1、轴承故障诊断优选轴承故障诊断 3.塑性变形塑性变形当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。进一步引起附近表面的剥落。4.锈蚀锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精
2、度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板
3、状的凹凸不平。5.断裂断裂过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和过高的载荷会可能引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也起轴承零件断裂。另外，装配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。6.胶合胶合在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，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，导致表面轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及
4、胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。附到另一个零件部件表面上的现象。7.保持架损坏保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚它与滚动体之间的摩擦，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等。这一损动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒
5、接触轴承部最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。后来采用各式测振位，依靠听觉来判断轴承有无故障。后来采用各式测振仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障（如恩态克、来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故等离线故障诊断仪器）。障诊断仪器）。滚动轴承的监测位置振动波的传播路径是通过轴滚动轴滚动轴承的监测位置振动波的传播路径是通过轴滚动轴承轴承座。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座承轴承座。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就
6、可以掌握三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和滚动轴承等故障。滚动轴承等故障。在发生表面剥落等故障时，会产生下图所示的冲击振动，这种振动从性质上可分成两类：第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作面缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的“通过频率”，其发生周期可以从转速和零件的尺寸求得。滚动轴承故障的特征频率 内圈：fe=fr(1+d/Dcos)z/2 外圈：fo=fr(1-d/Dcos)z/2滚动体：fg=fr(1-d2/D2 cos2)D/d/2假设：滚动体为纯滚动 f1：
7、滚动体公转频率 2V1=V2 (1)V1=2f1*D/2 (2)V2=2fr*(D-dcos)/2 (3)(2),(3)代入(1)式：2f1D=fr(D-dcos)(4)当外圈有缺陷时：fo=f1z=fr(1-d/Dcos)z/2 当内圈有缺陷时：fe=(fr-f1)z =fr(1+d/Dcos)z/2V1V2dDfr滚动轴承滚动体旋转故障频率=fr(1+d/Dcos)z/2图 轴承疲劳时的加速度频谱FTF=(N/2)1（d/D）Cos当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。重复率等于故障特征频率。确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子
8、故障。(2),(3)代入(1)式：（2）轴承其他元件的固有振动。用测振仪测得振动加速度值如表79。由表79可知，3号机测点处振动大，比1号机和2号机相同部位大得多，初步估计测点处轴承有问题。当内圈有缺陷时：局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达到10。V1=2f1*D/2 (2)FTFr 0.轴承外环故障及转子不平衡时特征频谱其频带在（2060）kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。BPFI=(N/2)z1+(d/D)Cos 由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动，所以利用这些
9、固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。（5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径向相同），或者其波峰系数大于5，表明故障产生了高频冲击现象。滚动轴承保持架故障频率滚动轴承保持架故障频率 FTF=(N/2)1（d/D）Cos 滚动轴承滚动体旋转故障频率滚动轴承滚动体旋转故障频率 BSF=(N/2)(D/d)1(d/D)Cos 滚动轴承外环故障频率滚动轴承外环故障频率 BPFO=(N/2)z1(d/D)Cos 滚动轴承内环故障频率滚动轴承内环故障频率 BPFI=(N/2)z1+(d/D)Cos 以上符号以上符号 d=滚动体直径滚动体直径;D=滚动轴承平均直径
10、滚动轴承平均直径(滚动体中心处直径滚动体中心处直径)=径向方向接触角径向方向接触角 z=滚动体数目滚动体数目 N=轴的转速。轴的转速。注注1.滚动轴承没有滑动；滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转轴承外环固定不旋转.mDR滚动轴承故障频率计算汇总滚动轴承故障频率计算(2)经验公式 外环故障频率 BPFOr 0.4Nz 内环故障频率 BPFIr 0.6Nz 保持架故障频率 FTFr 0.4N 以上符号 z=滚动体数目；N=轴的转速。注1.滚动轴承没有滑动；2.滚动轴承几何尺寸没有变化；3.轴承外环固定不旋转.第二类是固有振动。根据频带不
11、同，在轴承故障诊断中可第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种利用的固有振动有三种（1 1）轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在（）轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在（18 18）kHz kHz范围类。如离心泵、风机、轴承试验机这类简单机械的滚范围类。如离心泵、风机、轴承试验机这类简单机械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。（2 2）轴承其他元件的固有振动。其频带在（）轴承其他元件的固有振动。其频带在（20602060）kHzkHz范范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。（3 3
12、）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度传感）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常在轴承器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常选择在故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常选择在10kHz10kHz左右。左右。由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动，所以利用这些固有振动当中的从而激发起各种固有振动
13、，所以利用这些固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。（1）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分）及其低倍频处有峰。局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达到10。V1=2f1*D/2 (2)后来采用各式测振仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故障诊断仪器）。（2）轴承其他元件的固有振动。其频带在（2060）kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。滚动轴承几何尺寸没有变化；滚动轴承滚动体旋转故障频率(2),(3)代入(1)式：BPFO=(N/2)z1
14、(d/D)Cos局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达到10。图 轴承疲劳时的加速度频谱滚动轴承保持架故障频率确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。表7-9 三台压缩机振动加速度数据BPFO=(N/2)z1(d/D)Cos1234轴承外环故障特征频谱轴承外环故障特征频谱轴承外环故障及转子不平衡时特征频谱轴承外环故障及转子不平衡时特征频谱1234轴频轴频ff f f ff f f f轴承内环故障特征频谱轴承内环故障特征频谱12341ff f f ff f f f2ff f f f轴频轴频f24681ff f f ff f f f2ff f f ff f
15、f f轴承滚动体故障特征频谱轴承滚动体故障特征频谱f f 为保持架故障频率为保持架故障频率轴承保持架故障特征频谱轴承保持架故障特征频谱x1x2x3x4诊诊 断断 特特 征征 1 1、频谱和波形特征、频谱和波形特征 （1）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分）及其低倍频处有峰。若有多个同类故障（内滚道、外滚道、滚子），则在故障特征频率的低倍频处有较大的峰。（2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1RPM。（3）滚动体故障特征频率处有边带，边带间隔为保持架故障特征频率。（4）在加速度频谱的中高频区域若有峰群突然生出（下图所示），表明有疲劳故障。（5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向
16、负载时，轴向振动波形与径向相同），或者其波峰系数大于5，表明故障产生了高频冲击现象。2V1=V2 (1)BPFOr 0.2V1=V2 (1)而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和滚动轴承等故障。确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。重复率等于故障特征频率。对测点振动波形的包络信号作功率谱分析（图725），分析频率500Hz，400谱线
17、，功率谱。其频带在（2060）kHz范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。图 轴承疲劳时的加速度频谱滚动轴承保持架故障频率fo=f1z=fr(1-d/Dcos)z/2此后故障达到严重程度，有效值增大而Fc减小，轴承到了应更换的时候。锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。（1）径向振动在轴承故障特征频率（见下面说明部分）及其低倍频处有峰。2f1D=fr(D-dcos)(4)重复率等于故障特征频率。计算该测点轴承特征频率（R=1480r/min，D=122.图图 轴承疲劳时的加速度频谱轴承疲劳时的加速度频谱a a正常正常轴轴承；承；b b外圈疲
18、外圈疲劳劳；c c钢钢球疲球疲劳劳；d d内内圈疲圈疲劳劳说明：波峰系数说明：波峰系数Fc=峰值峰值/有效值，轴承使用初期状态正常时，有效值，轴承使用初期状态正常时，Fc5；局部故障产生并逐步发展时，；局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现，此阶段有冲击现象，象，Fc最大可达到最大可达到10。此后故障达到严重程度，有效值增大。此后故障达到严重程度，有效值增大而而Fc减小，轴承到了应更换的时候。减小，轴承到了应更换的时候。2、故障分析、故障分析（1）频域）频域 确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障，确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障，若还有明显的倍频成分，表明故障严重。若还有
19、明显的倍频成分，表明故障严重。确认内滚道特征频率处不但有峰，还有间隔为确认内滚道特征频率处不但有峰，还有间隔为1RPM的边频，表明有内滚道故障。的边频，表明有内滚道故障。确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。有滚子故障。确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。若轴向有负载，则可注意轴向振动。与径向振动若轴向有负载，则可注意轴向振动。与径向振动有类似特征。有类似特征。（2）时域）时域 可能有重复冲击现象，但很小。重复率等于故障特可能有重复冲击现象，但很小。重复率等于故障特征频率。征频率。（1
20、）故障情况）故障情况 某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转速速1480r/min，其中，其中，3号机噪音特别响（图号机噪音特别响（图724）。用测振仪测得振动加速度值如表）。用测振仪测得振动加速度值如表79。图图 压缩机及测点示意图压缩机及测点示意图1 1电电机；机；2 2阴阴螺杆；螺杆；3 3阳阳螺杆螺杆表7-9 三台压缩机振动加速度数据参数参数 测点测点 设备设备平均值（平均值（G G）峰值（峰值（G G）H HH HH HH HH HH H1 1号机号机1.31.31.91.91.81.85.18.5.18.8 8121812187.3137.
21、3132 2号机号机0.580.581.01.00.670.671.81.83.33.32.72.73 3号机号机超超4.44.42.22.21.81.8超超404016168.7138.713（2）诊断）诊断 由表由表79可知，可知，3号机测点处振动大，比号机测点处振动大，比1号机和号机和2号机相同部位大得多，初步估计测点处轴承号机相同部位大得多，初步估计测点处轴承有问题。有问题。对测点振动波形的包络信号作功率谱分析（图对测点振动波形的包络信号作功率谱分析（图725），分析频率），分析频率500Hz，400谱线，功率谱。计谱线，功率谱。计算该测点轴承特征频率（算该测点轴承特征频率（R=148
22、0r/min，D=122.5mm，d=22mm，N=11，=10）为）为 外滚道外滚道108.75Hz；内滚道内滚道162.8Hz；保持架保持架9.9Hz；滚滚 子子48.8Hz。图7-25 3号机H振动频谱（5）径向振动时域波形有重复冲击迹象（有轴向负载时，轴向振动波形与径向相同），或者其波峰系数大于5，表明故障产生了高频冲击现象。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动，所以利用这些固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。5mm，d=22mm，
23、N=11，=10）为当内圈有缺陷时：确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。由表79可知，3号机测点处振动大，比1号机和2号机相同部位大得多，初步估计测点处轴承有问题。计算该测点轴承特征频率（R=1480r/min，D=122.滚动轴承的监测位置振动波的传播路径是通过轴滚动轴承轴承座。BPFIr 0.（2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1RPM。当外圈有缺陷时：确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和滚动轴承等故障。2V1=V2 (1)
24、BPFO=(N/2)z1(d/D)Cos图 轴承疲劳时的加速度频谱滚动轴承几何尺寸没有变化；重复率等于故障特征频率。当内圈有缺陷时：与径向振动有类似特征。（3）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常选择在10kHz左右。最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。计算该测点轴承特征频率（R=1480r/min，D=122.滚动轴承的监测位置振动波的传播路径是通过轴滚动轴承轴承座。所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。2V1=V2
25、(1)滚动轴承几何尺寸没有变化；确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。图 轴承疲劳时的加速度频谱最原始的滚动轴承故障诊断方法是用听音棒接触轴承部位，依靠听觉来判断轴承有无故障。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。（2）内滚道故障特征频率处有边带，边带间隔为1RPM。5mm，d=22mm，N=11，=10）为确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，
26、表明有滚子故障。(2),(3)代入(1)式：图 轴承疲劳时的加速度频谱当内圈有缺陷时：2f1D=fr(D-dcos)(4)V1=2f1*D/2 (2)FTF=(N/2)1（d/D）Cos2V1=V2 (1)(2),(3)代入(1)式：对于滚动轴承的监测，我们一般选用轴承座三个方向（水平、垂直和轴向）进行监测，就可以掌握旋转机械的一些故障特征，如不平衡、不对中、松动和滚动轴承等故障。图 轴承疲劳时的加速度频谱(2),(3)代入(1)式：当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。当内圈有缺陷时：确认高频区域有峰
27、群出现，表明轴承有疲劳故障。滚动轴承几何尺寸没有变化；V1=2f1*D/2 (2)2f1D=fr(D-dcos)(4)用测振仪测得振动加速度值如表79。某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转速1480r/min，其中，3号机噪音特别响（图724）。BPFI=(N/2)z1+(d/D)Cos 确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。锈蚀锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。(2),(3)代入(1)式：后来采用各式测振仪器并利用振动位移、速度或加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障（如恩态克、SKF、CSI等离线故障诊断仪器）。表
28、7-9 三台压缩机振动加速度数据V1=2f1*D/2 (2)V1=2f1*D/2 (2)（3）加速度传感器的一节固有频率，合理利用加速度传感器（安装）系统的一节谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中受到良好效果，其频率范围通常选择在10kHz左右。局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达到10。确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。实例 压缩机轴承损伤图 轴承疲劳时的加速度频谱局部故障产生并逐步发展时，Fc5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达到10。BPFI=(N/2)z1+(d/D)Cos 某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转速1480r/min，其中，
29、3号机噪音特别响（图724）。滚动轴承几何尺寸没有变化；胶合在润滑不良、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，导致表面烧伤及胶合。用测振仪测得振动加速度值如表79。对测点振动波形的包络信号作功率谱分析（图725），分析频率500Hz，400谱线，功率谱。(2),(3)代入(1)式：此后故障达到严重程度，有效值增大而Fc减小，轴承到了应更换的时候。2V1=V2 (1)磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。图 轴承疲劳时的加速度频谱表7-9 三台压缩机振动加速度数据根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种实例
30、 压缩机轴承损伤重复率等于故障特征频率。用测振仪测得振动加速度值如表79。(2),(3)代入(1)式：水分或酸、碱性物质直接侵人会引起轴承锈蚀。V1=2f1*D/2 (2)滚动轴承故障频率计算(2)经验公式2f1D=fr(D-dcos)(4)某初轧厂有三台同样规格的螺杆式压缩机，转速1480r/min，其中，3号机噪音特别响（图724）。BPFO=(N/2)z1(d/D)Cos确认滚子特征频率处不但有峰，还有边频，表明有滚子故障。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种FTF=(N/2)1（d/D）Cos确认高频区域有峰群出现，表明轴承有疲劳故障。当外圈有缺陷时：图3-26 2号机H振动频谱
