滚动轴承故障诊断频谱分析

滚动轴承故障诊断1（之国外专家版）

滚动轴承故障

现代工业通用机械都配备了相当数量的滚动轴承。一般说来，滚动轴承都是机器中最精密的部件。通常情况下，它们的公差都保持在机器的其余部件的公差的十分之一。但是，多年的实践经验表明，只有10%以下的轴承能够运行到设计寿命年限。而大约40%的轴承失效是由于润滑引起的故障，30%失效是由于不对中或“卡住”等装配失误，还有20%的失效是由过载使用或制造上缺陷

等其它原因所致。

如果机器都进行了精确对中和精确平衡，不在共振频率附近运转，并且轴承润滑良好，那么机器运行就会非常可*。机器的实际寿命也会接近其设计寿命。然而遗憾的是，大多数工业现场都没有做到这些。因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。你的工作是要检测出早期症状并估计故障的严重程度。振动分析和磨损颗粒分析都是很好的诊断方法。

1、频谱特征

故障轴承会产生与1X基频倍数不完全相同的振动分量——换言之，它们不是同步的分量。对振动分析人员而言，如果在振动频谱中发现不同步分量那么极有可能是轴承出现故障的警告信号。

振动分析人员应该马上诊断并排除是否是其它故障引起的这些不同步分量。

如果看到不同步的波峰，那极有可能与轴承磨损相关。如果同时还有谐波和边频带出现，那么轴承磨损的可能性就非常大——这时候你甚至不需要再去了解轴承准确的扰动频率。

2、扰动频率计算

有四个与轴承相关的扰动频率：球过内圈频率（BPI）、球过外圈频率（BPO）、保持架频率（FT）和球的自旋频率（BS）。轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径和接触角。其中，BPI 和BPO的和等于滚珠/滚柱的数量。例如，如果BPO等于3.2 X，BPI等于4.8 X，那么滚珠/滚柱

的数量必定是8。

轴承扰动频率的计算公式如下：

注意：BS的值可能会加倍，因为所给的公式针对的是球撞击内圈或外圈的情况。如果有庇点的滚球/滚柱同时撞击内圈和外圈，那么其频率值应该加倍。

需要说明的是由于受到各种实际情况如滑动、打滑、磨损、轴承各参数的不精确（如直径可能不完全精确）等的影响，我们所计算出来的频率值可能会与真实值有小范围的差异。

在检查过程中你可能会经常涉及到滚珠的数目，对于轴承而言你所能了解到的信息可能只有滚珠（或滚柱）的数目。如果能够根据频谱（或其它地方）确定其中一个的扰动频率，我们就可以根据

它计算出其它的频率。

对于四个扰动频率计算还有一个近似的经验公式可供参考。对于8～12个滚珠/滚柱的轴承：BPO 通常等于滚珠数量的0.4倍，BPI是滚珠数量的0.6倍，而FT等于0.4 X。

3、轴承失效的九个阶段

有人把轴承失效划分为四个阶段，在此我们为了描述得更加详细将它细分为九个阶段。

第一阶段：

在轴承失效的最初阶段，其频率范围大约在20 KHz～60 KHz之间——或更高。有多种电子设备可以用来检测这些频率，包括峰值能量、HFD、冲击脉冲、SEE等超音频测量装置。在这个阶段，

普通的频谱上不会出现任何显示。

第二阶段：

由于轴承上的庇点增大，使它在共振（固有）频率处发出铃叫声。同时该频率还作为载波频率调制

轴承的故障频率。

第三阶段：

出现轴承故障频率。开始的时候我们只能观察到这个频率本身。图中所示为轴承内圈故障时的频谱显示。当轴承磨损进一步加剧后，在故障频率（例子中的BPI）处的波峰值将会升高。大多数情况

下波峰值将随着时间线性增加。

第四阶段：

随着故障的发展，故障频率将产生谐波。这表明发生了一定程度的冲击。故障频率的谐波有时可能会比基频波峰更早被发现。因此，我们首先要查找频谱中的非同步波峰，并查证是否有谐波。对应

的时域波形中同时也会出现冲击脉冲的显示。

故障频率及其谐波的幅值在开始阶段都比较低。如果你仅仅通过线性坐标图表来查看数据，很容易错过这些重要的故障信号。因此，建议结合对数坐标来进行分析，从而及时发现轴承故障的早期显

示。

如果你想要进行轴承的早期故障预报，那么就应该使用加速度为单位来采集高频时域波形（使用加速度传感器）——也就是说，不要进行积分。加速度能突出信号中的高频成分，这对于我们的应用

来说是很理想的方法。

第五阶段：

随着故障状态的恶化，轴承的损坏更加严重，振动级将继续升高，同时出现更多的谐波。由于故障自身的性质，这时还会出现边频带。时域波形上的尖峰波将更加清晰和明显，你甚至能够通过测量尖峰间的时间间隔来计算故障频率。高频率的轴承检测，如峰值能量和冲击脉冲所得到的趋势都在

持续上升。

此时引起调制的原因有二个：第一种情形是当内圈出现故障时，如果它位于加载区域时，产生的冲击会更加剧烈，从而产生更高的振幅。当内圈故障位置移出加载区后，其振幅又会降低，并在轴承顶部达到最小值。在这种情况下内圈的故障频率将被（内圈的）旋转频率所调制，于是我们可以在

频谱中看到1 X边频带出现。

如果滚珠出现问题，也会因相同的原因，产生调制。当滚珠运转在载荷区会产生比运转在非载荷区更强烈的冲击。越接近载荷区，振幅越高。滚珠沿轴承以保持架频率FT滚动。该频率低于1 X—

—典型的FT大约等于0.4 X。

当我们能够从频谱中观察到谐波，特别是边频带后，轴承上的磨损就已经能够用肉眼观察到了。这

时候，你就可以建议更换轴承了。

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2006-08-29 12:52

滚动轴承故障诊断2

第六阶段：

1X处的幅值增大，并出现1X的谐波，这是由于磨损引起间隙增大的结果。

第七阶段：

现在我们看见故障频率及其边频带变成峰丘状，经常被叫作"干草堆"。这是由于宽带噪声所致。在*近机器的地方，你还能听到轴承发出的噪声。在这个阶段，高频率的轴承测量量可能会逐渐减少。如果你用测量工具测到的振幅有下降趋势，不要以为是情况出现好转，而应该尽快去定购用来更换的轴承了！

第八阶段：

频谱中的“干草堆”将继续扩大，谐波随着松动的增加而增大，高频率的轴承测量显示出的趋势可能会继续降低，但重要的是整个噪声水平都在上升。你能清晰的听到轴承发出的声音，这预示着轴承即将报废。

第九阶段：

到了这个阶段以后，频谱会变得平直，因为机器已经不能运转了！

4、解调频谱及在滚动轴承诊断中的应用

振动解调可以在滚动轴承故障发展的初始阶段检测到故障信息，并且可以跟踪轴承的故障发展，在轴承故障的不同阶段中以不同的信息反映轴承不同的故障状态。

4-1使用和认识解调

以上已经论述了如下事实：在轴承故障的早期阶段可以观察到在机器固有频率处的振动。轴承在固有频率上产生“鸣叫”。轴承的损坏所引起的冲击导致轴承“鸣叫”。因此，我们实际得到的是故障频率的边频带。（如在第二阶段上的图示）在轴承失效的晚期，我们也能观察到在1X边频带或保持架转速的边频带调制，他们分别代表了轴承内圈和滚珠的故障。（如在第五阶段上的图示）

4-2解调

结合上述两种情形，我们会想：如果能够检测到故障频率边频带的轴承共振是否就还能给出非常早的轴承磨损警告呢？答案是肯定的。但是由于测量的是高频低幅信号，因此它容易被其他振源信号所掩盖。一种解决方法就是对信号进行解调。简单的说，就是首先使用高通滤波器过滤主要的低频成份，然后进行检波，接着为了抗混频还需要使用低通滤波器去除高频信号。

仔细查看频谱，你会在原始信号中发现许多振动源，特别是那些比轴承共振幅值还高的地方。如果我们查看时域波形，会发现正弦信号与密集的高频杂波相伴。动态的高频杂波来源于轴承的“鸣叫”。

首先是要通过高通滤波器滤掉低频信号并让高频信号通过。滤波器可以设置成让高于2000HZ的频率通过（用于轴承分析）。结果信号仍然包含高频成份，但较高振幅的信号应已经被过滤掉了。时域波形上也只剩下轴承的冲击信号，这才是最重要的信息。

滚动轴承故障诊断3

（续上贴）

其次，我们将频率坐标上部的边频带“迭放”到“基带”上。可以用解调器来实现，实际上它就相当于一个典型的整流器（翻转所有的负向信号）。整流的过程中会去掉负向信号，剩下的就只是正向信号了。如（Rectifi ed signal整流信号图所示）

之后，我们滤掉来自其他调制源的残余信号。一些解调器产品允许手动控制滤波器，然而大多数情况下该功能都由数据采集器中的抗混频滤波器来完成（基于选择的频率范围）。对时域波形而言，所有的高频信息都被滤掉。有人也把它叫做“包络检定器”。

解调测试最重要的是选择频率范围。一般的原则是：范围应控制在15~20X（也就是运行速度的15~20倍）之间。我们的目的是要确保最后只留下需要的调制信号。机器可能多半会有其他的调制信号源，因此最佳的规则是：把频率范围设定为整个边频带宽度的一半。到最后，留下的信号应该是有一系列很强的谐波——这取决于故障的严重程度了。

解调频谱与普通振动频谱相比有些不同。你不是根据振幅大小来确定故障的严重程度，而是通过测量数据间的对比分析来进行判断，最重要的是将波峰和噪声水平进行比较。一般说来当损坏程度较低时波峰将非常小。

随着故障破坏的进一步发展，振动波峰将逐渐从噪声中凸显出来。

当出现严重故障时，波峰值将高出噪声水平约20 dB（100 X）。

当轴承破坏非常严重处于前面所述的第七或第八阶段时，噪声水平将上升到接近波峰处。这是一个非常糟糕的信号——预示着轴承即将完全失效！

该过程也可适用于机器的其它故障分析：齿轮啮合分析、电机电流分析、电动机气隙偏心分析和其它调制信号源。（注：在齿轮箱中经常会发生频率调制，这可能导致分析振幅解调数据时得到错误的结果。这个问题已超出本讨论的范围，但必须对此有所认识。）

轴承的解调测试的一个好处是能够帮助你查明具体哪个轴承出现了故障。如果你不知道轴承的详细参数，也不知道故障频率，或你知道了故障频率，但机器上有多个同样的轴承。那么我们可以对所有的轴承进行检测，或只取其一个作诊断测试，都能把问题轴承找出。

5、冲击脉冲法、峰值能量法、高频检测法等（仅作简单论述）

不同的监测公司往往采用了不同的监测技术。其中包括：冲击脉冲法、峰值能量法、高频检测法等等。简单的说，这些方法就是利用轴承发生故障时出现的症状进行诊断，故障轴承开始会出现瞬态冲击，然后发生共振或发出鸣叫声。而前面讨论的解调技术将产生一种频谱，冲击脉冲法（SPM）、峰值能量法和其它一些技术则能够产生一个（或两个）能显示出趋势的值。随着趋势值的升高，轴承损坏的可能性也跟着增加。

基本原理：由冲击产生的振动把能量注入到所有的频率中。在0-3KHz正常频率段内，因为混有其它振动信号源而很难被检测到。但当达到传感器的共振频率时，除了瞬态冲击波外没有其它强的振动信号源（不平衡、不对中等都是在较低的频率段显示的故障）。因此瞬态冲击可以单独激发传感器产生共振，并使该频率的信号被增强。

需要注意的是你虽然可以从大多数的数据采集系统中得到趋势数据（通过峰值能量法、高频检测法等），但你不能仅仅利用这一个读数（冲击脉冲读数）与标准值的比较来判断轴承的状态。因为，我们所使用的传感器并不完全一样，它们可能具有完全不同的共振特性。

值得庆幸的是，现在已经有公司找到方法来处理这些问题。它们生产标定了的传感器——使每个传感器都具有相同的共振特征。该公司也推荐（坚持）使用特殊安装技术确保与轴承的良好接触，提高测量的可重复性。