滚动轴承故障诊断
振动原因分析
滚动轴承故障诊断 振动机理
轴承结构特点引起的振动
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
采用游隙较小的轴承或加预紧力可减小此振动
滚动轴承的承载刚度和滚子位置的关系
振动原因分析
轴承的装配制造原因引起的振动
滚动轴承故障诊断 振动机理
滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理
➢断裂 ➢胶合
滚动轴承的故障诊断技术
➢保持架损坏
➢ 装配不当 ➢ 润滑不良 ➢ 腐蚀 ➢ 过热 ➢ 过载
滚动轴承故障诊断
概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术
➢ 轴承结构特点引起的振动 ➢ 轴承制造装配原因引起的振动 ➢ 故障缺陷引起的振动
机械设备故障诊断技术 ----滚动轴承故障诊断
北京科技大学 机械工程学院 黎敏 2020/9/23
滚动轴承故障诊断
概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术
概述
滚动轴承是旋转机械中的重要零件 滚动轴承的优点
摩擦系数小，运动精度高 对润滑剂的黏度不敏感，多数滚动轴承可使用润滑脂 低速下也能承受载荷 产品已经国际标准化，易于大批量生产，成本低廉，互换性好 滚动轴承的缺点 承受冲击的能力差 滚动体上的载荷分布不均匀
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
常见故障形式
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
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
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
在碰撞点产生很大的冲击加速度(a图和b图)，大小和冲击速度成正比 构件变形产生衰减自由振动(c图) 振动频率取决于系统的结构，为其固有频率(d图) 振幅的增加量A也与冲击速度成正比
振动原因分析---故障缺陷引起的振动(3)
疲劳剥落损伤
疲劳剥落故障轴承的振动信号 T取决于碰撞频率，T=1/f碰
外圈疲劳失效
常见故障形式
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
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
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
常见故障形式
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
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
常见故障形式
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
滚动轴承故障诊断 振动机理
振动原因分析---故障缺陷引起的振动(3)
轴承外滚道损伤 轴承内滚道损伤 滚动体损伤
滚动轴承故障诊断 振动机理
滚动轴承故障诊断
概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术
➢ 轴承结构特点引起的振动 ➢ 轴承制造装配原因引起的振动 ➢ 故障缺陷引起的振动
类比判定标准
•对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振动检测， 并将振值相互比较进行判断的标准
简易诊断
振动信号简易诊断法
振幅值诊断法
振幅值指峰值、均方根值
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像表面点蚀损伤 之类的具有瞬时冲击的故障诊断；对于转速较低的情况（如 300r/min以下），也常采用峰值进行诊断
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
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
常见故障形式
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
塑性变形
原因：
轴承受到过大的冲击载荷或静载荷，热变形引起额外的载荷
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
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）
滚动轴承故障诊断 ➢疲劳剥落
➢磨损
概述
➢锈蚀 ➢塑性变形
的故障频 率区
•润滑不好
•零部件的固有 频率区
•结构件固有频率区 •传感器的固有频率区
1KHz
20KHz
80KHz 频率Hz
滚动轴承故障诊断
概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术
➢振动测量 ➢简易诊断 ➢精密诊断
获取数据 • 常用特征值 • 波形指标 • 峰值指标 • 概率密度 • 峭度指标 • SPM
中频段
中频段指1k～20kHz频率范围 使用截止频率为1kHz的高通滤波器滤去1kHz以下的低频成分，以消除
机械干扰；
用信号的峰值、RMS值或峭度指标作为监测参数
使用带通滤波器提取轴承零件或结构零件的共振频率成分，用通带内 的信号总功率作为监测参数
振动测量
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
分析谱带的选择
振动测量
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
分析谱带的选择
低频段
低频率段指1kHz以下的频率范围
一般可以采用低通滤波器（例如截止频率f≤1kHz）滤去高频成分后再 作频谱分析
可直接观察频谱图上相应的特征谱线，做出判断
这个频率范围容易受到机械及电源干扰，并且在故障初期反映故障的 频率成分在低频段的能量很小。因此，信噪比低，故障检测灵敏度差
均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随时 间缓慢变化的故障诊断
峰值 均方根值
X p max ( xi )
X rms
1 N
N
xi2
i 1
简易诊断
振动信号简易诊断法
波形指标诊断法
Xp
波形指标：峰值与均值之比 X
当波形指标值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；
当波形指标较小时，则有可能发生了磨损；
一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大， 但此时均方根值尚无明显的增大，故Xp/Xrms增大
当故障不断扩展，峰值逐步达到极限值后，均方根值则开始增大， Xp/Xrms逐步减小，直至恢复到无故障时的大小
峰
值
故障劣化
指
标 正常
故障严重
t
简易诊断
振动信号简易诊断法
概率密度诊断法
无故障轴承：典型正态分布曲线 有故障轴承：概率密度曲线可能出现偏斜或分散
简易诊断
目的
简易诊断：判断滚动轴承是否出现了故障 精密诊断：判断故障轴承的故障类别及原因
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
滚动轴承故障的简易标准
绝对判定标准
绝对判定标准是指用于判断实测振值是否超限的绝对量值
相对判定标准
对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行比较， 以轴承无故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振值 之比来进行判断的标准
高频段
高频率段指20～80kHz频率范围
轴承故障引起的冲击有很大部分冲击能量分布在高频段
如果采用合适的加速度传感器和固定方式保证传感器较高的谐振频率， 利用传感器的谐振或电路的谐振增强所得到衰减振动信号，对故障诊 断非常有效
瑞典的冲击脉冲计（SPM）和美国首创的IFD法就是利用这个频段
•滚动轴承 4个零部件
正常轴承
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
故障轴承
简易诊断
振动信号简易诊断法
峭度指标诊断法
振幅满足正态分布规律的无故障轴承， 其峭度指标值约为3。
随着故障的出现和发展，峭度指标具 有与峰值指标类似的变化趋势
与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主 要适用于点蚀类故障的诊断
例子： ① 实验中第74h轴承发生了疲劳破 坏，峭度指标由3上升到6，而此 时RMS值尚无明显增大 ② 故障进一步恶化后，RMS值才有 所反映，RMS适合于磨损类故障
➢ 锈蚀 ➢ 塑性变形 ➢ 断裂 ➢ 胶合 ➢ 保持架损坏
常见故障形式
滚动轴承故障诊断 常见故障形式及原因
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
概述
滚动轴承的组成
外圈 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
滚动轴承故障诊断 ➢ 疲劳剥落
➢ 磨损
概述 滚动轴承故障形式与原因 滚动轴承的振动机理 滚动轴承的故障诊断技术
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
点蚀
磨损
简易诊断
振动信号简易诊断法
峰值指标诊断法
Xp
峰值指标：峰值与均方根值之比 X rms
滚动轴承故障诊断 故障诊断技术
不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器、放大器等一、 二次仪表灵敏度变化的影响，特别适用于点蚀类故障的诊断
