滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要組成部分，同時(shí)也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最容易出現(xiàn)故障

的部件之一。它具有造價(jià)較低、潤(rùn)滑冷卻方便、運(yùn)行靈敏、使用效率較高、維修

便捷等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)應(yīng)用廣泛。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障率中有近

30%的故障是由于滾動(dòng)軸承發(fā)生故障而引起的，所以，對(duì)滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和

故障診斷進(jìn)行研究勢(shì)在必行。

監(jiān)測(cè)與診斷的目的和意義

滾動(dòng)軸承正常運(yùn)行與否，對(duì)于整機(jī)的可靠性、精度以及壽命等性能有很大的影

響。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障率中有近30%的故障是由于滾動(dòng)軸承發(fā)生故

障而引起的，在將故障診斷技術(shù)運(yùn)用到生產(chǎn)中以后，事故率降低近70%,同時(shí)降低

的維修費(fèi)用也有近4。%。

利用軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以了解軸承的使用性能，并對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行早期檢

測(cè)，分析和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障，進(jìn)一步提高設(shè)備的管理水平和維修效率，經(jīng)濟(jì)效益十

分顯著。

軸承故障診斷的發(fā)展歷程

軸承故隙診斷剛開始主要是依靠人工聽覺來診斷，再有就是利用探聽棒，這種

方法在許多企業(yè)中目前仍在使用，不過一些工具已經(jīng)被改進(jìn)到電子聽診器等。

例如，當(dāng)使用電子聽診器檢測(cè)軸承故障時(shí)，具有經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可以憑經(jīng)驗(yàn)診

斷軸承疲勞剝落，有時(shí)還可以診斷出損傷發(fā)生的位置，但由于其它的外部原因，這

種方法的可靠性有時(shí)會(huì)無法得到保證。

隨著科技的發(fā)展，越來越多的振動(dòng)儀器被運(yùn)用到滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作中。

這些儀器利用振動(dòng)位移、速度和加速度的均方根值（RMS）或峰值來判斷軸承是否

有故障。這些儀器減少了我們對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴，使得監(jiān)測(cè)和診斷的準(zhǔn)確性有了很大的

提高，但是在故障發(fā)生的初始階段仍然很難及時(shí)做出準(zhǔn)確的診斷。

瑞典公司在多年研究軸承故障機(jī)理的基礎(chǔ)上，于1466年發(fā)明了脈沖計(jì)檢測(cè)軸

承損傷的方法，很大程度上提高了滾動(dòng)軸承故障診斷工作的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。此后，

許多公司都安裝了大量的振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器來監(jiān)測(cè)軸承的長(zhǎng)期運(yùn)行，再有就是航天領(lǐng)

域也采用了這樣的監(jiān)測(cè)儀器。

工。7公-訂。年，公司研制了NB系列軸承監(jiān)測(cè)儀，利用軸承振動(dòng)信號(hào)的

1~15kHz范圍，測(cè)量了軸承故障的均方根和峰值。通過對(duì)低頻的濾波，提高了靈

敏度。

隨著滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻率分量與軸承

幾何尺寸和缺陷類型的關(guān)系有了深刻的認(rèn)識(shí)。滾動(dòng)體共振頻率、滾動(dòng)軸承振動(dòng)與缺

陷、非均勻尺寸與磨損的關(guān)系最具代表性。

目前，用于滾動(dòng)軸承故障診斷的信號(hào)分析儀種類繁多。根據(jù)滾動(dòng)軸承振動(dòng)波形

在時(shí)域上的分析，美國(guó)公司提出了"波尖能量"法，并彝明了與之匹配的檢測(cè)儀器，

極大推動(dòng)了軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展。

滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷有多種分析和處理技術(shù)，如頻率細(xì)化技術(shù)、倒譜技術(shù)、

包絡(luò)分析技術(shù)等。為了提高診斷靈敏度，在信號(hào)預(yù)處理中采用了相干濾波和自適應(yīng)濾波

等多種濾波技術(shù)。

滾動(dòng)軸承的主要失效形式

疲勞脫落

滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道在軸承區(qū)域輪流進(jìn)出。由于長(zhǎng)期載荷變化的影響，

疲勞裂紋首先產(chǎn)生于接觸面以下的最大交變剪應(yīng)力的地方，隨后疲勞裂紋會(huì)延伸到

接觸表面，在接觸表面會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)狀的剝落，運(yùn)行時(shí)間越來越長(zhǎng)，點(diǎn)狀剝落也會(huì)慢

慢的發(fā)展為更大的剝落，此種情況稱為疲勞剝落。疲勞剝落是滾動(dòng)軸承失效的最主

要原因，因此，軸承壽命通常是指軸承的疲勞壽命。

磨損

磨損的主要原因是滾珠與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及有異物進(jìn)入滾道而引起的表

面磨損。另外，潤(rùn)滑狀態(tài)不良也會(huì)使得軸承的磨損更加嚴(yán)重，最終使得軸承游隙超

過最大允許的游隙，使得其表面粗糙度增加從而降低了軸承的工作精度，軸承包因

此無法正常工作而發(fā)生故障。

膠合

在高速、重載的工況卜，軸承滾道與滾動(dòng)體接觸表面有輕微的凹凸不平或存在

異物顆粒，使得工作表面受到的力變得不均勻，由于摩擦接觸產(chǎn)生的熱變形和摩擦

表面可能是部分融化從而導(dǎo)致表面燒傷及膠合。

斷裂

當(dāng)軸承承受過大的載荷和振動(dòng)時(shí)，內(nèi)、外圈的缺陷位置將反復(fù)受到振動(dòng)體的沖

擊，缺陷符逐漸擴(kuò)展和斷裂。

銹蝕

潤(rùn)滑油中含有的水或空氣中的水分凝結(jié)在軸承上，會(huì)使得其表面發(fā)生銹蝕。當(dāng)

軸承內(nèi)部有較大的電流通過會(huì)造成電腐蝕，使得表面摩擦不均。

其他

另外,裝配和使用方式不正確可能會(huì)使保持架發(fā)生變形,保持架與滾動(dòng)體之間

的摩擦?xí)兇螅顾c滾動(dòng)體粘在一起，還有可能會(huì)使保持架與內(nèi)外圈之間的摩擦

變大。振動(dòng)和噪音進(jìn)一步變大，最終造成軸承損壞失效。

滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括振動(dòng)信號(hào)分析、軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)、溫度險(xiǎn)測(cè)

等。

1

振動(dòng)信號(hào)分析診斷法

在滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)診斷方法中使用最廣泛的一種方法就是振動(dòng)信號(hào)分析診斷法。

當(dāng)滾動(dòng)軸承表面部分受損時(shí)，軸承會(huì)產(chǎn)生周期性的寬帶脈沖激勵(lì)信號(hào)。滾動(dòng)軸承振

動(dòng)的頻譜結(jié)構(gòu)可分為三類：

（X）低頻譜（低于1kHz）,包括軸承的故障特征頻率和加工誤差引起的振動(dòng)

特征頻率。對(duì)于低頻段的頻段譜線進(jìn)行分析，可以診斷軸承的相應(yīng)故障。

（2）中頻譜（工?2OkHz）,軸承表面損傷而引起的軸承的固有振動(dòng)頻率。

一般是采用共振調(diào)節(jié)技術(shù)獲得高信噪比的振動(dòng)信號(hào).從而進(jìn)行軸承故障分析。

（3）高頻譜（超過20kHz）,是指軸承損壞造成的影響超過20kHz頻率能量分布，

主要包括信號(hào)包含超過201dlz高頻部分。高頻信號(hào)分析通常作為診斷初期軸承故障最常

用的一種方法。

2

軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷法

當(dāng)軸承滾動(dòng)表面的潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生變化，如從全液潤(rùn)滑過渡到干摩擦?xí)r，金屬間

的直接接觸時(shí)間會(huì)不斷漕加，軸承所受的沖量值也會(huì)相應(yīng)增加，油膜阻力隨之不斷

減小。因此，油膜電阻診斷法和油膜厚度法是監(jiān)測(cè)工作中常用的兩種方法。

3

溫度監(jiān)測(cè)診斷法

滾動(dòng)軸承作為一種旋轉(zhuǎn)部件，在工作時(shí)就會(huì)有熱量產(chǎn)生。當(dāng)軸承發(fā)生某種戰(zhàn)傷

時(shí)，軸承溫度會(huì)發(fā)生變化，因此，軸承溫度監(jiān)測(cè)方法可以用于診斷軸承的故障。但

是，當(dāng)軸承溫度出現(xiàn)明顯異常時(shí)，所發(fā)生的故障往往」經(jīng)達(dá)到非常嚴(yán)重的程度，所

以這種方法主要用于輔助監(jiān)測(cè)和診斷，確保重要設(shè)備不會(huì)發(fā)生報(bào)廢事故。

滾動(dòng)軸承的主要失效過程

第一階段：軸承失效的起始階段，其頻率范圍約為2。~60kHz或更高。此階

段可以采用各種電子儀器來采集這些頻率，比如沖擊脈沖、峰值能量和其他超音頻

測(cè)量?jī)x器。在此階段，將沒有關(guān)于普通光譜的指示。

第二階段：由于軸承上的庇點(diǎn)增大，使它在共振頻率處發(fā)出鈴叫聲。同時(shí)，該

頻率也被用作載波頻率調(diào)制的軸承故障頻率。

第三階段：出現(xiàn)軸承故障時(shí)的頻率，在初始階段只能觀察到頻率本身。隨著軸

承磨損進(jìn)一步加劇，故障頻率的峰值將會(huì)進(jìn)一步增大。通常波峰都是隨時(shí)間而線性

增加的。

第四階段：隨著故障的發(fā)展程度逐漸嚴(yán)重，故障頻率會(huì)產(chǎn)生諧波。這表明故障

頻率諧波的影響有時(shí)可能比基波峰值頻率更早被檢測(cè)。同時(shí)，脈沖將顯示在相應(yīng)的

時(shí)域波形中。

第五階段：故障發(fā)生的狀態(tài)進(jìn)一步加劇，軸承的損傷程度也會(huì)逐步加深，振動(dòng)

水平將繼續(xù)上升，更多的諧波也會(huì)隨之產(chǎn)生。時(shí)域波形的峰值將更加清晰和明顯.

甚至可以通過測(cè)量峰值之間的時(shí)間間隔來計(jì)算故障頻率。高頻軸承檢測(cè)（如峰值能

量和沖擊脈沖）的趨勢(shì)都是在不斷上升的。

第六階段：由于磨,員引起的間隙變大，1倍頻的振幅也會(huì)增加，也會(huì)產(chǎn)生1倍

頻的諧波。

第七階段：此階段故障頻率和邊帶形成山峰狀，通常被稱為"干草堆"峰，這是

由于寬帶噪聲所致。此時(shí)，軸承發(fā)出的噪音會(huì)高于之前，在此階段，高頻軸承測(cè)量

值會(huì)慢慢的變少，雖然測(cè)量出振幅會(huì)有下降的變化.但應(yīng)盡快更換新的軸承。

第八階段：頻譜中的“干草堆”將繼續(xù)擴(kuò)大，諧波會(huì)隨著松動(dòng)的增加而逐漸變大,

高頻軸承測(cè)量值可能會(huì)繼續(xù)卜.降，但此時(shí)，噪音的分貝值正在上升，在一定距離內(nèi)

都可以很清楚地聽到軸承發(fā)出的噪音，此時(shí)軸承已經(jīng)接近完全損壞報(bào)廢。

第九階段：經(jīng)過此階段后，譜線變成了一條直線，機(jī)器將無法正常工作。

滾動(dòng)軸承的故障頻率計(jì)算

滾動(dòng)軸承主要有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、保持架四部分組成。

圖示滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有：

軸承節(jié)徑D：軸承滾動(dòng)體中心所在的圓的直徑滾動(dòng)體直徑d：滾動(dòng)體的平均直徑內(nèi)

圈滾道半徑口：內(nèi)圈滾道的半徑外圈滾道半徑r2：外圈滾道的半徑滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z：滾珠

或滾珠的數(shù)目接觸角a：滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角

滾動(dòng)軸承的特征頻率：

為更好地分析軸承的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提出以下假設(shè):

(1)滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng)；(2)內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為fi；(3)承受徑向、

軸向載荷時(shí)各部分無變形；

(4)外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率為缶。

那么故障頻率分別為：

內(nèi)圈：BPF/=S/2)?[l+(d/D)cos〃J?f。

外圈：BPFO=(八/2)?[l-?/D)cos〃J?f。

滾動(dòng)體：BSF=(D/2d)?口-[?/D)cos<n論

保持架：FTF=(l/2)?[l-(d/D)cosa]?fb

當(dāng)軸承的幾何尺寸不易測(cè)量時(shí)，在知道滾珠數(shù)量的時(shí)候，我們可以運(yùn)用下列公

式來估計(jì)軸承的失效頻率：

內(nèi)圈：BPF仁[M/2)+1.2j?fo

外圈：BPFO=[”2)T.2j?fi>

滾動(dòng)體：3SF=O/2)?[(>/2)-(，2/八)J?fo

保持架：FTF=[(1/2)-(工.2/八)]論

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特征分析方法

1特征參數(shù)分析法

特征參數(shù)分析法在滾動(dòng)軸承振動(dòng)特性分析中起著重要的作用。特征參數(shù)分析法

只需幾個(gè)指標(biāo)就能分析出軸承的運(yùn)行狀態(tài)，因此使用方便，分析結(jié)果簡(jiǎn)單，此外還

有對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行分析無需歷史記錄的優(yōu)點(diǎn)。

滾動(dòng)軸承特性參數(shù)分析與診斷中常用的參數(shù)包括RMS、峰值等各種時(shí)域特性參

數(shù)和重心頻率等頻域參數(shù)。時(shí)域和頻域參數(shù)主要用于一些最基本的診斷，使用其中

之一的參數(shù)分析有時(shí)會(huì)得不到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。因此，在實(shí)踐中應(yīng)該進(jìn)行合理的利

用，以獲得良好的效果。

2頻譜分析法

特征參數(shù)可用于軸承故障的初步診斷，但診斷出故障后，應(yīng)通過頻譜分析法對(duì)

故障進(jìn)行詳細(xì)的分析:滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率由低頻分量和高頻分量組成。每個(gè)故障

都有特定的頻率分量與之相對(duì)應(yīng)，需要通過信號(hào)處理方法分離出其頻率，用來判