滾動(dòng)軸承故障診斷分析章節(jié)

滾動(dòng)軸承故障診斷滾動(dòng)軸承是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械零件質(zhì)疑，同時(shí)，它也是機(jī)器中最容易損壞的元件之一。許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約有30%的機(jī)械故障都是由于軸承而引起的?？梢?jiàn)，軸承的好壞對(duì)機(jī)器工作狀態(tài)影響極大。通常，由于軸承的缺陷會(huì)導(dǎo)致機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至?xí)饳C(jī)器的損壞。而在精密機(jī)械中（如精密機(jī)床主軸、陀螺等），對(duì)軸承的要求就更高，哪怕是在軸承上有微米級(jí)的缺陷，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)的精度遭到破壞。最早使用的軸承診斷方法是將聽音棒接觸軸承部位，依靠聽覺(jué)來(lái)判斷軸承有無(wú)故障。這種方法至今仍在使用，不過(guò)已經(jīng)逐步使用電子聽診器來(lái)替代聽音棒以提高靈敏度。后來(lái)逐步采用各式測(cè)振儀器、儀表并利用位移、速度或加速度的均方根值或峰峰值來(lái)判斷軸承有無(wú)故障。這可以減少對(duì)設(shè)備檢修人員的經(jīng)驗(yàn)的依賴，但仍然很難發(fā)現(xiàn)早期故障。隨著對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深化研究，對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)中頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類型的關(guān)系有了比較清楚的了解，F(xiàn)FT級(jí)數(shù)的發(fā)展也使得利用頻率域分析和檢測(cè)軸承故障成為一種有效的途徑。也是目前滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)診斷的基礎(chǔ)。從發(fā)展的歷程看，滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)診斷技術(shù)大致經(jīng)歷了以下階段：1961年，W.F.Stokey完成了軸承圈自由共振頻率公式的推導(dǎo)，并發(fā)表；1964年，O.G.Gustafsson研究了滾動(dòng)軸承振動(dòng)和缺陷、尺寸不均勻及磨損之間的關(guān)系，這與目前診斷滾動(dòng)軸承故障的方法是基本一致的；1969年，H.L.Balderston根據(jù)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)分析得出了滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在內(nèi)外滾道上的通過(guò)頻率和滾動(dòng)體及保持架的旋轉(zhuǎn)頻率的計(jì)算公式。至此，有關(guān)滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)診斷的理論體系已經(jīng)基本完成；1976年，日本新日鐵株式會(huì)社研制了MCV-021A機(jī)器檢測(cè)儀，其方法是通過(guò)檢測(cè)低頻、中頻和高頻段軸承的信號(hào)特征來(lái)判斷軸承的工作狀態(tài)；1976?1983年之間，日本精工公司也積極在滾動(dòng)軸承檢測(cè)儀器方面做工作，相繼推出了NB系列軸承檢測(cè)儀，利用1?15kHz范圍內(nèi)的軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值（rms）和峰峰值（p—p）來(lái)診斷軸承的故障；1980年代至今，以改良頻率分析的方法來(lái)精密診斷滾動(dòng)軸承的故障、確定故障位置，一直是精密診斷采取的必備方法，其中包括細(xì)化譜分析、倒頻譜分析、共振解調(diào)技術(shù)、包絡(luò)分析技術(shù)等。在檢測(cè)用傳感器技術(shù)方面，除了加速度傳感器外，還發(fā)展了紅外、聲發(fā)射、接觸電阻、滾動(dòng)軸承專用檢測(cè)傳感器（如美國(guó)本特利公司的REBAM），其目的都是盡量提高故障信號(hào)的靈敏度和信號(hào)的直接感知程度。從滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，解決滾動(dòng)軸承故障診斷的基本方法主要有：1、傳感器技術(shù)；2、合理的濾波技術(shù)；3、與傳統(tǒng)FFT技術(shù)的結(jié)合。本章介紹的方法仍以振動(dòng)分析方法為主。10.1滾動(dòng)軸承的主要故障形式疲勞剝落滾動(dòng)軸承工作時(shí)，滾道和滾動(dòng)體表面既承受載荷又相對(duì)滾動(dòng)，由于交變載荷的作用，首先在表面一定深度處（最大剪應(yīng)力處）形成裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表層發(fā)生剝落坑，最后發(fā)展到大片剝落，這種現(xiàn)象就叫疲勞剝落。疲勞剝落會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊載荷，使振動(dòng)和噪聲加劇。在正常工作條件下，疲勞剝落往往是滾動(dòng)軸承壽命的主要原因。我們習(xí)慣上所說(shuō)的軸承壽命就是指軸承疲勞壽命。我們可以將滾動(dòng)軸承的疲勞剝落過(guò)程總結(jié)如下表：運(yùn)動(dòng)形態(tài)原因發(fā)展歷程響應(yīng)特性滾道和滾動(dòng)體相對(duì)滾動(dòng)，承受載荷交變載荷表面一定深度下（最大剪應(yīng)力處）形成裂紋——接觸表層剝落坑大片剝落振動(dòng)、噪聲加劇2.磨損由于滾道和滾動(dòng)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（包括滾動(dòng)和滑動(dòng)）和塵埃異物的侵入等都會(huì)引起表面磨損，而當(dāng)潤(rùn)滑不良時(shí)更是加劇了表面磨損。磨損的結(jié)果使軸承游隙增大，表面粗糙度增加，從而降低了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，因而也降低了機(jī)器的整體運(yùn)動(dòng)精度，振動(dòng)及噪聲也隨之增大。對(duì)于精密機(jī)械中所使用的軸承，往往就是因?yàn)槟p量限制了軸承的壽命。此外還有一種所謂的微振磨損。當(dāng)軸承本身不旋轉(zhuǎn)而手到振動(dòng)時(shí)，由于滾動(dòng)體和滾道接觸面間有微小的、往復(fù)的相對(duì)滑動(dòng)，因而導(dǎo)致微振磨損產(chǎn)生，其結(jié)果在滾道上形成波紋狀的磨痕。運(yùn)動(dòng)形態(tài)原因發(fā)展歷程響應(yīng)特性滾道和滾動(dòng)體相對(duì)滾動(dòng)與滑動(dòng)滑動(dòng)、異物侵入磨損——游隙增大精度降低振動(dòng)、噪聲加劇3.塑性變形在工作負(fù)荷過(guò)重的情況下，軸承受到過(guò)大的沖擊載荷或靜載荷，或者因?yàn)闊嶙冃我痤~外的載荷，或者當(dāng)有高硬度的異物侵入時(shí)，都會(huì)在滾道表面上形成凹痕或劃痕。這將使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。而且，一旦產(chǎn)生上述凹痕，由此所引起的沖擊載荷可能還會(huì)進(jìn)一步引起附近表面的剝落。腐蝕腐蝕也是滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)故障之一。當(dāng)水分直接侵入軸承時(shí)就會(huì)引起軸承腐蝕，另一方面，當(dāng)軸承停止工作時(shí)，軸承溫度下降達(dá)到露點(diǎn)，空氣中的水分凝結(jié)成水滴吸附在軸承的表面上也會(huì)引起腐蝕。此外，當(dāng)軸承內(nèi)部有電流通過(guò)時(shí)，在滾道和滾動(dòng)體之間的接觸點(diǎn)處，電流通過(guò)很薄的油膜引起火花，使表面局部熔融，在表面上形成波紋狀的凹凸不平。高精度的軸承往往由于表面腐蝕，喪失精度而不能繼續(xù)工作。斷裂當(dāng)載荷超過(guò)軸承滾道或滾動(dòng)體的強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)引起軸承零件的破裂。此外，由于磨削加工、熱處理或裝配時(shí)引起的殘余應(yīng)力、工作時(shí)的熱應(yīng)力過(guò)大等都有可能造成軸承零件的斷裂。膠合所謂膠合是指一個(gè)表面上的金屬粘附到另一表面上的現(xiàn)象。在潤(rùn)滑不良，重載高速的情況下，由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，從而導(dǎo)致表面燒傷及膠合。保持架損壞通常，由于裝配或使用不當(dāng)而引起保持架發(fā)生變形，從而就可能增加保持架與滾動(dòng)體之間的摩擦，甚至使某些滾動(dòng)體卡死而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，或者由于保持架與內(nèi)外滾道發(fā)生摩擦等均可能引發(fā)保持架損壞，導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲與發(fā)熱增加。10.2滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的特征滾動(dòng)軸承的振動(dòng)可以是由于外部的振源所引起，也可以是由于軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及缺陷引起。原則上，可以分為與軸承的彈性有關(guān)的振動(dòng)和與軸承滾動(dòng)表面狀況有關(guān)的振動(dòng)兩種類型。前者無(wú)論軸承正常與否，都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，在一定程度上代表了振動(dòng)系統(tǒng)傳遞特性，而后者則反映了軸承的損壞狀況。此外，在滾動(dòng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中還可能存在由于潤(rùn)滑劑而產(chǎn)生的流體動(dòng)力振動(dòng)和噪聲。

1.軸承零件的振動(dòng)固有頻率（1）軸承圈在自由狀態(tài)下徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率（Hz）為：f=房告式中：k——軸承圈固有振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)術(shù)（共振階數(shù)為k—1）,k=2,3,E彈性模量，鋼材為2.1X104（kg/mm2）；I——軸承圈橫截面的慣性矩（mm2）；p材料密度，鋼材為7,87X10-6（kg/mm2）；A軸承圈截面積，A^bXh（mm2）D——軸承圈橫截面中性軸直徑（mm）g重力加速度，9800（mm/s2）對(duì)于鋼材，代入上述諸常數(shù)，則有：hk（k2-1）f=0.94x105x一x—_（Hz）RD睥+1(0.1)(0.2)這里的h是什么？？(0.1)(0.2)hn（n2一1）另有公式f=9.4x105x廠x^^^^，h：厚度，b：滾柱直徑，該公式驗(yàn)證過(guò)。nb2<n2+1圖10.1計(jì)算軸承圈徑向彎曲振動(dòng)固有頻率而采用的橫截面簡(jiǎn)化圖。圖10.2是當(dāng)k=2和3時(shí)軸承圈徑向彎曲振動(dòng)的振型。利用式（10.1）計(jì)算所得的頻率是軸承圈在自由狀態(tài)下的固有頻率，當(dāng)軸承安裝到機(jī)器中后，由于受到鄰近結(jié)構(gòu)零件的影響，此頻率將有所變化。（圖10.1滾動(dòng)軸承圈橫截面簡(jiǎn)化圖）（圖10.2滾動(dòng)軸承圈徑向彎曲振動(dòng)）例如，6025軸承內(nèi)圈的彎曲固有頻率為：k2345fC(kHz)3.9411.1421.3634.54（2）鋼球的固有頻率(0.3)「0.424Eg(0.3)f=bcR\2p式中：R代表鋼球半徑，其余項(xiàng)意義見(jiàn)上。例如對(duì)于R=5/32口寸的鋼球，其固有頻率為fbc=386.5kHz。滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)在這里我們以向心推力滾動(dòng)軸承為例來(lái)分析滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)。向心推力滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)如圖10.3所示，其中（b）是球軸承的軸向剖面圖，（c）是滾柱軸承的軸向剖面圖。

（圖10.3向心推力滾動(dòng)軸承圖）（1）不承受軸向力時(shí)的特征頻率首先假設(shè)滾動(dòng)體裝入保持架后在內(nèi)外滾道之間呈均勻分布，且同時(shí)與內(nèi)外滾道相接觸，工作時(shí)無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。如圖10.4給出了滾動(dòng)（球）軸承不承受軸向力時(shí)的剖面結(jié)構(gòu)圖。（圖10.4滾動(dòng)（球）軸承不受軸向力時(shí)的剖面圖）如圖10.4所示，滾動(dòng)體繞O點(diǎn)作定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，它與內(nèi)圈在A點(diǎn)接觸，與外圈在B點(diǎn)建造出，滾動(dòng)體的中心點(diǎn)為。點(diǎn)。定義，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率為&在A點(diǎn)的切線速度為匕，外圈旋轉(zhuǎn)頻率為九，在B點(diǎn)的切線速度為V。，保持架旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率）為羅在C點(diǎn)的切線速度為*，，軸承節(jié)徑（滾動(dòng)體中心所在圓）為。，滾動(dòng)體直徑為以因此，內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度（A點(diǎn)的切線速度）V為：1(0.4)外圈的旋轉(zhuǎn)速度（B點(diǎn)的切線速度）V。為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"匕=2兀rf=R（D+d）f（0.5）因而，公轉(zhuǎn)體公轉(zhuǎn)速度（C點(diǎn)的速度）Vc為：(0.6)(0.7)\o"CurrentDocument"V=L（V+V）=Drf

c2ioc(0.6)(0.7)于是，可求得單個(gè)滾動(dòng)體或保持架的公轉(zhuǎn)頻率￡為：f=^^=L[（1-d）f+（1+d）f]c2rD2DiDo單個(gè)滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過(guò)頻率，即保持架相對(duì)于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率fOc，可由式（10.6）和式（10.7）求得為：°6foc=lfo-f-l=^lfo-（0.8）同樣，單個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道的通過(guò)頻率，即保持架相對(duì)于內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率^為：\o"CurrentDocument"f=\f-f\=D*\f-fI（0.9）icci2Doi滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率，即滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的頻率為：fc=打Ifo-fc=打Ifo-f.li(0.10)這也是滾動(dòng)體相對(duì)于內(nèi)、外圈滾道的旋轉(zhuǎn)頻率。對(duì)于具有Z個(gè)滾動(dòng)體的滾動(dòng)軸承，其滾動(dòng)體在內(nèi)、Z（D+d）J=ZJ=

ipic外滾道上的通過(guò)頻率flp和fOp分別為:2Dfop=奇疽竺穿1f-fl(0.11)(0.12)（2）承受軸向力時(shí)的特征頻率一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承其滾動(dòng)體與滾道之間都存在一定間隙，在受到軸向力作用時(shí)就會(huì)形成如圖10.5所示的狀態(tài)，此時(shí)，軸承的內(nèi)、外圈在軸向相互錯(cuò)開，使軸承內(nèi)、外滾道的工作直徑分別變大和變小，其原因是滾珠的工作直徑由d減小為dCOSa（a稱為接觸角）。（圖10.5承受軸向力作用時(shí)的滾珠軸承剖面圖）于是，在承受軸向力作用時(shí)具有Z個(gè)滾動(dòng)體的滾動(dòng)軸承的各特征頻率計(jì)算公式分別為：滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率：/D2-(dcosa)2(0.13)L=—2Dd—Vo-f(0.13)內(nèi)滾道通過(guò)頻率：外滾道通過(guò)頻率：保持架相對(duì)內(nèi)圈滾道的旋轉(zhuǎn)頻率:保持架相對(duì)外滾道的旋轉(zhuǎn)頻率：f內(nèi)滾道通過(guò)頻率：外滾道通過(guò)頻率：保持架相對(duì)內(nèi)圈滾道的旋轉(zhuǎn)頻率:保持架相對(duì)外滾道的旋轉(zhuǎn)頻率：fp=|fo-f.lfop/D-dcosa|、=—^Dfo-fl(0.14)(0.15)(0.16)(0.17)【例】一204型滾珠軸承，其節(jié)圓直徑D=33.5mm，滾珠直徑d=7.938mm，滾珠數(shù)Z=8，接觸角a=3°，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速〃=3000rpm、且外圈固定時(shí)，其特征頻率值為：_D2-(dcos_D2-(dcosa)2_'be2Ddf一33.52-(7.938cos3o)22x33.5x7.938""x50=99.598(Hz)D+dcosa

2df=33.5+7.938cos3。2x33.5x50=30.916(Hz)/D-dcosa33.5-7.938cos3。foc2x33.5f=f=x50=19.084(Hz)foc2x33.5io2Dif=Z(D+d*以)f=8x(33.5+7.938cos3o)x50=247.326(Hz)ip2Di2x33.5fop=四"2f=*9^x50=fop=四"2f=*9^x50=152.672(H)2D2x33.5值得一提的是，從理論上講滾動(dòng)軸承的故障頻率就等于相應(yīng)的特征頻率，但由于滾珠除正常的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)外，還會(huì)發(fā)生隨軸向力變化而引起的搖擺和橫向振動(dòng)。因此，尤其是當(dāng)軸承表面存在小缺陷時(shí)，在其滾動(dòng)過(guò)程中缺陷時(shí)而能碰到內(nèi)或外滾道，時(shí)而又碰不到，以至產(chǎn)生故障信號(hào)的隨機(jī)性，也就是說(shuō)可能出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)或頻率時(shí)高時(shí)低的波動(dòng)現(xiàn)象。軸承的基本振動(dòng)信號(hào)特征所謂正常軸承只是一個(gè)相對(duì)的概念，對(duì)于一般普通機(jī)械是“正?！钡妮S承，用于航空或精密機(jī)械就可能被視為“異?！陛S承。即使是正常的軸承由于其本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，同時(shí)由于制造、裝配及安裝等過(guò)程中引入的誤差，如滾動(dòng)體和滾道表面的波紋度、粗糙度以及幾何精度誤差等，也會(huì)使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。由于軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的振動(dòng)如圖10.6所示，滾動(dòng)軸承在承載時(shí)，由于在不同部位承載的滾子數(shù)目不同，因而承載的剛度會(huì)隨旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，引起軸心的起伏波動(dòng)。這種起伏波動(dòng)有時(shí)被稱為滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)，其振動(dòng)的

主要頻率為4。為了要減小這種振動(dòng)的振幅可以使用游隙比較小的軸承或通過(guò)增加預(yù)緊力來(lái)消除游隙。/（圖10.6滾動(dòng)軸承承載剛度與滾子位置的關(guān)系）（2）由于軸承剛度非線性引起的振動(dòng)滾動(dòng)軸承是通過(guò)滾道與滾動(dòng)體之間的彈性接觸來(lái)承受載荷的，具有非線性彈簧之性質(zhì)。通常，滾動(dòng)軸承的軸向剛度常呈非線性（圖10.7），特別是當(dāng)潤(rùn)滑不良時(shí)，容易產(chǎn)生異常的軸向振動(dòng)。在剛度曲線呈對(duì)稱非線性時(shí)，振動(dòng)頻率為f，2f，3f，……；當(dāng)剛度曲線呈非對(duì)稱非線性時(shí)，振動(dòng)頻率r°r°r就為f，f/2,f/3,……等分?jǐn)?shù)諧頻，其中fr為軸心的旋轉(zhuǎn)頻率。剛度非線性引起的振動(dòng)是一種自激振動(dòng)「常發(fā)生在深溝槽的球軸承上，而自調(diào)心球軸承及滾珠軸承則不太會(huì)發(fā)生這樣的振動(dòng)。（3）由于軸承制造及裝配原因引起的振動(dòng)1）由于加工表面波紋度引起的振動(dòng)。由于軸承內(nèi)圈、外圈滾道表面及滾動(dòng)體表面的波紋度會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，因而影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。波紋度一般將引起比滾動(dòng)體在滾道上的通過(guò)頻率高很多倍的高頻振動(dòng)、噪聲及軸心的振擺，其結(jié)果不僅會(huì)引起軸承的徑向振動(dòng)，在一定條件下還會(huì)引起軸向振動(dòng)。Gastafson給出了振動(dòng)頻率與波紋度峰值的關(guān)系，如表10.1所示。有波紋度波紋度峰值振動(dòng)頻率（Hz）的零件徑向振動(dòng)軸向振動(dòng)徑向振動(dòng)軸向振動(dòng)內(nèi)圈kZ±1kZkf土frkZfiHte夕卜圈kZ±1kZkZf^-oekZf^-oe球（滾動(dòng)體）2k2k2f土二2kfe（圖10.7軸承的軸向剛度）下面就這種振動(dòng)的機(jī)理作一說(shuō)明。假設(shè)在圖10.8所示的軸承上，軸承內(nèi)圈存在波紋度，球的個(gè)數(shù)Z=8，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，當(dāng)內(nèi)圈波紋峰值分別為kZ-1，kZ和kZ+1時(shí)，讓我們來(lái)分析一下波紋度對(duì)外圈徑向振動(dòng)的影響。圖中都是標(biāo)有“1”的球與波峰接觸。當(dāng)波紋度分別為kZ±1時(shí)，外圈在箭頭方向上有最大位移。反之，當(dāng)標(biāo)有“1”的球與波谷接觸時(shí)，仍然是kZ個(gè)波峰數(shù)時(shí)外圈無(wú)徑向位移，而kZ±1個(gè)波峰時(shí)，外圈在與箭頭相反的方向上出現(xiàn)最大位移。因此，說(shuō)明了當(dāng)波峰數(shù)等于kZ±1時(shí)將會(huì)產(chǎn)生最大振動(dòng)。（圖10.8內(nèi)圈波紋度引起外圈徑向振動(dòng)的機(jī)理）（圖10.9軸承零件波紋度引起的軸心擺動(dòng)軌跡）當(dāng)然，必須說(shuō)明，表10.1中所給出的條件是完全理想的，即波紋呈均勻分布，且波紋的形狀為正先進(jìn)弦變化。而在實(shí)際當(dāng)中的波紋并非如此，因此可能還會(huì)出現(xiàn)別的頻率成份。圖10.9是機(jī)床中使用加有預(yù)緊力的兩個(gè)超精密向心球軸承時(shí)，有時(shí)滾道波紋度而引起的軸心擺動(dòng)軌跡。此時(shí)軸心軌跡圖呈內(nèi)卷形或外卷形。此外，不僅軸承滾道和滾動(dòng)體的波紋度會(huì)引起軸承振動(dòng)，軸承的內(nèi)外配合面及軸頸和軸承座孔的波紋度對(duì)精密軸承也會(huì)引起類似的振動(dòng)，因?yàn)樵谳S承裝配后會(huì)引起套圈的變形。2）由于軸承偏心引起的振動(dòng)。如圖10.10所示，當(dāng)軸承游隙過(guò)大或滾道偏心時(shí)，都會(huì)引起軸承振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為kf（k=1，2，3，……），f為軸的旋轉(zhuǎn)頻率。3）滾動(dòng)體大小不均勻引起的軸心擺動(dòng)。如圖10.11所示，由于滾動(dòng)體大小不均勻會(huì)導(dǎo)致工作時(shí)軸心變動(dòng)，以及支撐剛性的變化。其振動(dòng)頻率為fc和kf±f，k=1，2,……（fr為保持架旋轉(zhuǎn)頻率），通常振動(dòng)頻率在1kHz以下?！恪?4）由于軸彎曲導(dǎo)致軸承偏斜或軸承裝配不正（圖10.12）而引起的振動(dòng)。軸承的彎曲將引起軸上所安裝軸承的偏移。因此軸在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就會(huì)引起軸承的振動(dòng)。其振動(dòng)頻率為f；土f，k=1，2,……。（圖10.10軸承偏心引起的軸承振動(dòng)）（圖10.11滾動(dòng)體大小不均勻引起的軸心擺動(dòng)）（圖10.12軸彎曲及軸承裝配不正）（圖10.13裝配過(guò)緊引起的振動(dòng)）5）由于裝配過(guò)緊或過(guò)松引起的振動(dòng)。如圖10.13所示，在裝配過(guò)緊或過(guò)松的情況下當(dāng)滾動(dòng)體通過(guò)特定位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生頻率相應(yīng)于滾動(dòng)體通過(guò)周期的振動(dòng)。綜上所述，即使是正常軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)十分復(fù)雜的振動(dòng)和噪聲。圖10.14所示為正常的6206軸承的振動(dòng)加速度頻譜圖。由圖可見(jiàn)振動(dòng)頻譜有很寬的頻率范圍。（圖10.14正常6206軸承的振動(dòng)加速度頻譜）故障軸承的振動(dòng)信號(hào)特征滾動(dòng)軸承的故障種類是多種多樣的，這一點(diǎn)在本章開始時(shí)就已經(jīng)介紹過(guò)，但在實(shí)際應(yīng)用中最常見(jiàn)和最有代表性的故障類型通常只有三種，即疲勞剝落損傷、磨損和膠合。（1）疲勞剝落損傷。在這類故障中包括疲勞剝落、裂紋、壓（劃）痕I滾動(dòng)體表面上形成的局部損傷狀態(tài)。當(dāng)軸承零件上產(chǎn)生了疲勞剝落凹坑后（圖10.15以夸大的方式畫出了疲勞剝落凹坑），在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因?yàn)橛龅桨伎釉斐膳鲎簿蜁?huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。圖10.16給出了鋼球落下產(chǎn)生的沖擊過(guò)程的示意圖。在沖擊的第一階段，在碰撞點(diǎn)將產(chǎn)生很大的沖擊加速度（見(jiàn)圖（a）和圖（b）），其大小與沖擊速度v成正比（而在軸承中則與疲勞損傷的大小成正比）。第二階段，構(gòu)件變形產(chǎn)生衰減自由振動(dòng)（見(jiàn)圖（c）），振動(dòng)頻率取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)的固有頻率（見(jiàn)圖（d））。振幅非增加量A也與沖擊速度v成正比（見(jiàn)圖（e））。（圖10.15軸承零件上的疲勞剝落凹坑）（圖10.16沖擊過(guò)程的示意圖）在滾動(dòng)軸承中剝落凹坑處由于碰撞而產(chǎn)生的沖擊力的脈寬一般都很小，大致為微秒級(jí)。我們知道力的頻譜寬度與脈沖持續(xù)時(shí)間成反比，因此，沖擊力的頻譜可從0Hz延展到100?500KHz，這樣就意味著可以在很寬的頻率范圍內(nèi)激發(fā)起軸承一傳感器系統(tǒng)的固有振動(dòng)。當(dāng)然，從沖擊發(fā)生處到測(cè)量點(diǎn)的傳遞特性對(duì)此有很大影響。所以在測(cè)量中要恰當(dāng)?shù)剡x擇測(cè)點(diǎn)位置，最好接近承載區(qū)，振動(dòng)傳遞界面越少越好。沖擊振動(dòng)從分析的角度來(lái)看可以分為兩種類型。第一種是直接分析由于滾動(dòng)體通過(guò)工作面上的缺陷，產(chǎn)生反復(fù)沖擊而形成1kHz以下的低頻振動(dòng)，或稱為軸承的通過(guò)振動(dòng)，它是滾動(dòng)軸承的重要特征信號(hào)之一。但由于這一頻帶中的噪聲干擾很大，所以不容易捕捉到早期故障信息。第二類是分析沖擊而激起的軸承零部件的固有振動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中可以利用的固有振動(dòng)有三種：1）軸承內(nèi)、外圈一階徑向固有振動(dòng)，其頻率范圍多在1?8kHz之間（參照式10-2，豈不是為0?）2）軸承零件其它固有振動(dòng)，其頻率范圍多在20?60kHz之間；3）加速度傳感器的一階固有頻率，其頻率中心通常選擇在10?25kHz附近。疲勞剝落故障的典型振動(dòng)信號(hào)如圖10.17所示，其中圖（a）為測(cè)量所得的振動(dòng)信號(hào)，圖（b）為放大后的波形。（圖10.17有疲勞剝落故障軸承的振動(dòng)信號(hào)）圖中的T取決于碰撞的頻率，T=1/f碰在一般簡(jiǎn)單的情況下，碰撞頻率就等于滾動(dòng)體在滾道上的通過(guò)頻率fip或fp，或者為滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率fbc。圖10.18"展示了309軸承在正常、外圈疲勞剝落、鋼球疲勞剝落和內(nèi)圈疲勞剝落狀態(tài)下其振動(dòng)加速度信號(hào)的功率譜圖形（原始信號(hào)來(lái)自通過(guò)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)）。由譜圖可見(jiàn)，當(dāng)軸承處于正常狀態(tài)時(shí)，頻率成份主要集中在800Hz以下的低頻段（a）；當(dāng)軸承發(fā)生疲勞損傷后，低頻段中的頻率成份變化并不十分明顯，但在稍高的頻段上（309軸承為500?3000Hz）卻增添了大量的峰值群。深入的分析結(jié)果表明，這些峰值群的中心頻率與相應(yīng)軸承外圈及其外圈與機(jī)殼形成的振動(dòng)系統(tǒng)的一階徑向固有振動(dòng)有關(guān)。（圖10.18309軸承不同狀態(tài)下的振動(dòng)加速度功率譜圖）軸承發(fā)生疲勞剝落后其振動(dòng)信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)分布比正常軸承明顯加寬，如圖10.19所示。這主要是由于疲勞剝落所引起的沖擊振動(dòng)所致。（圖10.19軸承振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)）在軸承疲勞剝落發(fā)展過(guò)程中振動(dòng)幅值的變化可見(jiàn)圖10.20及圖10.21。其中圖10.20是球軸承6206試驗(yàn)的結(jié)果。由圖可知，在A點(diǎn)之前，均方根值（RMS）和峰值變化不大；而在A點(diǎn)之后，有的軸承的振動(dòng)加速度峰值出現(xiàn)較大波動(dòng)，但此時(shí)的RMS值其變化仍然不大。當(dāng)疲勞剝落凹坑形成時(shí)，二者都急劇上升。圖10.21則是錐面滾柱軸承的試驗(yàn)結(jié)果。時(shí)間坐標(biāo)單位為L(zhǎng)B10=50E），可以看到加速度峰值和RMS值以及峭度系數(shù)在剝落形成過(guò)程中都明顯上升，但是不如圖10.20那樣陡峭，這可能是因?yàn)闈L柱軸承不如球軸承對(duì)剝落凹坑敏感。其中峭度系數(shù)上升得最早，即它對(duì)疲勞剝落故障較為敏感。（圖10.206206軸承振動(dòng)加速度幅值隨試驗(yàn)時(shí)間的變化）（圖10.21錐面滾柱軸承振動(dòng)加速度幅值及峭度系數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化）（2）磨損。伴隨著軸承損壞的發(fā)生，其振動(dòng)加速度信號(hào)的峰值和RMS值緩慢上升，假如不發(fā)生疲勞剝落，嚴(yán)重磨損后的振動(dòng)幅值會(huì)比最初增大很多倍。但振動(dòng)信號(hào)的特性與正常軸承相比，呈較強(qiáng)的隨機(jī)性，且振幅的概率密度基本上為正態(tài)分布，頻譜特征亦無(wú)明顯差別，如圖10.22所示。隨著磨損的發(fā)展，振動(dòng)信號(hào)峰值與RMS比值，呈不斷增大的趨勢(shì)，如圖10.23所示，這個(gè)比值從5左右逐漸增加到5.5?6。（圖10.22軸承不同狀態(tài)振動(dòng)波形比較）（圖10.23軸承磨損時(shí)振動(dòng)加速度峰值與RMS值的比值曲線）（3）膠合。膠合是軸承工作表面燒傷的直接結(jié)果。燒傷過(guò)程中，伴隨著間斷性的沖擊振動(dòng)，但是由于從燒傷發(fā)生到膠合的時(shí)間過(guò)程很短，因此一般難以通過(guò)定期檢查及時(shí)發(fā)現(xiàn)。圖10.24為一運(yùn)轉(zhuǎn)至發(fā)生膠合的滾動(dòng)軸承的振動(dòng)加速度及外圈溫度的變化曲線。由圖可知，在A點(diǎn)之前，振動(dòng)加速度值略有下降，溫度緩慢上升。A點(diǎn)之后，振動(dòng)值開始急劇上升，而溫度卻反而有些下降，在這一段時(shí)間里軸承表面狀態(tài)已經(jīng)惡化。在B點(diǎn)之后，振動(dòng)值第二次急劇上升（這里已超過(guò)了儀器的測(cè)量范圍），同時(shí)溫度也急劇上升。其實(shí)，在B點(diǎn)之前，軸承中已有明顯的金屬和金屬的直接接觸和短暫的滑動(dòng)，B點(diǎn)之后就有更加頻繁的金屬之間的直接接觸和滑動(dòng)，潤(rùn)滑劑惡化甚至出現(xiàn)炭化，直至膠合發(fā)生。值得注意的是振動(dòng)值比溫度能更早地預(yù)警膠合的發(fā)生。（圖10.24發(fā)生膠合的軸承的試驗(yàn)曲線）10.3滾動(dòng)軸承故障診斷方法可用于對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)及招蜂忍蝶的方法有很多種，包括振動(dòng)信號(hào)分析法、聲發(fā)射法、油污染分析法（磁性法、鐵譜法和光譜分析法）等，它們各有特點(diǎn)，其中以振動(dòng)信號(hào)分析法相對(duì)簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用最為廣泛。分析頻道選擇合理選擇分析頻率對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷是十分重要的。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)在選定了分析頻帶之后，必須利用低通、帶通或高通濾波器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，同時(shí)往往還需要配以其它有效的預(yù)處理措施（如調(diào)制解調(diào)），然后才能夠從所得到的信號(hào)中獲得足夠的有用信息。（1）低頻段（0?1kHz）。由于在實(shí)際工作中滾動(dòng)軸承非故障特征頻率（如滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈滾道的通過(guò)頻率）通常都在1kHz以下，因此，我們可以直接通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的波形或根據(jù)頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線狀況對(duì)可能的故障原因加以確定。但是由于在該頻域（帶）范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)很容易受到機(jī)械、電源及流體動(dòng)力噪聲等干擾源的影響，并且在故障初期，反映故障的頻率成份在低頻段中的相對(duì)能量很小，因此，信號(hào)的信噪比較低、故障檢測(cè)靈敏度差，目前一般僅在金丹機(jī)器的滾動(dòng)軸承故障診斷中采用。（2）中頻段（1?20kHz）。中頻段的利用通?？煞譃閮深惙椒ǎ旱谝活愂鞘褂孟孪藿刂令l率為1kHz的高通濾波器來(lái)濾除軸承振動(dòng)信號(hào)中的低頻部分，以消除各種低頻干擾。然后再利用濾波后的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)求取峰值、有效值RMS）、峭度系數(shù)……等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)判斷。許多簡(jiǎn)易的軸承監(jiān)測(cè)儀表均采用這種方式，如日本NSK公司的NB-3和NB-4型軸承監(jiān)測(cè)儀。第二類是利用帶通濾波器來(lái)提取軸承零部件或相關(guān)結(jié)構(gòu)零部件的共振頻率成份，例如，應(yīng)用較多的檢測(cè)軸承外圈一階徑向固有振動(dòng)頻率。然后根據(jù)通帶內(nèi)信號(hào)成份的總功率大小來(lái)判斷軸承狀況良好與否。一般來(lái)說(shuō)，帶通濾波器的中心頻率和通帶截至頻率應(yīng)根據(jù)軸承的類型及尺寸等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。（3）高頻段（20?80kHz）。由于在軸承（疲勞剝落）故障所引起的沖擊振動(dòng)中，有很大部分的沖擊