滚动轴承的状态监测与故障判断

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　　摘 要：本文中研究滚动轴承故障诊断研究的基本方法将采用滚动轴承的振动信号分析的方法，采取与正常轴承振动信号作对比的方式，抽样选取不同轴承振动的信号，通过比对从而判断该滚动轴承的故障类型并在此基础之上获得其状态监测的方法。
　　关键词：滚动轴承；振动信号；故障判断；状态监测
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.047
　　1 监测与诊断的目的和意义
　　滚动轴承是旋转机械的重要组成部分，同时也是旋转机械中最容易出现故障的部件之一。它具有造价较低、润滑冷却方便、运行灵敏、使用效率较高、维修便捷等优点，在机械行业应用广泛。据有关统计显示，在旋转机械故障率中有近30%的故障是由于滚动轴承发生故障而引起的，所以，对滚动轴承的状态监测和故障诊断进行研究势在必行。
　　滚动轴承正常运行与否，对于整机的可靠性、精度以及寿命等性能有很大的影响。据有关统计显示，在旋转机械故障率中有近30%的故障是由于滚动轴承发生故障而引起的，在将故障诊断技术运用到生产中以后，事故率降低近70%，同时降低的维修费用也有近40%。
　　利用轴承状态监测技术可以了解轴承的使用性能，并对可能发生的故障进行早期检测，分析和预测可能发生的故障，进一步提高设备的管理水平和维修效率，经济效益十分显著。
　　2 轴承故障诊断的发展历程
　　轴承故障诊断刚开始主要是依靠人工听觉来诊断，再有就是利用探听棒这种方法在许多企业中仍在使用，一些工具已经被改进到电子听诊器。例如，当使用电子听诊器检测轴承故障时，具有经验丰富的人员可以凭经验诊断轴承疲劳剥落，有时还可以诊断出损伤发生的位置，但是其它的外部原因，可靠性有时会无法得到保证。随着科技的发展，越来越多的振动仪器被运用到在滚动轴承的状态监测工作中。这些仪器利用振动位移、速度和加速度的均方根值或峰值来判断轴承是否有故障。这些仪器减少我们对经验的依赖，使得监测和诊断的准确性有了很大的提高，但是在故障发生的初始阶段仍然很难及时做出准确的诊断。
　　瑞典SKF公司在多年研究轴承故障机理的基础上，于1966年发明了脉冲计检测轴承损伤的方法，很大程度上的提高了滚动轴承的故障诊断工作的准确性和及时性。此后，许多公司都安装了大量的振动监测传感器来监测轴承的长期运行，再有就是航天领域也采用了这样的监测仪器。
　　1976年至1983年，由（NSK）公司研制了NB系列轴承监测仪。利用轴承振动信号的1～15 kHz范围，测量了轴承故障的均方根（RMS）和峰值。通过对低频的滤波，提高了灵敏度。
　　随着滚动轴承运动学和动力学的发展，人们对轴承振动信号的频率分量与轴承几何尺寸和缺陷类型的关系有了深刻的认识。滚动体共振频率、滚动轴承振动与缺陷、非均匀尺寸与磨损的关系最具代表性。
　　目前，用于滚动轴承故障诊断的信号分析仪种类繁多。根据滚动轴承振动波形在时域上的分析，美国Entek公司提出了“波尖能量”法，并發明了与之匹配的检测仪器。极大的推动了轴承故障诊断技术的发展。滚动轴承状态监测和故障诊断有多种分析和处理技术，如频率细化技术、倒谱技术、包络分析技术等。为了提高诊断灵敏度，在信号预处理中采用了相干滤波和自适应滤波等多种滤波技术。
　　3 滚动轴承的主要失效形式
　　3.1 疲劳脱落
　　滚动轴承的滚动体和内外滚道在轴承区域轮流进出。由于长期载荷变化的影响，疲劳裂纹首先产生于接触面以下的最大交变剪应力的地方，随后疲劳裂纹会延伸到接触表面，在接触表面会产生斑点状的剥落，运行时间越来越长，点状剥落也会慢慢的发展为更大的剥落，此种情况称为疲劳剥落。疲劳剥落是滚动轴承失效的最主要原因，因此，轴承寿命通常是指轴承的疲劳寿命。
　　3.2 磨损
　　磨损的主要原因是滚珠与滚道之间的相对运动以及有异物进入滚道而引起的表面磨损。另外，润滑状态不良也会使得轴承的磨损更加严重，最终使得轴承游隙超过最大允许的游隙，使得其表面粗糙度增加从而降低了轴承的工作精度，轴承也因此无法正常工作而发生故障。
　　3.3 胶合
　　在高速、重载的工况下，轴承滚道与滚动体接触表面有轻微的凹凸不平或存在异物颗粒使得工作表面受到的力会变得不均匀，由于摩擦接触产生的热变形和摩擦表面可能是部分融化从而导致表面烧伤及胶合。
　　3.4 断裂
　　当轴承承受过大的载荷和振动时，内、外圈的缺陷位置将反复受到振动体的冲击，缺陷将逐渐扩展和断裂。
　　3.5 锈蚀
　　润滑油中含有水或空气中的水分凝结在轴承上会使得其表面发生锈蚀。当轴承内部有较大的电流通过会造成电腐蚀，使得表面摩擦不均。
　　3.6 其他
　　另外，装配和使用方式不正确可能会使保持架发生变形，保持架与滚动体之间的摩擦会变大，使它与滚动体粘在一起，还有可能会使保持架与内外圈之间的摩擦变大。振动和噪音进一步变大，最终造成轴承损坏失效。
　　4 滚动轴承的状态监测技术
　　滚动轴承状态监测技术主要包括振动信号分析、轴承润滑状态监测、温度检测等。
　　4.1 振动信号分析诊断法
　　在滚动轴承的监测诊断方法中使用最广泛的一种方法就是振动信号分析诊断法。当滚动轴承表面部分受损时，轴承会产生周期性的宽带脉冲激励信号。 滚动轴承振动的频谱结构可分为三类。
　　（1）低频谱（低于1kHz），包括轴承的故障特征频率和加工误差引起的振动特征频率。对于低频段的频段谱线进行分析，可以诊断轴承的相应故障。
　　（2）中频谱（1～20 kHz），轴承表面损伤而引起的轴承的固有振动频率。一般是采用共振调节技术获得高信噪比的振动信号，从而进行轴承故障分析。 　　（3）高频谱（超过20 kHZ），是指的轴承损坏造成的影响超过20 kHZ频率能量分布，主要包括信号包含超过20 kHZ高频部分。高频信号分析通常作为诊断初期轴承故障最常用的一种方法。
　　4.2 轴承润滑状态监测诊断法
　　当轴承滚动表面的润滑状态发生变化，如从全液润滑过渡到干摩擦时，金属间的直接接触时间会不断的增加，轴承所受的冲量值也会相应增加，油膜阻力随之不断减小。因此，油膜电阻诊断法和油膜厚度法是监测工作中常用的两种方法。
　　4.3 温度监测诊断法
　　滚动轴承做为一种旋转部件，在工作时就会有热量产生。当轴承发生某种损伤时，轴承温度会发生变化，因此，轴承温度监测方法可以用于诊断轴承的故障。但是，当轴承温度出现明显时，所发生的故障往往已经达到非常严重的程度，所以这种方法主要用于辅助监测和诊断方法，确保重要设备不会发生报废事故。
　　5 滚动轴承的主要失效过程
　　第一阶段：轴承失效的起始阶段，其频率范围约为20 kHz至60 kHz或更高。此阶段可以采用各种电子仪器来采集这些频率，比如冲击脉冲、峰值能量和其他超音频测量仪器。在此阶段，将没有关于普通光谱的指示。
　　第二阶段：由于轴承上的庇点增大，使它在共振频率处发出铃叫声。同时，该频率也被用作载波频率调制的轴承故障频率。
　　第三阶段：出现轴承故障时的频率，在初始阶段只能观察到频率本身。随着轴承磨损进一步加剧的时候，故障频率的峰值将会进一步的增大。通常波峰都是随时间而线性增加的。
　　第四阶段：随着故障的发展程度逐渐严重，故障频率会产生谐波。这表明故障频率谐波的影响有时可能比基波峰值频率更早被检测。同时，脉冲将显示在相应的时域波形中。
　　第五阶段：故障发生的状态进一步加剧，轴承的损伤程度也会逐步加深，振动水平将继续上升，更多的谐波也会随之产生。时域波形的峰值将更加清晰和明显，甚至可以通过测量峰值之间的时间间隔来计算故障频率。高频轴承检测（如峰值能量和冲击脉冲）的趋势都是在不断上升的。
　　第六阶段：由于磨损引起的间隙变大，1倍频的振幅也会增加，也会产生1倍频的谐波。
　　第七阶段：此阶段故障频率和边带形成山峰状，通常被称为“干草堆”峰，这是由于宽带噪声所致。此时，轴承发出的噪音会高于之前，在此阶段，高频轴承测量值会慢慢的变少，虽然测量出振幅会有下降的变化，但应尽快更换新的轴承。
　　第八阶段：频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波会随着松动的增加而逐漸变大，高频轴承测量值可能会继续下降，但此时，噪音的分贝值正在上升。在一定距离内都可以很清楚的听到轴承发出的噪音，此时轴承已经接近完全损坏报废。
　　第九阶段：经过此阶段后，谱线变成了一条直线，机器将无法正常工作。
　　6 滚动轴承的主要参数与故障频率计算
　　滚动轴承主要有内圈、外圈、滚动体、保持架四部分组成。
　　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：内圈滚道的半径；
　　外圈滚道半径r2：外圈滚道的半径；
　　滚动体个数Z：滚珠或滚珠的数目；
　　接触角α：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角。
　　滚动轴承的特征频率：
　　为更好地分析轴承的运动参数，我们提出了以下假设：
　　（1）滚道与滚动体之间无相对滑动；
　　（2）内圈滚道回转频率为fi；
　　（3）承受径向、轴向载荷时各部分无变形；
　　（4）外圈滚道回转频率为f0。
　　那么故障频率分别为：
　　内圈：BPFI=（1+cosɑ）*f0；
　　外圈：BPFO=（1-cosɑ）*f0；
　　滚动体：BSF=[1-（cosɑ）2]*f0；
　　保持架：FTF=（1-cosɑ）*f0。
　　当轴承的几何尺寸不易测量时，在知道滚珠数量的时候，我们可以运用下列公式来估计轴承的失效频率：
　　内圈：BPFI=（+1.2）*f0；
　　外圈：BPFO=（-1.2）*f0；
　　滚动体：BSF=（-）*f0；
　　保持架：FTF=（-）*f0。
　　7 滚动轴承的振动特征分析方法
　　7.1 特征参数分析法
　　特征参数分析法在滚动轴承振动特性分析中起着重要的作用。特征参数分析法只需几个指标就能分析出轴承的运行状态，因此这种方法使用方便，分析结果简单，特征参数法还有对轴承状态进行分析无需历史记录的优点。滚动轴承特性参数分析与诊断中常用的参数包括RMS、峰值等各种时域特性参数和重心频率等频域参数。时域和频域参数主要用于一些最基本的诊断，使用其中之一参数分析有时会得不到准确的诊断结果。因此，在实践中应该进行合理的利用，以获得良好的效果。
　　7.2 频谱分析法
　　特征参数可用于轴承故障的初步诊断，但诊断出故障后，我们应该通过频谱分析法对故障进行详细的分析。滚动轴承的振动频率由低频分量和高频分量组成。每个故障都有特定的频率分量与之相对应，需要通过信号处理方法来分离出来其频率，用来判断存在的与之对应的故障。
　　轴承信号的频谱分析是故障诊断最有效的方法，但是该方法需要了解轴承几何结构和工作状态。此外，利用频谱分析方法提取了中低频段轴承故障的特征频率及谐波，然而轴承故障特征频率与其它部件的特征频率相近，因此难以辨别。
　　7.3 包络法
　　包络法具有能同时识别同一轴承多种故障的特点，极大的提高了诊断的准确性。当轴承表面局部损伤时，在运行的过程中要撞击接触表面并产生冲击脉冲力。由于冲击力具有较宽的频带，这其中也会包含其他部件的固有频率，则会引起振动测量系统的共振。所以，被测振动加速度信号包括很多载波共振频率及其上的故障特征频率和谐波分量。
　　通常我们会选择谐振频率作为中心，此时细微的故障信号就会借助高幅值的谐振频段传递出来使得我们能够使用仪器捕捉到。不然高频低幅轴承故障信号经过多个界面的反射衰减后，就会变得难以被提取。利用低通滤波器可以得到调制信号的包络信号，然后利用快速傅里叶变换（FFT）得到包含故障特征频率及其倍频分量的低频包络信号。包络信号的频谱分析可以方便地诊断轴承故障。这一过程也称为共振解调。
　　8 结语
　　对滚动轴承的故障形式和故障的发展阶段熟知是诊断滚动轴承故障的必要条件。对滚动轴承故障诊断的分析原理和方法掌握则是准确诊断滚动轴承故障的前提。
　　参考文献：
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