六、测试分析方法
⒉测试参数选取
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带通滤波器的中心频率应选在传感器安装谐振频率的中心，谐 振频率通过现场测试确定，图1所示是磁座安装的加速度传感器的 谐振频率，上限频率选在10KHz之上。
包络谱的谱线数一般选800条或1600条，谱线数多则频率分辨 率好。
⒊判断标准
根据轴承尺寸计算的轴承故障频率如下：
内圈故障频率BPIR=49.6Hz
外圈故障频率BPOR=34.2Hz
滚动体BSF=14.7Hz
保持架FTF=2.3Hz
曲轴转频f0=335rpm/60s=5.58Hz
六、测试分析方法
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经过包络处理之后，不平衡、松动、皮带轮偏斜、轴向窜 动等频率都被滤掉了，只用考虑轴承故障和泵进排液阀冲击。 而进排液阀产生的冲击频率是泵转频的1、3、6 ···倍，包络谱 中主要频率分量是43Hz、87Hz、130Hz、260Hz，不是转频 5.58Hz的倍频分量，由此断定故障不是由泵进排液阀窜扰引起 的。当轴承跑内圆或轴承磨损使间隙增大时也会在包络谱上产 生转频及其谐波分量。经过比对，这些频率分量是滚动体故障 频率14.7Hz的3、6、9、18倍频，表明滚动体出现故障，并且 很严重。
滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
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滚动轴承的故障机理及诊断
朱荣乾 杨涛 刘光勇 陈建宇 中国石油吐哈油田公司技术监测中心
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• 摘要：本文介绍了滚动轴承的故障类型和发展历 程，轴承故障频率的计算公式和包络分析的原理 ，并通过实例介绍了滚动轴承的诊断方法。
• 关键词：轴承；故障；诊断；包络
一、引言
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旋转设备约有30%的故障是因滚动轴承引起的，因 滚动轴承抱轴、保持架散落造成转子严重损坏给设备造 成的损失是巨大的。最初的轴承故障诊断是靠有经验的 设备管理和维修人员利用听音棒来判断，只能发现处于 晚期的故障，不能及时发现处于早、中期的轴承故障， 从而造成设备故障的扩展，并延缓维修时间。随着设备 监测诊断技术的发展，各种信号分析与处理技术被用于 轴承的故障诊断。
一、引言
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振动加速度信号的波峰因数是指时域波形的峰值与均方根值之
比，这种方法只适用于轴承点蚀故障的诊断；冲击脉冲技术
(Shock Pulse Method)是瑞典SKF公司多年对轴承故障机理研究的
基础上发明的，它依据滚动轴承在出现疲劳剥落、裂纹、磨损时
产生的脉冲性振动强弱判断轴承故障，这种方法受使用者经验、
转速对轴承包络谱幅值的影响很大，转速越高，幅值越大。因 此，不同转速的轴承，其判断标准也是不同的。最好的判断标准 ，是对同一类设备，在相同工况下，比较其包络谱幅值；或者同 一台设备，不同时段的包络谱幅值趋势。
[ m/ s ^2] 2. 8 2. 4 2 1. 6 1. 2
800m 400m
0 0
Four i er Spect r um( Vi b) - I nput ( Magni t ude) Wor ki ng : I nput : I nput : FFT Anal yzer
些部件因长时间承受交变载荷的作用，首先从接触表面以下最大 交变切应力处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面在表层产生点 状剥落，逐步发展到大片剥落，称之为疲劳剥落。疲劳剥落往往 是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的 疲劳寿命。
二、滚动轴承的故障形式 吐哈油田分公司 TUHA OIL FIELD
(1
d D
cos )
f0
滚动体：BSF
D 2d
[1
(
d D
cos
)2 ]
f0
保持架：FTF
1 2
(1
d D
cos
)
f0
式中：
n——滚动体数目
d——滚动体直径
D——轴承节径，即外环内径与内环外径的平均值
θ——接触角
对于推力轴承，接触角θ为90°。
四、轴承故障频率计算
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设备干扰因素影响较大。美国Entek-IRD公司的峰值能量(Spike
Energy)技术通过检测高频振动的尖峰诊断轴承的故障；CSI公司
的PeakVue技术通过检测轴承产生的应力波诊断轴承故障，对低
速轴承故障信号也有良好的响应；这两种技术诊断准确，但是仪
器价格偏高。包络分析是采用共振解调技术诊断滚动轴承故障，
图3、损坏的轴承内圈滚道
七、结束语
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了解轴承故障的形式和轴承故障的发展 阶段，对于诊断轴承故障是十分必要的。 掌握轴承故障诊断的分析原理和方法是准 确诊断轴承故障的前提。
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请各位专家给予批评指正!
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.11.1220.11.12Thursday, November 12, 2020
之内。包络分析采用带通滤波器，通常选取以加速度传感器安装
共振频率为中心的频带做为载波频率，使微弱的轴承故障信号搭
载在高幅值的谐振频段传递出来，否则高频低幅的轴承故障信号
在多个界面经过反射、衰减之后，传感器很难拾取。再对所测信
号进行绝对值处理，之后采用低通滤波，即可获得调制信号的包
络线，然后进行快速傅立叶变换FFT，便可得到轴承的包络谱，这
• 第四阶段：在加速度和速度频谱图上均能看到轴承故障频率 的基频和高次谐波，并伴随有转速频率的边频带，各种手段所 测频谱图的基底噪音水平升高，继而轴承故障频率开始消失被 随机振动或噪音代替。能明显听到故障轴承产生的噪声。此时 轴承已处于危险状态。
四、轴承故障频率计算
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三、轴承故障的发展历程 吐哈油田分公司 TUHA OIL FIELD
轴承失效通常划分为四个阶段：
• 第一阶段：在轴承失效的初始阶段，故障频率出现在超声 频段。有多种信号处理手段能够检测到这些频率，如峰值能 量gSE、应力波PeakVue、包络谱ESP、冲击脉冲SPM等。 此时，轴承故障频率在加速度谱和速度频谱图上均无显示。 第二阶段：轻微的轴承故障开始激起轴承元件的固有频段 ，一般在500～2KHz范围内。同时该频率还作为载波频率调 制轴承的故障频率。起初只能观察到这个频率本身，后期表 现为在固有频率附近出现边频。此时，轴承仍可安全运转。
个过程也称为共振解调。
六、测试分析方法
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1、传感器放置
滚动轴承的故障检测主要采用加速度传感器，电涡流位移 传感器和磁电式速度传感器不适用于滚动轴承的故障检测。加 速度传感器的固定方法通常有双头螺栓、磁座、探针。以 Entek-IRD公司的970i传感器为例，在安放稳固的情况下，双头 螺栓的安装谐振频率大约在27KHz附近，磁座安装的谐振频率 约在7KHz附近，探针安装的谐振频率大约在1.6KHz附近。前 两种安装方式都适用滚动轴承的故障检测，探针安装方式不但 谐振频率低，而且对高频振动衰减较大，不适宜滚动轴承故障 的检测。
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5.40KHz
2k
4k
6k
8k
10k
12k
[ Hz]
图1、传感器的安装谐振频率
六、测试分析方法
4.轴承故障分析
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图2是一台三柱塞注水泵轴承的包络谱。泵转速335rpm，排出压力 25MPa，流量16m3/h， 驱动电机功率132KW，电机转速985rpm， 电机与泵通过皮带传动。泵轴承为双排球面滚子轴承，型号22330。
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轴承故障会产生周明性的冲击振动信号，通常是高频低幅值
信号，在故障的早期和中期，因不平衡、不对中、松动等故障的
幅值较高，在常规速度谱和加速度谱难以观察到轴承的故障频率
。现场使用最多的是带磁座的压电加速度传感器，对常规振动通
常取传感器安装共振频率的1/3，以保证所测谱线幅值在线性范围
六、测试分析方法
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加速度传感器一般安装在轴承承受载荷的方向，对于 水平放置联轴器传动的设备，传感器安放在轴承座下方； 对于皮带传动的设备，传感器安放在两皮带轮连线方向轴 承座内侧。在测试之前，一定要了解轴承座的结构，避免 把轴承安放的轴承座空腔处，这样轴承的高频信号衰减很 大。采用磁座方装方式，需清理掉不平或过厚的油漆。
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[ m/ s ^2] 8 7
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6 43.0Hz
5
87.0Hz 4
3 5.0Hz 2
应用广泛，效果也不错，许多监测仪器采用这一技术。
二、滚动轴承的故障形式 吐哈油田分公司 TUHA OIL FIELD
滚动轴承在正常情况下，长时间运转也会出现疲劳剥落和磨 损。而制造缺陷、对中偏差大、转子不平衡、基础松动、润滑油 变质等因素会加速轴承的损坏。滚动轴承的主要故障形式与原因 如下。
• ⒈疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体交替进入和退出承载区域，这
• ⒉磨损 长时间运转使轴承的内外滚道和滚动体表面不可避免地产生磨损，持
续地磨损使轴承间隙增大，振动和噪声增加。润滑不良和硬质颗粒进入 滚道会加速轴承的磨损。