滚动轴承故障诊断分析章节(3)

主要频率为fop。为了要减小这种振动的振幅可以使用游隙比较小的轴承或通过增加预紧力来消除游隙。

（图10.6 滚动轴承承载刚度与滚子位置的关系） （2）由于轴承刚度非线性引起的振动

滚动轴承是通过滚道与滚动体之间的弹性接触来承受载荷的，具有非线性弹簧之性质。通常，滚动轴承的轴向刚度常呈非线性（图10.7），特别是当润滑不良时，容易产生异常的轴向振动。在刚度曲线呈对称非线性时，振动频率为fr，2fr，3fr，??；当刚度曲线呈非对称非线性时，振动频率就为fr，fr/2，fr/3，??等分数谐频，其中fr为轴心的旋转频率。刚度非线性引起的振动是一种自激振动，常发生在深沟槽的球轴承上，而自调心球轴承及滚珠轴承则不太会发生这样的振动。

（3）由于轴承制造及装配原因引起的振动

1） 由于加工表面波纹度引起的振动。由于轴承内圈、外圈滚道表面及滚动体表面的波纹度会引起振动和噪声，因而影响轴承的运转精度。波纹度一般将引起比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍的高频振动、噪声及轴心的振摆，其结果不仅会引起轴承的径向振动，在一定条件下还会引起轴向振动。Gastafson给出了振动频率与波纹度峰值的关系，如表10.1所示。

有波纹度 的零件 内 圈 外 圈 球（滚动体）

波纹度峰值 径向振动 kZ±1 kZ±1 2k 轴向振动 kZ kZ 2k 振动频率（Hz） 径向振动 kZfic±fr kZfoc 2kfbc±foc 轴向振动 kZfic kZfoc 2kfbc

（图10.7 轴承的轴向刚度）

下面就这种振动的机理作一说明。假设在图10.8所示的轴承上，轴承内圈存在波纹度，球的个数Z=8，内圈旋转，当内圈波纹峰值分别为kZ-1，kZ和kZ+1时，让我们来分析一下波纹度对外圈径向振动的影响。

图中都是标有“1”的球与波峰接触。当波纹度分别为kZ±1时，外圈在箭头方向上有最大位移。

反之，当标有“1”的球与波谷接触时，仍然是kZ个波峰数时外圈无径向位移，而kZ±1个波峰时，外圈在与箭头相反的方向上出现最大位移。因此，说明了当波峰数等于kZ±1时将会产生最大振动。

（图10.8 内圈波纹度引起外圈径向振动的机理）

（图10.9 轴承零件波纹度引起的轴心摆动轨迹）

当然，必须说明，表10.1中所给出的条件是完全理想的，即波纹呈均匀分布，且波纹的形状为正先进弦变化。而在实际当中的波纹并非如此，因此可能还会出现别的频率成份。图10.9是机床中使用加有预紧力的两个超精密向心球轴承时，有时滚道波纹度而引起的轴心摆动轨迹。此时轴心轨迹图呈内卷形或外卷形。

此外，不仅轴承滚道和滚动体的波纹度会引起轴承振动，轴承的内外配合面及轴颈和轴承座孔的波纹度对精密轴承也会引起类似的振动，因为在轴承装配后会引起套圈的变形。

2）由于轴承偏心引起的振动。如图10.10所示，当轴承游隙过大或滚道偏心时，都会引起轴承振动，其振动频率为kfr（k＝1，2，3，??），fr为轴的旋转频率。

3）滚动体大小不均匀引起的轴心摆动。如图10.11所示，由于滚动体大小不均匀会导致工作时轴心变动，以及支撑刚性的变化。其振动频率为fc和kfc±fr，k＝1，2，??（fr为保持架旋转频率），通常振动频率在1kHz以下。

4）由于轴弯曲导致轴承偏斜或轴承装配不正（图10.12）而引起的振动。轴承的弯曲将引起轴上所安装轴承的偏移。因此轴在转动时就会引起轴承的振动。其振动频率为kfc±fr，k＝1，2，??。

（图10.10 轴承偏心引起的轴承振动）（图10.11 滚动体大小不均匀引起的轴心摆动）

（图10.12 轴弯曲及轴承装配不正） （图10.13 装配过紧引起的振动）

5）由于装配过紧或过松引起的振动。如图10.13所示，在装配过紧或过松的情况下当滚动体通过特定位置时，就会产生频率相应于滚动体通过周期的振动。

综上所述，即使是正常轴承在运转时也会出现十分复杂的振动和噪声。

图10.14所示为正常的6206轴承的振动加速度频谱图。由图可见振动频谱有很宽的频率范围。 （图10.14 正常6206轴承的振动加速度频谱）

4. 故障轴承的振动信号特征

滚动轴承的故障种类是多种多样的，这一点在本章开始时就已经介绍过，但在实际应用中最常见和最有代表性的故障类型通常只有三种，即疲劳剥落损伤、磨损和胶合。

（1）疲劳剥落损伤。在这类故障中包括疲劳剥落、裂纹、压（划）痕等滚动体表面上形成的局部损伤状态。当轴承零件上产生了疲劳剥落凹坑后（图10.15以夸大的方式画出了疲劳剥落凹坑），在轴承运转过程中，因为遇到凹坑造成碰撞就会产生冲击振动。

图10.16给出了钢球落下产生的冲击过程的示意图。在冲击的第一阶段，在碰撞点将产生很大的冲击加速度（见图（a）和图（b）），其大小与冲击速度v成正比（而在轴承中则与疲劳损伤的大小成正比）。第二阶段，构件变形产生衰减自由振动（见图（c）），振动频率取决于系统的结构，即系统的固有频率（见图（d））。振幅非增加量A也与冲击速度v成正比（见图（e））。

（图10.15 轴承零件上的疲劳剥落凹坑）

（图10.16 冲击过程的示意图）

在滚动轴承中剥落凹坑处由于碰撞而产生的冲击力的脉宽一般都很小，大致为微秒级。我们知道力的频谱宽度与脉冲持续时间成反比，因此，冲击力的频谱可从0Hz延展到100～500KHz，这样就意味着可以在很宽的频率范围内激发起轴承－传感器系统的固有振动。当然，从冲击发生处到测量点的传递特性对此有很大影响。所以在测量中要恰当地选择测点位置，最好接近承载区，振动传递界面越少越好。

冲击振动从分析的角度来看可以分为两种类型。第一种是直接分析由于滚动体通过工作面上的缺陷，产生反复冲击而形成1kHz以下的低频振动，或称为轴承的通过振动，它是滚动轴承的重要特征信号之一。但由于这一频带中的噪声干扰很大，所以不容易捕捉到早期故障信息。第二类是分析冲击而激起的轴承零部件的固有振动。实际应用中可以利用的固有振动有三种：

1）轴承内、外圈一阶径向固有振动，其频率范围多在1～8kHz之间；（参照式10-2，岂不是为0？）

2）轴承零件其它固有振动，其频率范围多在20～60kHz之间；

3）加速度传感器的一阶固有频率，其频率中心通常选择在10～25kHz附近。

疲劳剥落故障的典型振动信号如图10.17所示，其中图（a）为测量所得的振动信号，图（b）为放大后的波形。

（图10.17 有疲劳剥落故障轴承的振动信号）

图中的T取决于碰撞的频率，T=1/f碰。在一般简单的情况下，碰撞频率就等于滚动体在滚道上的通过频率fip或fop，或者为滚动体的自转频率fbc。

图10.18展示了309轴承在正常、外圈疲劳剥落、钢球疲劳剥落和内圈疲劳剥落状态下其振动加速度信号的功率谱图形（原始信号来自通过轴承疲劳寿命试验机）。由谱图可见，当轴承处于正常状态时，频率成份主要集中在800Hz以下的低频段（a）；当轴承发生疲劳损伤后，低频段中的频率成份变化并不十分明显，但在稍高的频段上（309轴承为500～3000Hz）却增添了大量的峰值群。深入的分析结果表明，这些峰值群的中心频率与相应轴承外圈及其外圈与机壳形成的振动系统的一阶径向固有振动有关。

（图10.18 309轴承不同状态下的振动加速度功率谱图）

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