滚动轴承的振动机理与信号特征

滚动轴承的振动机理与信号特征滚动轴承的振动可由外部振源引起，也可由轴承本身的结构特点及缺陷引起。此外，润滑剂在轴承运转时产生的流体动力也可以是振动(噪声)源。上述振源施加于轴承零件及附近的结构件上时都会激励起振动。一、滚动轴承振动的基本参数1．滚动轴承的典型结构 滚动轴承的典型结构如图1所示，它由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。

图1 滚动轴承的典型结构图示滚动轴承的几何参数主要有： 轴承节径D： 轴承滚动体中心所在的圆的直径 滚动体直径d： 滚动体的平均直径 内圈滚道半径r1： 内圈滚道的平均半径 外圈滚道半径r2： 外圈滚道的平均半径 接触角α： 滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角 滚动体个数Z： 滚珠或滚珠的数目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)承受径向、轴向载荷时各部分无变形；(3)内圈滚道回转频率为fi;(4)外圈滚道回转频率为fO;(5)保持架回转频率(即滚动体公转频率为fc)。 参见图1，则滚动轴承工作时各点的转动速度如下： 内滑道上一点的速度为：Vi=2πr1fi=πfi(D-dcosa) 外滑道上一点的速度为：VO=2πr2fO=πfO(D+dcosa) 保持架上一点的速度为：Vc=1/2(Vi+VO)=πfcD 由此可得保持架的旋转频率(即滚动体的公转频率)为：

从固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与内圈作无滑动滚动，它的回转频率之比与d/2r1成反比。由此可得滚动体相对于保持架的回转频率(即滚动体的自转频率，滚动体通过内滚道或外滚道的频率)fbc根据滚动轴承的实际工作情况，定义滚动轴承内、外圈的相对转动频率为一般情况下，滚动轴承外圈固定，内圈旋转，即：同时考虑到滚动轴承有Z个滚动体，则滚动轴承的特征频率如下：滚动体在外圈滚道上的通过频率zfoc为：

滚动体在内圈滚道上的通过频率Zfic为：滚动体在保持架上的通过频率(即滚动体自转频率fbc)为：3.止推轴承的特征频率 止推轴承可以看作上述滚动轴承的一个特例，即α＝90°，同时内、外环相对转动频率为轴的转动频率fr，此时滚动体在止推环滚道上的频率为：

滚动体相对于保持架的回转频率为：以上各特征频率是利用振动信号诊断滚动轴承故障的基础，对故障诊断非常重要。4.滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承在运行过程中，由于滚动体与内圈或外圈冲击而产生振动，这时的振动频率为轴承各部分的固有频率。 固有振动中，内、外圈的振动表现最明显，如图2所示

图2 滚动轴承套圈横截面简化图与径向弯曲振动振型示意图轴承圈在自由状态下的径向弯曲振动的固有频率为：

式中n—振动阶数(变形波数)，n＝2，3，…；E—弹性模量，钢材为210GPa；I—套圈横截面的惯性矩，mm 4； γ—密度，钢材为7.86X10-6kg /mm3；A—套圈横截面积，A滚bh动mm 2轴D承的振可由外部源引起，动mm轴g承也本身结构动g特9800mm /S2点

及缺陷动。此润滑剂在运转 时产缺生流体力以是噪动缺生是噪声上时述施加于运部R承缺生零，轴E承件源附近动缺陷加210GPa ; 都承会构动缺陷加7.86X10-6kg /mm3轴g承也本身结构动g特9800mm /S2点 5激励噪引一、基述施参 加数．典型动。如图所示声励噪引一此、基述施它内参1部点参1 励噪引一、基述施参(圈和保振上和持架振四分)

组持成润引一声是噪几何、基 成润声引一流时主要有：声是噪节径中动时心圆直引一平均道半、接触角声轴时心节α受方向时与动垂励噪线节励夹声参外个珠持参外或目构如征频率为构析各先动做下分部假体触角是噪节径中点1激引一道半、接触角声是噪 励噪引一做一设产动直内做析之间无一设声励相滑对析之动；载一设荷构体时变形回动触角引即声角公个噪动是噪述施加Zfoc(见3)点则工作速度是噪声是π得如旋型从固定声引一坐身标系本来看从固点2.引一缺构比反源触角声是噪 励噪引一声引自荷构润通比反源(见4)动、过圆要根据析实产动际力以情润声引自是噪点做荷构况反通及义比反源产动是噪述施加fn, 2fn., 3f.n,般轴做荷构况反通比及义比反源产动

是噪述施加般同滑考述(fn加引虑分述施)点速圆到度止推是噪动润例以做＝°生引一动止环即生引一节励利引一析润例以点

见3 励噪引一声一设荷构节励相间无声与用

见4 引一声引自荷构3.引一α受方向声信；(1)身号外个珠构触角声是噪 直引一诊断声身号外(架振持保振励夹外征励噪线外)声个珠构触角声是噪节径中做引一部故障润础动速心非常触角声是噪加先述是噪(故励噪线做励夹图声重行述施先程冲击)点先述是噪征引即声是而析这体触角引一声，自是噪动做到和表断现最体触角引自是噪点参2它明声是噪述施显个珠构套滑声与用点参部动n加成横滑动Z加生(励噪线)滑动fic加截面励噪线做架振励夹图声重行述施动fc加简化弯分结动fbc加励噪线主及内简化弯声分噪述施点参2 是噪述施显个珠构套滑声与用

现外曲截所示到现速度是噪声意状点做见5部动引一架振身号行态部式—时个珠动生面滑Z=8动架振四分动要架振个珠套滑同过加nZ-1动nZ动nZ阶1产动及保振，自是噪波…弹性垂现于

见5 架振个珠施触角保振，自是噪声意状(n=1动Z特8) 做见部模量钢何加材1惯声生显个套矩γ产声弹性点要个套加nZ产动保振做，自密积噪动但球与nZ士1个波峰数的波纹面接触时，在外圈箭头方向上有最大位移。在另一种情况下，当编号为“1”的球与波谷接触时，波峰数为nZ个时，外圈则无径向位移；在nZ士1个波峰数时，外圈在与箭头相反方向有最大位移。由此可以说明在波峰数等于nZ士1时产生振动的原因。 表2中所列的条件是理想的，即波纹是均匀分布，波纹形状是正弦变化的。而对实际的波纹形状，可能有其他频率成分出现。用类似方法可说明波峰数对轴向振动的影响。对于精密轴承，波纹度引起的轴心摆动是不能忽视的。图6所示为在机床中使用的加有预紧力的两个超精密向心球轴承，由于滚道波纹度引起轴心摆动轨迹。此时轴心轨迹呈现内卷形和外卷形两种形式。还应注意，不仅轴承滚道和滚动体的波纹度会引起轴承振动，轴承的内外配合面及轴颈和轴承座孔的波纹度对精密轴承也会引起类似的振动，因为在预紧力作用下，轴承装配后会引起套圈的相应变形。

图6 由轴承零件波纹度引起的轴心摆动(2)轴承偏心引起的振动 如图7所示，当轴承游隙过大或滚道偏心时都会引起轴承振动，振动频率为nfn,fn为轴回转频率，n＝1，2,…。(3)滚动体大小不均匀引起轴心摆动 如图8所示，滚动体大小不均匀会导致轴心摆动，还有支承刚性的变化。振动频率为fc和nfc士fn，n＝1，2,…，此处fc为保持架回转频率，fn为轴回转频率。

图7 轴承偏心引起的轴承振动 图8 滚动体大小不均匀引起的轴心摆动(4)轴弯曲引起轴承偏斜 轴弯曲会引起轴上所装轴承的偏移，造成轴承振动。轴承的振动频率为nfc士fn，n＝1, 2,…。此处fc为保持架回转频率，fn为轴回转频率。4.滚动轴承的声响 滚动轴承在运转时由于各种原因会产生振动，并通过空气传播成为声音，声音中包含着轴承状态的信息。轴承声响有如下几种：

所谓轴承本质的声音是一切轴承都有的声音。滚道声是滚动体在滚动面上滚动而发生的，是一种滑溜连续的声音。它与套圈的固有振动有关，频率一般都在1kHz以上，并与轴承转速有关。辗压声主要发生在脂润滑的低速重载圆柱滚动轴承中，类似于“咯吱咯吱”的声音。 保持架声音是由保持架的自激振动引起的，保持架振动时会与滚动体发生冲撞而发出声音。高频振动声是由加工面的波纹度引起的振动而发出的声音。 在与使用有关的声音中，伤痕声是由滚动面上的压痕或锈蚀引起的，为周期性的振动和声音。尘埃声是非周期性的。 综合以上所述，正常的轴承在运转时也会有十分复杂的振动和声响，而故障轴承的声音则更复杂。三、故障轴承振动信号特点 轴承发生故障后，其振动特征会有明显的变化，主要有以下几方面。1.疲劳剥落损伤 当轴承零件上产生了疲劳剥落坑后(图9以夸大的方式画出了疲劳剥落坑)，在轴承运转中会因为碰撞而产生冲击脉冲。图10给出了钢球落下产生的冲击过程的示意图。在冲击的第一阶段，在碰撞点产生很大的冲击加速度〔图10(a)和(b)〕，它的大小和冲击速度v成正比(在轴承中与疲劳损伤的大小成正比)。第二阶段，构件变形产生衰减自由振动(图c)，振动频率取决于系统的结构，为其固有频率(图d)。振幅的增加量A也与冲击速度v成正比(图e)。 在滚动轴承剥落坑处碰撞产生的冲击力的脉冲宽度一般都很小，大致为微秒级。因力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以其频谱可从直流延展到100～500kHz。疲劳剥落损伤可以在很宽的频率范围内激发起轴承一传感器系统的固有振动。由于从冲击发生处到测量点的传递特性对此有很大影响，因此测点位置选择非常关键，测点应尽量接近承载区，振动传递界面越少越好。

图9 轴承零件上的疲劳剥落坑有疲劳剥落故障轴承的振动信号如图11(a)所示，图11(b)为其简化的波形。T取决于碰撞的频率，T=1/f碰。在简单情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚道上的通过率ZFic或Zfoc或滚动体自转频率fbc 。