量產生清楚的，可以檢測出來的FFT譜中的頻率，但是在時域波形中仍然可能清楚的看出來。軸承故障特征頻率的特點第19頁,共70頁，2024年2月25日，星期天13.振動傳感器置于盡可能靠近軸承的承載區，尤其是軸承僅支承徑向負載時。14.不合適的軸承負載和安裝問題 若軸承負載不合適或安裝不恰當，例如，安裝新軸承時，如果軸承與軸承座過盈配合過緊，使軸承“咔入”軸承座中，導致軸承內部間隙發生變化，使滾動體強制被壓向軸承的內外環。出現這種情況，軸承在起動時立即產生軸承外環和內環的故障頻率。由于安裝不當對軸承施加了過大負荷。雖然，可能尚未發生實際損壞，但是，如果檢測不出這種故障問題并采取措施修正，則該軸承將在其預定壽命之前很早就損壞。15.軸承潤滑不良產生的頻率特征是在900到1600Hz范圍內，有3或4個尖峰，尖峰之間的差頻在80到130Hz。潤滑良好的軸承可能也包括這些頻率分量，然而，它們的幅值非常小，約為1.27mm/s或更小。當潤滑不良時，幅值增大到2.54到5.08mm/s軸承故障特征頻率的特點第20頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障特征頻率BPFO- BallPassFrequencyOuterRaceBPFI- BallPassFrequencyInnerRaceBSF- BallSpinFrequencyFTF- CageFrequencyorFundamentalTrainFrequency第21頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障頻率計算(1)保持架故障頻率：

FTF=(1/2){No［1+（d/D）Cosφ]+Ni［1-（d/D）Cosφ]}滾動體旋轉故障頻率：

BSF=(1/2)(D/d)|No-Ni|{[1-(d/D)Cosφ]2}外環故障頻率：

BPFO=(1/2)n|No-Ni|[1-(d/D)Cosφ]

內環故障頻率：

BPFI=(1/2)n|Ni-No|[1+(d/D)Cosφ］

d=滾動體直徑；D=滾動軸承平均直徑(滾動體中心處直徑)；φ=徑向方向接觸角；n=滾動體數目；No=軸承外環角速度；Ni=軸承內環角速度(=軸轉速).注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環和軸承內環都旋轉.第22頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障頻率計算(2)保持架故障頻率：

FTF=(N/2)［1-（d/D）Cosφ]滾動體旋轉故障頻率：

BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cosφ］2}外環故障頻率：

BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ]內環故障頻率：

BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ］

d=滾動體直徑；

D=滾動軸承平均直徑(滾動體中心處直徑)；

φ=徑向方向接觸角；n=滾動體數目；N=軸的轉速。注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環固定不旋轉.第23頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

滾動軸承故障頻率計算(3)外環故障頻率：BPFOr≌0.4Nn內環故障頻率：BPFIr≌0.6Nn保持架故障頻率：FTFr≌0.4N

n=滾動體數目；N=軸的轉速。注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環固定不旋轉.經驗公式第24頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障頻率計算(4)外環故障頻率：

BPFOe≌N(0.5n-1.2)內環故障頻率：BPFIe≌N(0.5n+1.2)滾動體故障頻率：

BSFe≌N(0.2n-1.2/n)保持架故障頻率：FTFe≌N(0.5-1.2/n)

n=滾動體數目；N=軸的轉速。注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環固定不旋轉估算公式第25頁,共70頁，2024年2月25日，星期天滾動軸承故障頻率計算例第26頁,共70頁，2024年2月25日，星期天典型的軸承故障發展過程潤滑分析感官振動分析聲發射檢測第27頁,共70頁，2024年2月25日，星期天典型的軸承故障發展過程軸承故障劣化發展不是按線性規律，而是按指數規律變化

通常約百分之八十至九十的軸承壽命12341X234階段軸承剩余壽命的10-20%階段軸承剩余壽命的5-10%階段軸承剩余壽命的1-5%階段一小時至軸承剩余壽命的1%災難性破壞累積的損傷時間第28頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障發展的四個階段I.初始階段噪聲正常溫度正常可以用超聲，振動尖峰能量，聲發射測量出來，軸承外環有缺陷振動總量比較小，無離散的軸承故障頻率尖峰剩余壽命大于10％II.第二階段噪聲略增大溫度正常超聲，聲發射，振動尖峰能量有大的增加，軸承外環有缺陷，振動總量略增大(振動加速度總量和振動速度總量)對數刻度頻譜上可清楚看到軸承故障頻率，線性刻度頻譜上難得看到，噪聲地平明顯提高剩余壽命5％第29頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承故障發展的四個階段III.第三階段可聽到噪聲溫度略升高非常高的超聲，聲發射，振動尖峰能量，軸承外環有故障振動加速度總量和振動速度總量有大的增加

在線性刻度的頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波和邊帶振動頻譜噪聲地平明顯提高剩余壽命小于1％IV．第四階段噪聲的強度改變溫度明顯升高超聲，聲發射，振動尖峰能量迅速增大，隨后逐漸減小，軸承外環處在損壞之前故障狀態振動速度總量和振動位移總量明顯增大，振動加速度總量減小

較低的軸承故障頻率占優勢的振動尖峰，振動頻譜中噪聲地平非常高剩余壽命小于0.2％第30頁,共70頁，2024年2月25日，星期天Stage1Stage2Stage3Stage4noapparentchangeontypicalvelocityspectrumdefect’sharmonicfrequenciesappeardefect’sfundamentalfrequenciesalsoappearandmayexhibitsidebandsdefect’sharmonicfrequenciesdevelopmultiplesidebands(haystack),fundamentalfreqs.growandalsodevelopsidebandsdefect’s“fund.”frequencyrangedefect’s“harmonic”frequencyrange軸承故障四個階段的頻譜第31頁,共70頁，2024年2月25日，星期天包絡（解調）頻譜球/滾動體撞擊缺陷產生“沖擊波”.軸承“像一個鈡響”(共鳴).

解調頻譜信號處理過程第32頁,共70頁，2024年2月25日，星期天解調譜與常規頻譜振動解調可以在滾動軸承故障發展的初始階段檢測到故障信息，并且可跟蹤軸承故障發展，在第二，三和第四階段中以不同的信息反映軸承不同的故障狀態。同時采用振動速度或振動加速度檢測常規振動頻譜可以在滾動軸承故障發展的第三階段有效地檢測到軸承的故障頻率(內環故障BPFI，外環故障BPFO，滾動體故障BSF和保持架故障FTF)等。振動解調和振動速度或振動加速度相結合可以有效地早期檢測滾動軸承的故障。第33頁,共70頁，2024年2月25日，星期天解調譜/常規譜結合用于軸承故障監測解調頻譜作為一個早期指示故障的測量參數檢查常規頻譜和解調頻譜：都沒有故障頻率，狀態良好，作為基線繼續監測只在解調頻譜存在故障頻率，早期故障指示，或需要潤滑在兩種頻譜中都存在譜峰值，計劃下一次維修更換軸承只在常規頻譜中存在峰值，同時在解調頻譜中噪聲水平升高，立即更換第34頁,共70頁，2024年2月25日，星期天用振動頻譜沒有檢測出

第一階段軸承故障

用振動解調譜檢測出

第一階段軸承故障第35頁,共70頁，2024年2月25日，星期天速度譜解調譜軸承外圈故障第36頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

軸承外圈有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承外圈缺陷頻率BPFO及其高次諧波，如果外圈轉動的軸承，可能出現其轉速頻率的邊頻。軸承外圈故障的解調頻譜特點軸承外圈缺陷軸承外圈缺陷解調譜第37頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

軸承內圈有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承內圈缺陷頻率BPFI及其高次諧波，對內圈轉動的軸承，可能出現其轉速頻率的邊頻。軸承內圈故障的解調頻譜特點軸承內圈缺陷軸承內圈缺陷解調譜

調制的原因：當內圈出現故障時，如果它位于加載區域時，產生的沖擊會更加劇烈，從而產生更高的振幅。當內圈故障位置移出加載區后，其振幅又會降低，并在軸承頂部達到最小值。在這種情況下內圈的故障頻率被（內圈的）旋轉頻率所調制，可以在頻譜中看到1X邊頻帶出現。第38頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承內圈故障的解調頻譜舉例第39頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

軸承滾動體有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承滾動體缺陷頻率BSF及其高次諧波，以及出現轉速頻率的邊頻；此外，由于滾動體對外圈的碰撞強于對內圈的碰撞，在解調譜上還會存在BSF的半諧波。軸承滾動體故障的解調頻譜特點軸承滾動體缺陷軸承滾動體缺陷解調譜

如果滾珠故障也會產生調制。當滾珠運轉在載荷區會產生比運轉在非載荷區更強烈的沖擊。越接近載荷區，振幅越高。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動。該頻率低于1X，大約等于0.4X。第40頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

軸承保持架有缺陷時，在解調頻譜上可見軸承保持架缺陷頻率FIF及其高次諧波；此外，由于軸承潤滑不良也會引起保持架與滾動體的直接接觸而出現保持架缺陷頻率。軸承保持架故障的解調頻譜特點軸承保持架缺陷軸承保持架缺陷解調譜第41頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效的九個階段：第I

階段頻率范圍在20KHz～60KHz之間或更高普通的頻譜上不會出現任何指示峰值能量、HFD、沖擊脈沖、SEE等超音頻測量儀器第42頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第II階段在共振（固有）頻率處發出鈴叫聲。共振頻率還作為載波頻率調制軸承的故障頻率。

第43頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第III階段出現軸承故障頻率當軸承磨損進一步加劇，峰值將隨著時間線性增加第44頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第IV階段故障頻率將產生諧波，這表明發生了一定程度的沖擊故障頻率的諧波有時會比基頻峰更早被發現同時，時域波形中也會出現沖擊脈沖顯示第45頁,共70頁，2024年2月25日，星期天

建議結合對數坐標進行分析，及時發現軸承故障的早期顯示。使用加速度傳感器，不要進行積分。加速度能突出信號中的高頻成分第46頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第V階段出現更多軸承故障諧波，由于故障自身的性質，還會出現邊頻帶時域波形上的尖峰波將更加清晰和明顯高頻率軸承檢測，如峰值能量和沖擊脈沖趨勢持續上升能夠從頻譜中看到諧波，特別是邊帶后，軸承磨損就已經能夠用肉眼觀察到了第47頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第VI階段1X幅值增大，并出現1X的諧波，這是由于磨損引起間隙增大的結果第48頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第VII階段故障頻率及其邊頻帶變成峰丘狀，經常被叫作“干草堆”。還能聽到軸承發出的噪聲。高頻率的軸承測量值可能會逐漸減少。如果有下降趨勢，不要以為是出現好轉，而應該盡快去定購用來更換的軸承了！第49頁,共70頁，2024年2月25日，星期天軸承失效第VIII階段頻譜中的“干草堆”將繼續擴大，諧波隨著松動的增加而增大。高頻率軸承測量值趨勢可能會繼續降低，重要的是整個噪聲水平都在上升。能清晰的聽到軸承發出的