滾動軸承失效模式及研究方法

1、1,滾 動 軸 承 故 障 診 斷,2005第二版版權(quán)所有 違者必究,2,軸承故障原因及其解決,過負荷引起過早疲勞，（包括過緊配合，布式硬度凹痕和預(yù)負荷）減少負荷或重新設(shè)計過熱征兆是滾道，球和保持架變色，從金色變?yōu)樗{色溫度超過400F使?jié)L道和滾動體材料退火硬度降低導(dǎo)致軸承承重降低和早期失效嚴重情況下引起變形，另外溫升降低和破壞潤滑性能,3,軸承故障原因及其解決,布式硬度凹痕當(dāng)負荷超過滾道的彈性極限時產(chǎn)生滾道上的凹痕增

2、加振動（噪聲）任何靜態(tài)過負荷和嚴重沖擊產(chǎn)生布式凹痕偽布式凹痕在每個滾珠位置產(chǎn)生的橢圓形磨損凹痕，光滑，有明顯邊界，周圍有磨削表明嚴重的外部振動隔振和使用抗摩添加劑,4,軸承故障原因及其解決,正常疲勞失效疲勞失效指滾道和滾動體上發(fā)生碎裂，并隨之產(chǎn)生材料碎片脫落這種疲勞為逐漸發(fā)生，一旦開始則迅速擴展，并伴隨明顯的振動增加更換軸承，和設(shè)計有更長疲勞壽命的軸承,5,軸承故障原因及其解決,反向載荷角接觸軸承的設(shè)計只接受一個方向的

3、軸向載荷當(dāng)方向相反時，外圈的橢圓接觸區(qū)域被削平。。。結(jié)果是應(yīng)力增加，溫度升高，并產(chǎn)生振動增大和軸承早期失效,6,軸承故障原因及其解決,污染污染是軸承失效的主要原因之一污染的征兆是在滾道和滾動體表面有點痕，導(dǎo)致振動加大和磨損清潔環(huán)境，工具，規(guī)范操作。新軸承的儲運。潤滑油失效滾道和滾子的變色（藍、棕）是潤滑失效的征兆，隨之產(chǎn)生滾道、滾子和保持架磨損，導(dǎo)致過熱和嚴重故障。滾動軸承的正常運行取決于各部件間存在良好油膜失效常常由

4、潤滑不足和過熱引起,7,軸承故障原因及其解決,腐蝕其征兆是在滾道、滾子、保持架或其他位置出現(xiàn)紅棕色區(qū)域原因是軸承接觸腐蝕性流體和氣體嚴重情況下，腐蝕引起軸承早期疲勞失效除掉腐蝕流體，盡可能使用整體密封軸承,8,軸承故障原因及其解決,不對中不對中的征兆是滾珠在滾道上產(chǎn)生的磨痕與滾道邊緣不平行如果不對中超過0.001in/in，會產(chǎn)生軸承和軸承座異常溫升，和保持架球磨損配合松動配合松動導(dǎo)致配合部件的相對運動，如果這個相對運動

5、輕微但不間斷，則產(chǎn)生磨損這種磨損產(chǎn)生顆粒，并氧化成特殊的棕色。這導(dǎo)致研磨和松動加大。如果松動增大到內(nèi)圈或外圈的顯著運動，安裝表面（孔徑，外徑和側(cè)面）將磨損和發(fā)熱，引起噪聲和胱動。,9,滾動軸承故障發(fā)展過程的四階段,,,,,,,,,,,,,,通常約百分之八十至九十的軸承壽命,1,2,3,4,,,1,X,2,3,4,階段?軸承剩余壽命的百分之十至二十,階段?軸承剩余壽命的百分之五至十,階段?軸承剩余壽命的百分之一至五,階段?一小時至軸承

6、剩余壽命的百分之一,災(zāi)難性破壞,,累積的損傷,時間,滾動軸承四種類型故障頻率 1.隨機的，超聲頻率-gSE ,HFD ,SPM； 2.軸承零部件自振頻率-500至2000赫茲范圍，與轉(zhuǎn)速無關(guān)；

7、 3旋轉(zhuǎn)的故障頻率-內(nèi)環(huán)BPFI，外環(huán)BPFO，滾動體BSF和保 持架FTF故障頻率 4.和頻與差頻-軸承若干故障頻率之間及其它振源頻率相加或相減得出的頻率,10,滾動軸承故障發(fā)展過程的四階段中典型特征,第一階段：1噪聲正常；2.溫度正常；3.可用超聲，振動尖峰能量gSE聲發(fā)射測量出來，軸承外環(huán)有缺陷

8、；4.振動總量較小，無離散的軸承故障頻率尖峰；5.軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之十。第二階段：1.噪聲略增大；2.溫度正常；3.超聲，聲發(fā)射，振動尖峰能量gSE明顯增大，軸承外環(huán)有缺陷；4.振動總量略增大(振動加速度總量和振動速度總量)；5.在對數(shù)刻度的頻譜上可清楚地看到軸承故障頻率，而在線性刻度的頻譜上則很難看到；噪聲地平明顯提高；6.軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之五。第三階段：1.可以聽到噪聲；2.溫度略升高；3.非

9、常高的超聲，聲發(fā)射，振動尖峰能量gSE，軸承外環(huán)有故障；4.振動加速度總量和振動速度總量大增；5.在線性刻度頻譜上清楚地看出軸承故障頻率及其諧波頻率和邊帶頻率；6.振動頻譜的噪聲地平明顯提高；7. .軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之一。第四階段：1.噪聲的強度改變；2.溫度明顯升高；3.超聲，聲發(fā)射，振動尖峰能量gSE迅速增大，隨后逐漸減小，軸承外環(huán)處于損壞之前的故障狀態(tài)；4.振動速度總量和振動位移總量明顯增大，振動加速度總量減小

10、；5.頻率較低的軸承故障頻率尖峰占優(yōu)勢，振動頻譜中噪聲地平非常高；6.軸承剩余壽命大于B-10規(guī)定的百分之零點二。,11,滾動軸承故障四種類型頻率,第 一 種 頻 率 ： 隨機的，超聲頻率 -- 振動尖峰能量( g SE )，高頻加速度( HFD)和沖擊脈沖( SPM )；第二種頻率： 軸承零部件的自振頻率 -- 在500到2000赫茲頻率 范圍內(nèi)，與轉(zhuǎn)速無關(guān) ；第三種頻率：旋轉(zhuǎn)的故障頻率 --- 軸承的內(nèi)環(huán)故障(BPFI)，

11、外環(huán) 故障(BPFO)，滾動體故障(BSF)和保持架故障(FTF)；第四種頻率 ：和頻與差頻 --- 軸承的若干故障頻率之間及與其它 振源頻率之間相加或相減,,12,滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,第 一 階 段 ：滾動軸承故障初始階段 第 二 階 段 ：滾動軸承輕微故障階段 第 三 階 段 ：滾動軸承宏觀故障階段 第 四 階 段 ：滾動軸承故障最后階段,,13,滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,,,第一階段

12、,第二階段,第三階段,第四階段,14,滾動軸承故障發(fā)展的四個階段,,,第一階段,第二階段,第三階段,第四階段,A.僅出現(xiàn)滾動軸承故障頻率(沒有1X邊帶頻率)B.滾動軸承跑道圓周上出現(xiàn)輕微磨損時，便出現(xiàn)軸承故障頻率的諧波頻率C.磨損明顯時軸承故障頻率兩側(cè)出現(xiàn)1X轉(zhuǎn)速邊帶頻率，還可出現(xiàn)其它的軸承故障頻率,只是 g SE有明顯指示,g SE明顯增大，開始出現(xiàn)軸承零件共振頻率并伴有1X轉(zhuǎn)速頻率邊帶,gSE本階段開始時減小，卡死前可能劇增。出

13、現(xiàn)高頻隨機譜，軸承壽命成問題。,15,滾動軸承故障發(fā)展的第一階段,噪 聲 正 常 軸 承 溫 度 正 常可 以 用 超 聲 ， 振 動 尖 峰 能 量 ， 聲 發(fā) 射 測 量 出 來 ， 軸 承 外 環(huán) 有 缺 陷 振 動 總 量 比 較 小 。 無 離 散 的 軸 承 故 障 頻 率 尖 峰 軸 承 剩 余

14、 壽 命 大 于 B-10 規(guī) 定 的 百 分 之 十 ( 注 ) 注 ： 基 于 百 分 之 九 十 的 置 信 度,,16,滾動軸承故障發(fā)展的第二階段,噪 聲 略 增 大 軸 承 溫 度 正 常 超 聲 ， 聲 發(fā) 射 ， 振 動 尖 峰 能 量 有 大 的 增 大 ， 軸 承 外 環(huán) 有 缺 陷 振 動 總 量 略 增 大 ( 振 動 加 速 度 總 量 和 振 動 速 度 總 量 )在 對 數(shù) 頻 譜 上 可 清

15、楚 地 看 到 軸 承 故 障 頻 率 ， 而 在 線 性 頻 譜 上 難 以 看 到 ； 噪 聲 地 平 明 顯 提 高 軸 承 剩 余 壽 命 小 于 B-10 規(guī) 定 的 百 分 之 五 ( 注 ) 注 ： 基 于 百 分 之 九 十 的 置 信 度,,17,滾動軸承故障發(fā)展的第三階段,可 以 聽 到 噪 聲 軸 承 溫 度 略 升 高 非 常 高 的 超 聲 ， 聲 發(fā) 射 ， 振 動 尖 峰 能 量 ， 軸 承 外

16、環(huán) 有 故 障 振 動 加 速 度 總 量 和 振 動 速 度 總 量 有 大 的 增 大 在 線 性 頻 譜 上 清 楚 地 看 出 軸 承 故 障 頻 率 及 其 諧 波 頻 率 和 邊 帶 頻 率 振 動 頻 譜 的 噪 聲 地 平 明 顯 提 高 軸 承 剩 余 壽 命 小 于 不 B-10 規(guī) 定 的 百 分 之 一 ( 注 ) 注 ： 基 于 百 分 之 九 十 的 置 信 度,,18,滾動軸承故障發(fā)展的

17、第四階段,噪 聲 的 強 度 改 變 軸 承 的 溫 度 明 顯 升 高 超 聲 ， 聲 發(fā) 射 ， 振 動 尖 峰 能 量 迅 速 增 大 ， 隨 后 逐 漸 減 小 ， 軸 承 外 環(huán) 處 在 損 壞 之 前 的 故 障 狀 態(tài) 振 動 速 度 總 量 和 振 動 位 移 總 量 明 顯 增 大 ， 振 動 加 速 度 總 量 反 而 減 小出 現(xiàn) 較 低 頻 率 的 軸 承 故 障 頻 率 尖 峰 且 占 優(yōu) 勢 振 動

18、 頻 譜 中 噪 聲 地 平 非 常 高 軸 承 剩 余 壽 命 小 于 B-10 規(guī) 定 的 百 分 之 零 點 二 (注 ： 基 于 百 分 之 九 十 的 置 信 度),,19,,滾 動 軸 承 故 障 發(fā) 展 第 一 和 第 二 階 段 gSE 和 頻 譜 特 征 的 比 較,滾 動 軸 承 故 障 譜 特 征 (1),,區(qū) 域 A 區(qū) 域 B

19、 區(qū) 域 C 區(qū) 域 D 常 規(guī) 振 動 頻 率 區(qū) 軸 承 故 障 頻 率 區(qū) 軸 承 零 件 自 振 頻 率 區(qū) 振 動 尖 峰 能 量 區(qū),第一階段,20,,滾 動 軸 承 故 障 發(fā) 展 的 第 三 和 第 四 階 段 gSE 和 振 動

20、 頻 譜特 征 的 比 較,滾 動 軸 承 故 障 譜 特 征 (2),,區(qū) 域 A 區(qū) 域 B 區(qū) 域 C 區(qū) 域 D 常 規(guī) 振 動 頻 率 區(qū) 軸 承 故 障 頻 率 區(qū) 軸 承 零 件 自 振 頻 率 區(qū) 振 動 尖 峰 能 量 區(qū),21,軸承故障發(fā)展的第一階段,滾動軸承故障的最早指示出

21、現(xiàn)在從250K赫茲到350K赫茲頻率范圍內(nèi)；隨后，當(dāng)磨損擴展時，通常降到約20K赫茲到60K赫茲。這些頻率就是振動尖峰能量gSE等評定的頻率。例如，振動尖峰能量gSE首先以約0.25gSE出現(xiàn)(具體數(shù)值取決于測量位置和機器轉(zhuǎn)速)。gSE譜可以確認滾動軸承是否處于其故障發(fā)展的第一階段。,,22,軸承故障發(fā)展的第二階段,這階段中，輕微的滾動軸承故障開始“振鈴”激起滾動軸承零件的自振頻率(fn),這些自振頻率通常出現(xiàn)在500赫茲到2000赫茲

22、頻率范圍內(nèi)。這種自振頻率也可能是機器結(jié)構(gòu)的共振頻率。這階段末，在自振頻率兩側(cè)出現(xiàn)邊帶頻率。振動尖峰能量gSE增大(例如，從0.25gSE增大到0.5gSE)。,,23,軸承故障發(fā)展的第三階段,這階段中，出現(xiàn)滾動軸承故障頻率及其諧波頻率。當(dāng)磨損進一步擴展時，出現(xiàn)較多的滾動軸承故障頻率的諧波頻率，并且，邊帶頻率的數(shù)量增多。振動尖峰能量gSE總量值繼續(xù)增大(例如，從0.5gSE到1.0gSE以上)。這時已可以用肉眼觀察到磨損，當(dāng)滾動軸承故障頻

23、率及其諧波頻率的兩側(cè)伴隨有很多邊帶頻率時，磨損可能已擴展到軸承的整個圓周。gSE譜可以幫助確認滾動軸承故障發(fā)展的第三階段。這時，應(yīng)該更換滾動軸承(與振動頻譜中軸承故障頻率分量的幅值無關(guān))。,,24,軸承故障發(fā)展的最后階段,這階段末，甚至可以檢測出1X轉(zhuǎn)速頻率的振動幅值增大，通常還引起許多轉(zhuǎn)速諧波頻率分量的增大。離散的軸承故障頻率和自振頻率實際開始“消失”，而被隨機，寬帶高頻“噪聲地平”取代。此外，高頻噪聲地平和振動尖峰能量gSE兩者的幅

24、值事實上反而減?。坏?，軸承剛損壞前振動尖峰能量gSE值通常將突增到很大的幅值。,,25,結(jié) 束 語,振 動 尖 峰 能 量 ( gSE ) 可 以 在 滾 動 軸 承 故 障 發(fā) 展 的 初 始 階 段 檢 測 到 故 障 信 息， 并 且 可 跟 蹤 軸 承 故 障 發(fā) 展 ， 在 第 二 ， 三 和 第 四 階 段 中 以 不 同 的 信 息 反 映 軸 承 不 同 的 故 障 狀 態(tài) 。 同 時 采 用 振 動 速 度 或 振

25、 動 加 速 度 檢 測 常 規(guī) 振 動 頻 譜 可 以 在 滾 動 軸 承 故 障 發(fā) 展 的 第 三 階 段 有 效 地 檢 測 到 軸 承 的 故 障 頻 率 ( 內(nèi)環(huán)故障BPFI ，外環(huán)故障 BPFO，滾動體故障 BSF 和保持架故障 FTF ) 等。 振 動 尖 峰 能 量 和 振 動 速 度 或 振 動 加 速 度 相 結(jié) 合 可 以 有 效 地 早 期 檢 測 滾 動 軸 承 的 故 障。,,26,滾動軸承故障頻率計算(

26、1),保持架故障頻率： FTF=(1/2){No［1+（d/D）Cos φ] +Ni ［1-（d/D）Cos φ]} 滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率： BSF=(1/2)(D/d) |No-Ni|{ [1-(d/D)Cos φ]²} 外環(huán)故障頻率：

27、 BPFO=(1/2)n |No-Ni| [1-(d/D)Cosφ] 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFI=(1/2)n |Ni- No| [1+(d/D)Cosφ］以上符號： d=滾動體直徑；

28、 D=滾動軸承平均直徑(滾動體中心處直徑)； φ=徑向方向接觸角；

29、 n=滾動體數(shù)目； No=軸承外環(huán)角速度；

30、 Ni=軸承內(nèi)環(huán)角速度(=軸轉(zhuǎn)速).注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)和軸承內(nèi)環(huán)都旋轉(zhuǎn).,,27,滾動軸承故障頻率計算(2),滾動軸承保持架故障頻率： FTF=(N/2)［1-（d/D）Cos φ] 滾動

31、軸承滾動體旋轉(zhuǎn)故障頻率： BSF=(N/2)(D/d){1-[(d/D)Cos φ］²} 滾動軸承外環(huán)故障頻率： BPFO=(N/2)n[1-(d/D)Cosφ] 滾動軸承內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFI=(N/2)n[1+(d/D)Cosφ］以上符號： d=滾動體直徑；

32、 D=滾動軸承平均直徑(滾動體中心處直徑)； φ=徑向方向接觸角； n=滾動體數(shù)目；

33、 N=軸的轉(zhuǎn)速。注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).,,28,滾動軸承故障頻率計算(3)-經(jīng)驗公式,外環(huán)故障頻率： BPFOr≌0.4Nn 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFIr≌0.6Nn 保持架故障頻率：

34、 FTFr≌0.4N 以上符號：

35、 n=滾動體數(shù)目； N=軸的轉(zhuǎn)速。注：1.滾動

36、軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).,,29,滾動軸承故障頻率計算(4)-估算公式,外環(huán)故障頻率： BPFOe≌N(0.5n-1.2) 內(nèi)環(huán)故障頻率： BPFIe≌N(0.5n+1.2)滾動體故障頻率： BSFe≌N(0.2n-1.2/n) 保持架故障頻

37、率： FTFe≌N(0.5-1.2/n) 以上符號：

38、 n=滾動體數(shù)目；

39、 N=軸的轉(zhuǎn)速。注：1.滾動軸承沒有滑動；2.滾動軸承幾何尺寸沒有變化；3.軸承外環(huán)固定不旋轉(zhuǎn).,,30,滾動軸承故障各階段振動頻譜和解調(diào)頻譜的特征,31,以上所示左圖為常規(guī)振動頻譜；右圖為解調(diào)頻譜，此圖中基準電平是任意選的平的噪聲電平。 正常情況下滾動軸承的常規(guī)振動頻譜和解調(diào)頻譜，如上圖所示。,,,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,任意的基準電平

40、,1X,2X,3X,頻率,頻率,A. 正常狀態(tài),32,常規(guī)振動頻譜中，沒有任何軸承故障頻率分量，轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率說明有一點松動跡象；解調(diào)頻譜中，在基準噪聲電平以上有2至3分貝軸承故障頻率分量，還有一些轉(zhuǎn)速頻率諧波。解調(diào)頻譜中的轉(zhuǎn)速頻率諧波，說明軸承間隙增大，使松動略有增大。這一階段中，不需要更換軸承，但是，應(yīng)該密切跟蹤監(jiān)視軸承的狀態(tài)變化。,,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,,1X

41、,2X,3X,,,,,,,常見轉(zhuǎn)速頻率的諧波,2至3分貝軸承故障頻率,,,頻率,頻率,B. 軸承內(nèi)環(huán)有一條微小裂紋，故障第一階段,33,軸承又降了一級。常規(guī)振動頻譜仍然不能顯示出明顯的滾動軸承故障頻率分量；解調(diào)頻譜中可出現(xiàn)高于基準噪聲電平5至10分貝的軸承故障頻率分量。說明該軸承已處于低劣狀態(tài)，但是，仍然有較長的使用壽命。,,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,,1X,2X,3X,,,

42、,,,2X,5至10分貝BPFO或BPFI,,,頻率,,頻率,C. 軸承處于低劣狀態(tài)，但仍有較長使用壽命,34,常規(guī)振動頻譜中，已出現(xiàn)軸承故障頻率分量；解調(diào)頻譜中，在軸承故障頻率的兩側(cè)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速頻率的邊帶，并且，整個解調(diào)頻譜的電平提高約10分貝，軸承故障頻率分量的幅值高于噪聲背景10分貝或更高。,,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,1X,2X,3X,,,很小幅值的軸承故障頻率分量,,,

43、,,,,,,BPFI伴有1X轉(zhuǎn)速頻率邊帶,2BPFI,,頻率,頻率,D. 軸承已降級到不能接受的狀態(tài),35,常規(guī)振動頻譜和解調(diào)頻譜都出現(xiàn)軸承故障頻率分量并都伴有轉(zhuǎn)速頻率邊帶。解調(diào)頻譜的背景噪聲電平幾乎又提高了約10分貝。說明這時應(yīng)該立即更換軸承!,,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,1X,2X,3X,,,,,,,,,,,BPFI,2BPFI,BPFI-1X,BPFI-2X,BPFI+

44、2X,,,,,,,,,,,2BPFI-1X,2BPFI+1X,2BPFI-2X,BPFI,2BPFI,2BPFI+1X,2BPFI-1X,BPFI+1X,BPFI-1X,BPFI-2X,1X,2X,3X,頻率,頻率,E. 需立即更換軸承的階段,36,常規(guī)振動頻譜和解調(diào)頻譜表明，該軸承即將完全破壞。因為軸承故障已發(fā)展成散布在軸承跑道上，而不是局部故障，因此，軸承故障頻率反而消失了。常規(guī)振動頻譜中轉(zhuǎn)速頻率諧波頻率增多，幅值增大，這是由于滾

45、動體與跑道之間的間隙增大的結(jié)果。,,,,,,,,,,,,,VdB,dB,40,30,20,10,常規(guī)振動頻譜,解調(diào)頻譜,1X,2X,3X,,,,,,,,,嚴重松動!,,,,,,,,,,,軸承故障頻率不明顯，幅值反而下降,頻率,頻率,F. 軸承即將完全破壞,37,軸承故障振動頻譜和解調(diào)頻譜特征,振動速度頻譜是評定大多數(shù)滾動軸承故障的最佳參數(shù)，甚至在低速機器上；滾動軸承故障頻率都不是轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率軸承外環(huán)故障頻率(BPFO)的幅值