第7章-滚动轴承故障诊断
(完整word版)(整理)滚动轴承故障诊断分析章节
滚动轴承故障诊断滚动轴承是应用最为广泛的机械零件质疑，同时，它也是机器中最容易损坏的元件之一。
许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有关。
据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有30%的机械故障都是由于轴承而引起的。
可见，轴承的好坏对机器工作状态影响极大。
通常，由于轴承的缺陷会导致机器产生振动和噪声，甚至会引起机器的损坏。
而在精密机械中（如精密机床主轴、陀螺等），对轴承的要求就更高，哪怕是在轴承上有微米级的缺陷，都会导致整个机器系统的精度遭到破坏。
最早使用的轴承诊断方法是将听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。
这种方法至今仍在使用，不过已经逐步使用电子听诊器来替代听音棒以提高灵敏度。
后来逐步采用各式测振仪器、仪表并利用位移、速度或加速度的均方根值或峰峰值来判断轴承有无故障。
这可以减少对设备检修人员的经验的依赖，但仍然很难发现早期故障。
随着对滚动轴承运动学、动力学的深化研究，对轴承振动信号中频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解，FFT级数的发展也使得利用频率域分析和检测轴承故障成为一种有效的途径。
也是目前滚动轴承监测诊断的基础。
从发展的历程看，滚动轴承故障检测诊断技术大致经历了以下阶段：1961年，W.F.Stokey完成了轴承圈自由共振频率公式的推导，并发表；1964年，O.G.Gustafsson研究了滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间的关系，这与目前诊断滚动轴承故障的方法是基本一致的；1969年，H.L.Balderston根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式。
至此，有关滚动轴承监测诊断的理论体系已经基本完成；1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV-021A机器检测仪，其方法是通过检测低频、中频和高频段轴承的信号特征来判断轴承的工作状态；1976～1983年之间，日本精工公司也积极在滚动轴承检测仪器方面做工作，相继推出了NB系列轴承检测仪，利用1～15kHz范围内的轴承振动信号的有效值（rms）和峰峰值（p－p）来诊断轴承的故障；1980年代至今，以改良频率分析的方法来精密诊断滚动轴承的故障、确定故障位置，一直是精密诊断采取的必备方法，其中包括细化谱分析、倒频谱分析、共振解调技术、包络分析技术等。
滚动轴承故障及其诊断方法
滚动轴承故障及其诊断方法
滚动轴承是一种很常见的机械元件，广泛用于工业和消费市场，用于
转动机械装置的旋转部件。
它们的主要功能是支撑和稳定轴，允许轴在指
定的位置和方向上旋转，以及在转动时减少摩擦和重复负载。
滚动轴承可
以在各种不同类型的机械设备中找到，例如汽车，风能发电机，摩托车，
电机，空调，电气箱等。
滚动轴承可以长期高效工作，但如果不适当地维护和维修它，可能会
导致故障。
常见的滚动轴承故障包括损坏，轴承旋转变慢，轴承外壳发热，内部损坏，轴键变形，低速磨擦，扭矩问题等。
解决这些问题的关键是找
出故障的根本原因，并根据现场条件采取正确的解决方案。
要有效诊断滚动轴承故障，可以采用以下方法。
1.检查外壳：检查轴承外壳表面，以及固定螺丝和轴承挡圈是否松动、弯曲或破损。
检查底座是否正确安装，轴是否紧固，以及轴承应用的负载
是否正确。
2.状态检查：检查轴承内部和外壳的温度，查看是否有油漆和碳垢，
并检查轴承内部有无异响和异常磁性。
3.拆卸检查：仔细检查轴承内部的轴承衬套、滚珠和圆柱滚道，查看
是否有损坏、磨损或异物。
滚动轴承故障诊断实例
滚动轴承故障诊断实例
滚动轴承故障诊断实例可以包括以下几种情况：
1. 声音异常：当滚动轴承出现故障时，可能会出现异常的噪音，如嘶嘶声、刮擦声或者咔咔声等。
这种情况下，可以通过听觉判断故障的类型和位置。
噪音一般源于滚珠或滚道表面的损伤或者磨损。
2. 振动异常：故障的滚动轴承会导致轴承运行不稳定，产生过大的振动。
可以通过振动传感器来检测振动的频率和幅度，进而判断故障的严重程度和位置。
振动异常可能是由于轴承内部松动、滚子损伤或滚道不平整等问题引起的。
3. 温度异常：滚动轴承运行时，由于磨擦和摩擦产生的热量，轴承温度会有所上升。
但是，如果滚动轴承的温度明显高于正常值，可能表明存在故障。
可以通过红外测温仪或接触式温度计来测量轴承的温度，判断是否存在异常。
4. 润滑问题：滚动轴承需要得到正确的润滑以保持正常运行。
如果滚动轴承出现故障，润滑不足或者污染等问题，会导致滚动轴承的寿命缩短。
可以通过观察润滑脂或润滑油的颜色、黏度以及滚动轴承周围是否有渗漏等来判断润滑是否正常。
上述实例中的故障诊断需要依靠专业的设备和工具，同时需要具备相应的专业知识和经验，建议请专业人士进行诊断和修复。
滚动轴承故障及其诊断方法
而一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近 表面的剥落。
这样，载荷的累积作用或短时超载就有可能引起轴承塑性 变形。
1滚动轴承异常的基本形式
(4).腐蚀
润滑油、水或空气水分引起表 面锈蚀（化学腐蚀）
轴承内部有较大的电流通过造 成的电腐蚀
2.3 滚动轴承的振动及其故障特征
2. 幅值域中的概率密度特征 滚动轴承正常时和
发生剥落损伤时的轴 承振动信号的幅值概 率密度分布如图。
轴承振动的概率密度分布
从图中可以看出，轴承发生剥落时，幅值分布的幅 度广，这是由于存在剥落的冲击振动。这样，从概率 密度分布的形状，就可以进行异常诊断。
3 滚动轴承故障诊断方法
2.2 滚动轴承的特征频率
➢ 为分析轴承各部运动参数，先做如下假设： (1)滚道与滚动体之间无相对滑动； (2)每个滚道体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间 (3)承受径向、轴向载荷时各部分无变形；
方法： 研究出不承受轴向力时轴承缺陷特征频率，进而，推导出 承受轴向力时轴承缺陷特征频率
1. 不承受轴向力时 轴承缺陷特征频率
d Dm
)
fr
滚动轴承的特征频率
➢ (3) 轴承内外环有缺陷时的特征频率：
➢ 如果内环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的
频率为
fi
f Bi Z
1 (1 2
d Dm
) frZ
➢ 如果外环滚道上有缺陷时，则Z个滚动体滚过该缺陷时的
频率为
fo
f Bo Z
1 (1 2
d Dm
)
f
r
Z
➢ (4) 单个滚动体有缺陷时的特征频率：如果单个有缺陷的 滚动体每自传一周只冲击外环滚道（或外环）一次，则其 相对于外环的转动频率为
滚动轴承故障诊断方法与技术综述
滚动轴承故障诊断方法与技术综述引言：滚动轴承作为机械设备中常用的零部件之一，承担着支撑和传递载荷的重要作用。
然而，由于使用环境的恶劣和工作条件的复杂性，滚动轴承往往容易出现各种故障。
因此，为了保证机械设备的正常运行和延长轴承寿命，对滚动轴承的故障进行准确诊断非常重要。
一、故障诊断方法1. 观察法观察法是最常用的故障诊断方法之一。
通过观察滚动轴承的外观和运行状态来判断是否存在故障。
例如，如果发现滚动轴承有异常噪声、温度升高、润滑油泡沫、振动加剧等现象，很可能是轴承出现了故障。
2. 振动诊断法振动诊断法是一种先进的故障诊断方法，可以通过检测轴承的振动信号来判断轴承是否存在故障。
通过分析振动信号的频谱图，可以确定轴承故障的类型和位置。
常用的振动诊断方法包括时域分析、频域分析和小波分析等。
3. 声音诊断法声音诊断法是一种通过听觉判断轴承故障的方法。
通过专业人员对轴承产生的声音进行听觉分析，可以判断轴承是否存在异常。
常见的轴承故障声音包括金属碰撞声、摩擦声和振动声等。
4. 热诊断法热诊断法是一种通过测量轴承的温度来判断轴承故障的方法。
由于轴承在故障状态下会产生摩擦热，因此轴承的温度可以间接反映轴承的工作状态。
通过测量轴承的温度分布，可以判断轴承是否存在异常。
二、故障诊断技术1. 模式识别技术模式识别技术是一种基于机器学习的故障诊断技术，可以根据轴承的振动信号和声音信号等特征，通过训练模型来识别轴承的故障类型。
常用的模式识别技术包括支持向量机、神经网络和决策树等。
2. 图像诊断技术图像诊断技术是一种通过图像处理和分析来判断轴承故障的技术。
通过对轴承的外观图像进行特征提取和分类，可以实现对轴承故障的自动诊断。
常用的图像诊断技术包括边缘检测、纹理分析和目标识别等。
3. 声音信号处理技术声音信号处理技术是一种通过对轴承声音信号进行滤波、频谱分析和特征提取等处理，来判断轴承故障的技术。
通过对声音信号的频谱图和时域图进行分析，可以判断轴承故障的类型和位置。
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。
滚动轴承故障诊断分析全解
滚动轴承故障诊断分析全解
滚动轴承是机械设备中的重要元件，也是故障率最高的构件。
其突发的故障可能会严重影响机械设备的正常运行，即使是轻微的故障，也会降低设备的使用寿命。
因此，对滚动轴承的故障进行及时诊断和维修，是确保轴承的正常运行的关键。
本文将对滚动轴承故障诊断进行全面阐述，以便于有助于轴承的可靠运行。
一般来讲，滚动轴承的故障可以归结为以下几类：
(1)疲劳损坏:由于长期的使用，滚动轴承中的滚动体和锥形齿轮等内部零件可能会因疲劳而损坏，最终导致轴承的故障;
(2)腐蚀破坏:由于设备运行时的温度、湿度及磨损较大，滚动轴承容易受到空气、油品及其他化学性腐蚀剂的作用，从而造成内部零件的磨损;
(3)水分侵入:滚动轴承组装后，如果存在漏油现象，则滚动轴承内部容易污染，从而导致滚动体及锥形齿轮等内部零件受损;
(4)润滑油工作性能不佳:润滑油在机械设备运行时，若由于品质或温度等原因，润滑油的性能不佳，轴承容易受到损坏;
(5)安装不良:滚动轴承安装后，若没有正确地调整轴的负荷和动转瞬间，将会对轴承组件产生振动和噪音，从而导致故障。
滚动轴承故障诊断
第二组实验轴承故障数据：数据打开后应采用X105_DE_time作为分析数据，其他可作为参考，转速1797rpm轴承型号：6205-2RS JEM SKF, 深沟球轴承采样频率：12k Hz1、确定轴承各项参数并计算各部件的故障特征频率通过以上原始数据可知次轴承的参数为：轴承转速r=1797r/min；滚珠个数n=9；滚动体直径d=；轴承节径D=39mm；：滚动体接触角α=0由以上数据计算滚动轴承不同部件故障的特征频率为：外圈故障频率f1=r/60 * 1/2 * n(1-d/D *cosα)=内圈故障频率f2=r/60 * 1/2 * n(1+d/D *cosα)=滚动体故障频率f3=r/60*1/2*D/d*[1-(d/D)^2* cos^2(α)]=保持架外圈故障频率f4=r/60 * 1/2 * (1-d/D *cosα)=2.对轴承故障数据进行时域波形分析将轴承数据导入MATLAB中直接做FFT分析得到时域图如下：并求得时域信号的各项特征：（1）有效值：；（2）峰值：；（3）峰值因子：；（4）峭度：；（5）脉冲因子：；（6）裕度因子：：3.包络谱分析对信号做EMD模态分解，分解得到的每一个IMF信号分别和原信号做相关分析，找出相关系数较大的IMF分量并对此IMF分量进行Hilbert变换。
由图中可以看出经过EMD分解后得到的９个IMF分量和一个残余量。
IMF分量分别和原信号做相关分析后得出相关系数如下：由上表得：IMF1的相关系数明显最大，所以选用IMF1做Hilbert包络谱分析。
所得Hilbert包络谱图如下：对包络谱图中幅值较大区域局部放大得到下图由以上包络图的局部放大图中可以看出包络图中前三个峰值最大也最明显，三个峰值频率由小到大排列分别为、、。
把这三个频率数值和前文计算所得的理论值进行比较可知：频率值最大为和内圈的故障理论计算特征频率f2=相近，说明此轴承的故障发生在轴承的内圈。
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fc fr
滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
外圈与保持架关系： fo = z×fc 外圈与内圈关系： fo + fi = z×fr
( fr 为转频 ；z为滚动体个数 )
fb fo fi
滚动轴承的特征频率
▪ 关于特征频率的几点说明：
fic
1 2
Z (1
d D
cos )
fr
foc
1 2
Z (1
d D
cos )
fr
滚动体的公转频率
fb
1 2
(1-
d D
c os )
fr
保持架旋转频率
fc
1 2
(1-
d D
c os )
fr
滚动轴承的特征频率
故障频率经验公式
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr
外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr
断裂
➢ 原因： 过高的载荷可能引起轴承零件断裂 金属材料有缺陷和热处理不良 转速过高，润滑不良
➢ 后果： 轴承出现裂纹，加速劣化
常见故障原因综述
▪ 装配不当 ▪ 润滑不良 ▪ 腐蚀
➢ 水分和异物侵入 ➢ 征兆是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域 ▪ 过热 ➢ 征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色 ➢ 温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火 ➢ 硬度降低导致轴承承重降低和早期失效 ➢ 严重情况下引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能 ▪ 过载 ➢ 引起过早疲劳（包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷）
滚动轴承的特征频率
▪ 几何参数 ➢ Z—滚珠个数 ➢ d—滚珠直径 ➢ D—轴承滚道节径 ➢ β—接触角 ➢ r1—内圈滚道半径 ➢ r2—外圈滚道半径
滚动轴承的特征频率
内圈旋转频率 内外圈相对旋转频率
n fi 60 fr fi fo fi
滚动体通过内圈一点的频率 滚动体通过外圈一点的频率
7．2 滚动轴承的振动机理与信号特征
滚动轴承的时域信号
图7－1 滚动轴承振动的时域信号 (a) 新轴承的振动波形 (b)表面劣化后的轴承振动波形
轴承刚度变化引起的振动 （必振无疑）
▪ 滚动轴承承载时，由于不同的位置承载的滚动体数目不同，因而承载 刚度会有变化，引起轴心的起伏波动
▪ 当滚动体处于载荷下非对称位置时,有水平分力。
锈蚀
➢ 原因 水分或酸、碱性物质的侵入 轴承停止工作后，轴承温度下降，空气中的水分凝 结 电流通过，引起电火花而产生电蚀
➢ 后果 高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常 工作
塑性变形
➢ 原因： 轴承受到过大的冲击载荷或静载荷 硬度很高的异物侵入
➢ 后果： 运转过程中产生剧烈的振动和噪声 压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面 的剥落
在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲 劳剥落坑就认为轴承寿命终结
同一批轴承中，最高寿命与最低寿命可以相 差几十倍甚至上百倍，因此正确诊断轴承故 障可以合理利用轴承的寿命
磨损
➢ 原因 尘埃、异物的侵入 润滑不良
➢ 后果 轴承游隙增大，表面粗糙度增加 轴承运转精度降低，振动和噪声增大
第七章 滚动轴承故障诊断
主讲：王林鸿教授、博士 机械与汽车工程学院
滚动轴承故障诊断的特点
▪ 滚动轴承是机械设备中使用量最多的零件之一， 也是最易损坏的零件；
▪ 滚动轴承有着表面光滑、尺寸精密的滚道，因而 早期故障的振动信号非常微弱。常常淹没在轴与 齿轮的振动信号中；
▪ 因此找出并识别其故障特征就成为滚动轴承诊断 的主要任务。
公式计算时假设外圈与轴承座没有相对运动 实际频率与上述理论计算值会有出入，所以在谱图
上寻找各特征频率时应找其近似值来判断
公式是指“一个剥落坑”时，若有n个剥落坑，仍
是此公式 特征频率都是轴工作转速的非同步频率
内圈故障频率： fi = 0.6×z×fr 外圈故障频率： fo = 0.4×z×fr 保持架故障频率：fc =0.381~ 0.4×fr 滚动体故障频率：fb = 0.23×z×fr (z < 10)
fb = 0.18×z×fr (z > 10)
3. 滚动轴承早期缺陷所激发的振动特征
第一类振动是以特征 频率进行的冲击振动； 第二类振动是被每一 个脉冲激发的以轴承 元件固有频率的衰减 振荡。
图7－4 滚动轴承内缺陷所激发的振动波形
轴承滚动体故障
滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系
轴承的装配制造原因引起的振动
▪ 在轴承制造过程中，加工设备的振动而产生加工 面的波纹度
▪ 滚动体大小不均匀引起轴心摆动
2. 由滚动轴承的运动副引起的振动 （计算特征频率）
▪ 滚动轴承的特征频率完全可以根据轴承元件之间 滚动接触速度关系通过计算得到。
▪ 计算特征频率值往往与测量数值十分接近，所以 在诊断前总是先算出这些值，再与测量值比较， 作为诊断的依据。
概述
▪ 滚动轴承的组成➢ Biblioteka 圈 ➢ 内圈 ➢ 滚动体 ➢ 保持架
▪ 按承载方向分类
➢ 向心轴承 ➢ 推力轴承 ➢ 向心推力轴承
概述
▪ 滚动轴承的安装
➢ 冷压法和热套法 ➢ 压力机、手锤和套筒、润滑剂、加热器等
▪ 滚动轴承的拆卸
➢ 使用专门的拆卸工具
7．1 滚动轴承的失效形式
1. 疲劳； 2. 磨损； 3. 腐蚀； 4. 塑变； 5. 断裂； 6. 胶合。
疲劳剥落
➢ 原因 内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交 变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂 纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑
➢ 后果 造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧
内圈疲劳失效
外圈疲劳失效
疲劳剥落
➢ 是轴承失效的主要形式 ➢ 一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命 ➢ 滚动轴承的额定寿命
胶合
➢ 原因:
在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发 热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度， 使一个表面上的金属粘附到另一个表面上
➢ 后果:
出现压痕，产生剥落区
保持架损坏
➢ 原因： 由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形
➢ 后果： 保持架和滚动体之间的摩擦增大，甚至使某些滚 动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外 圈发生摩擦 会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损 坏