滾動(dòng)軸承失效的機(jī)理及故障診斷分析

趙 培，薛 河，嚴(yán)周民

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安

710054）

滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，一般是外圈與軸承座或機(jī)殼相連接，固定或相對(duì)固定；內(nèi)圈與機(jī)械的傳動(dòng)軸相連接，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工裝配誤差及運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障等內(nèi)部因素，以及傳動(dòng)軸上其他零部件的運(yùn)動(dòng)和力的作用等外部因素，當(dāng)軸以一定的速度并在一定載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軸承和軸承座或外殼組成的振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)，使該系統(tǒng)振動(dòng)。

1 滾動(dòng)軸承的失效形式

滾動(dòng)軸承的失效形式很多，其基本形式有，磨損(磨料磨損、疲勞磨損、粘著磨損、微動(dòng)磨損)失效、接觸疲勞失效、斷裂失效、腐蝕失效和壓痕失效。磨損失效是滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的失效形式。由于工作狀況的復(fù)雜性，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)多種失效形式。

1.1 軸承的正常

軸承的正常失效形式主要有疲勞剝落和磨損兩種：

（1）軸承的正常疲勞失效軸承在其運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)或總轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)軸承計(jì)算壽命后，所發(fā)生的疲勞剝落為正常疲勞失效。產(chǎn)生正常失效的原因是滾動(dòng)表面的金屬由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞極限，從次表層開始萌生疲勞裂紋，并向表面層開裂而剝落。正常疲勞失效所表現(xiàn)的特征：①疲勞裂紋的萌生在次表層，故看不見(jiàn)，用普通儀器也無(wú)法偵聽(tīng)到。②剝落的屑片表面粗糙而不規(guī)則，原滾動(dòng)表面留下疤痕狀小坑，稱為點(diǎn)蝕。③點(diǎn)蝕一旦出現(xiàn)，即迅速擴(kuò)展，短時(shí)間內(nèi)即引起全面疲勞剝落，宜及早更換軸承，否則將引起軸承的事故性報(bào)廢。

（2）軸承的正常磨損失效軸承在其運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)或總轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)軸承的計(jì)算壽命，或超過(guò)推定的磨損壽命后的過(guò)度磨損，為正常磨損失效。產(chǎn)生原因是，滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)都伴有微小滑動(dòng)，所受負(fù)荷也總有一定波動(dòng)，因而潤(rùn)滑劑可延緩磨損但實(shí)際不能避免兩界面的固體接觸，即不能完全避免磨損。正常磨損失效所表現(xiàn)出的特征：①滾動(dòng)表面沿運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生較光滑的磨損條紋，新條紋有較顯著的金屬光澤。②滾動(dòng)軸承的正常磨損也有兩個(gè)階段，即短期的“跑合”磨損，很長(zhǎng)時(shí)間的平緩磨損，以及短期的劇烈磨損，最終使軸承的精度喪失，或引起振動(dòng)和噪聲而不能繼續(xù)使用。超過(guò)額定壽命或磨損壽命的磨損失效，在現(xiàn)有技術(shù)水平條件下實(shí)際上也是不可避免的。

1.2 軸承常見(jiàn)的非正常失效

（1）軸承的早期疲勞失效軸承在其運(yùn)轉(zhuǎn)總小時(shí)數(shù)或總轉(zhuǎn)數(shù)尚未達(dá)到其計(jì)算壽命的相應(yīng)數(shù)值時(shí)便發(fā)生疲勞失效，即為早期疲勞失效。接觸疲勞失效是指軸承工作表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生失效。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承工作表面，往往也伴隨著疲勞裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀，如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴(kuò)大，而往往向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。

（2）軸承的早期磨損失效軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)尚未達(dá)到額定疲勞壽命或按推定的磨損壽命，便因過(guò)度磨損而失效為早期磨損失效。磨損是表面材料的損失或轉(zhuǎn)移，材料損失可以表現(xiàn)為游離的碎屑。由局部塑性變形或粘著引起的材料從一個(gè)位置傳遞到另一個(gè)位置，從而產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。磨損失效是指表面之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致其工作表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效。磨損通常引起軸承零件逐漸損壞，并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失及其他相關(guān)問(wèn)題。磨損可能影響到形狀變化，配合間隙增大及工作表面形貌變化。磨損可能影響到潤(rùn)滑劑或使?jié)櫥瑒┪廴具_(dá)到一定程度而造成潤(rùn)滑功能完全喪失。磨粒磨損是指軸承工作表面之間擠入外來(lái)堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對(duì)移動(dòng)而引起的磨損。

2 滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)

滾動(dòng)軸承是工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的重要部件，而滾動(dòng)軸承引發(fā)的故障是引起機(jī)器設(shè)備失效的重要原因。軸承的工作好壞對(duì)機(jī)器的工作狀態(tài)有很大影響，其缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲，甚至造成設(shè)備損壞。特別是在高速、重載條件下的滾動(dòng)軸承，由于工作面接觸應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用，極易引起疲勞、裂紋、剝蝕、壓痕等故障，從而引發(fā)軸承產(chǎn)生如斷裂、膠著、燒損等現(xiàn)象，而這些故障將會(huì)使軸承的旋轉(zhuǎn)精度降低，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲，增加軸承旋轉(zhuǎn)的阻力，最終將使軸承受到阻滯和卡死，造成整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的失效，因此對(duì)軸承的故障檢測(cè)非常重要。滾動(dòng)軸承故障診斷的目的是保證軸承在一定的工作環(huán)境(承受一定的載荷，以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)等)下和一定的工作期間(一定的壽命)內(nèi)可靠、有效地運(yùn)行，以保證整個(gè)機(jī)器的工作精度。與此目的相適應(yīng)，軸承故障診斷就要通過(guò)對(duì)能夠反映軸承工作狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)、分析和處理來(lái)識(shí)別軸承的狀態(tài)。由于內(nèi)圈與軸連接，外圈又安裝在軸承座上，這樣的軸承系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于各種原因而產(chǎn)生十分復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)有如下特點(diǎn)：①通過(guò)安裝在軸承座上的傳感器所拾取的軸承振動(dòng)信號(hào)是寬帶信號(hào)，且隨機(jī)性較強(qiáng)；②引起軸承振動(dòng)的激勵(lì)是不同的；③振動(dòng)信號(hào)是多故障的耦合，特有故障往往淹沒(méi)在背景噪聲中。

滾動(dòng)軸承產(chǎn)生激勵(lì)的原因包括軸承各零件制造誤差，如尺寸和形位誤差、表面波紋、不圓、滾動(dòng)體大小不一致等；裝配誤差，如不對(duì)中、不平衡等；運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種故障，如疲勞點(diǎn)蝕、剝落、裂紋、磨損、潤(rùn)滑不良等。不同的原因，對(duì)軸承系統(tǒng)的激勵(lì)是不同的。例如，由于疲勞點(diǎn)蝕或剝落等軸承元件表面損傷所引起的激勵(lì)是具有沖擊性質(zhì)的；由于各零件表面波紋而引起的激勵(lì)近似正弦激勵(lì)。由于激勵(lì)不同，則故障形式不同，軸承系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)也不同，所以振動(dòng)信號(hào)是軸承故障的載體，理論上可通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的分析與處理診斷出軸承的所有類型的故障。但是實(shí)際上，通過(guò)安裝在軸承座上的傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)，除反映有關(guān)軸承本身的工作情況的信息外，也包含大量的機(jī)械中其他運(yùn)動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)的信息，這些信息對(duì)于研究軸承本身的工況與故障來(lái)說(shuō)，屬于背景噪聲。由于實(shí)際的背景噪聲往往比較大，所以剛剛發(fā)生輕微故障的滾動(dòng)軸承傳遞的特有信息往往淹沒(méi)在背景噪聲中，很難被發(fā)現(xiàn)和提取出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

因此，采用現(xiàn)代振動(dòng)監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高信噪比，突出故障特征信息，抑制背景噪聲，有效地診斷出軸承故障成為軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)的關(guān)鍵所在。