第３３卷第４期 四川兵工学报 ２０１２年４月 【机械制造与检测技术】 滚动轴承故障机理与诊断策略 周俊丽，周久华 （神东煤炭集团设备管理中心，陕西神木７１９３１５） 摘要：ｉｆ－先统计分析某现代化矿区近年来关键机电设备滚动轴承故障的形式，结合滚动轴承结构，详细分析其故障 机理。根据滚动轴承运行状态不同对滚动轴承故障诊断策略进行研究。 关键词：滚动轴承；故障机理；诊断策略 中图分类号：ＴＨ１３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—０７０７（２０１２）０４—００５６—０４ 滚动轴承作为现代机械传动设备中的关键零部件，其工 作状态正常与否将直接影响到工矿企业均衡生产计划的执 １ 滚动轴承故障机理分析 １．１滚动轴承结构分析 行。为此，各工矿企业均把对机电设备状态的监测与故障诊 断作为日常机电管理工作的重中之重，特别是针对关键部件 如轴承、齿轮的状态监测作为提高设备可靠性的关键。据相 如图３所示，典型滚动轴承由外圈、内圈、保持架及滚动 体组成，根据滚动轴承作用不同，滚动体类型有球、圆柱滚 子、滚针、圆锥滚子和球面滚子等。一般情况下，滚动轴承外 关资料统计，滚动轴承故障率占各类机械传动总故障率的 ３０％左右，因此，对滚动轴承进行及时有效的状态监测与故 圈固定于轴承座上不动，内圈随转轴旋转运动，滚动体于保 持架内在内外圈滚动道内自转及公转，并承载着负载，支撑 着工作机构旋转运动。 障诊断是提高机电设备管理水平的创新点之一，也是现代设 备管理思想的新思维之体现。 根据对某现代化矿区近几年来关键采矿设备（如采煤 机、主运输系统电机、减速器、滚筒等）轴承故障形式进行分 析研究发现，外圈故障占２９．４％，内圈故障占３５．５％，滚动 体故障占１６．７％，保持架占１９．４％，如图１、２所示。 Ｉ ｌ 密封 外圈 ＩＩ ｌ Ｉ 滚动体保持架内圈 密封 图３典型滚动轴承结构 １．２滚动轴承故障形式分析 滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引发故障， 如装配不当、润滑不良、应力腐蚀和过载等都可能会导致轴 承过早损坏。 图１ 驱动滚筒滚动轴承内环故障剥落 滚动轴承故障有多种失效形式，一般可能归纳为磨损失 效、疲劳失效、断裂失效、胶合失效。 １）磨损失效。滚动轴承润滑条件不好或润滑剂有尘埃 或变质引起轴承回转部件之间直接接触，导致机械摩擦或微 小颗粒磨损，持续的轴承磨损使轴承游隙变大，设备振动 增大。 ２）疲劳失效。造成滚动轴承疲劳失效的主要原因是载 荷引起的交变应力。在轴高速旋转时，由于轴承巨大交变接 触应力多次反复冲击作用，轴承元件金属表面就会发生疲劳 点蚀，产生剥落，形成小凹坑。 图２链轮滚动轴承保持架及滚动体体故障 ３）断裂失效。在轴承负载过大，受冲击时使轴承某个 收稿日期：２０１２—０２—２７ 作者简介：周俊丽（１９７８一），女，主要从事设备状态检测与故障诊断研究。 杨 欢：加强炮兵指挥信息系统使用管理的几点思考 ５７ 部位发生应力集中，产生点蚀引发裂纹，进而导致轴承元件 一种渐变性的故障，振动时域波形没有规律性，随机性较强， 断裂。 通频带振动幅值往往增大，能明显反映出滚动轴承故障发展 ４）滚动轴承的胶合失效。胶合指滚道和滚动体表面因 趋势；另一类是轴承元件表面损伤性故障，包括滚动体、内 过热而局部融合在一起引发的轴承失效，常常在高速、高温、 圈、外圈滚道等表面点蚀、金属剥落或擦伤等。当轴承元件 重载及润滑不良等情况下产生。 通过表面损伤点时，即会产生突变的周期性冲击脉冲力，这 １．３滚动轴承振动机理分析 是损伤类故障的基本特征。磨损类故障一般有一个较长的 滚动轴承振动主要是由其结构特点、制造误差和轴承故 发展过程，可以通过定期对轴承振动总量进行状态监测，并 障产生的，其振动机理如图４所示，其中轴承结构与故障是 作趋势分析进行预防，而损伤类故障是一种突发性又比较危 产生振动的主要原因。 险且早期症状较难识别的一类故障，这类故障正是进行轴承 故障诊断时需要加以研究的重点。 轴承故障振动诊断的关键是获取滚动轴承故障特征频 率。滚动轴承在运行过程中，轴承元件的工作表面损伤点反 复撞击与之相接触的其他元件表面而产生低频振动成分，频 率一般在ｌｋＨｚ以下，该频率称为轴承故障特征频率，参考相 关文献计算方法： １ 图４滚动轴承振动机理 ＢＰＦＯ＝÷ｚ（１＋ ｃｏｓ二Ｉ， ），， （１） １ １）滚动轴承结构引起的振动。滚动轴承在回转轴载荷 Ｐ几＝ ＩＬ ｚ（１一 ｃｏｓ （２） 二 上， 作用下，最下面的滚动体受力最大，最上面的滚动体受力最 １ 小，其余滚动体的受力大小根据其位置的不同而呈类似扇形 ＦｚＦ＝— ｚ（１一－￣－ｃｏｓａ）ｆｒ （３） 二 工， 分布。在滚动轴承旋转过程中，最下面的滚动体从载荷中心 ｎ Ｊ 线下面向非载荷中心线位置滚动，其接触力由大变小，只要 ＢＳＦ＝｝ ［１一（昔ｃｏｓ ） ］ｆｒ （４） 轴在旋转，每个滚动体通过载荷中心线时，就会发生一次力 １．５滚动轴承振动频谱结构分析 的变化，对轴颈和轴承座产生周期性冲击激励作用。 当滚动轴承元件表面产生局部损伤时，轴承在运转时就 ２）滚动轴承故障引起的振动。当滚动轴承处于运转状 会产生周期性的脉冲激励，而脉冲力是一宽频带信号，对于 态时，由于润滑不良、载荷过大或者冲击等原因都可能会在 滚动轴承振动的频谱结构，可分为３个部分。 滚动轴承的内外圈滚动体上起剥落、裂纹、压痕等缺陷或局 １）低频段频谱（１ ｋＨｚ以下），包括轴承的故障特征频率 部的损伤。滚动体在通过故障部位时会产生一个微弱的但 及加工误差引起的振动特征频率。通过分析低频段的谱线， 能够激起轴承内组件固有频率振动的高频冲击脉冲信号。 可以监测和诊断相应的轴承故障。 因此，由轴承故障引起的振动信号，其频率成分中不但包含 ２）中频段频谱（１—２０ ｋＨｚ），主要包括轴承元件表面损 了轴承故障特征的频率，而且还包含轴承部件的自振频率。 伤引起的轴承元件的固有振动频率。分析此频段内的振动 １．４滚动轴承故障特征频率分析 信号可以较好地诊断出轴承的局部损伤故障。通常采用共 齿轮箱中滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体与保持架 振解调技术，获得信噪比较高的振动信号，进而分析轴承 四大部件构成。一般情况下，轴承外圈保持不动，轴承内圈 故障。 随回转轴旋转。如图５所示为滚动轴承的典型结构。 ３）高频段频谱（２ｏ ｋＨｚ以上）。轴承损伤引起的冲击在 ２０ ｋＨｚ以上的频率也有能量分布，所测得的信号中含有 ２０ ｋＨｚ以上的高频成分。对此高频信号进行分析就可以诊 ＠ 断出轴承的早期相应故障。 ２滚动轴承状态监测与故障诊断策略 任何客观事物都有自己生命周期，同样，滚动轴承在使 用过程中也有自己的正常生命周期，我们关心的是在轴承完 全故障前发现轴承故障，即在第３阶段，及时发现轴承故障， 图５滚动轴承典型结构 采取相应措施，提前预防机电设备事故的突然发生，保障机 电系统设备的可靠性。根据对滚动轴承寿命周期的实验研 图５中：Ｄ为轴承滚动体中心所在圆的直径；ｄ为滚动体 究，滚动轴承寿命周期如图７所示。 的直径；ｚ为滚珠数目；ｒ】为轴承内环滚道半径；１＂２为轴承外 滚动轴承状态监测的任务就是根据相关判断标准，通过 环滚道半径；ｏ为接触点中心线与滚珠中心线的夹角。 检测轴承运转过程中技术参数，如温度、振动、噪音等，由于 滚动轴承在运行中发生的故障，一般可分为２类：一类 振动诊断在机械设备故障诊断的成熟应用及便捷性，本文重 可称为磨损类故障，因元件的磨损造成间隙逐渐变大，这是 点研究振动诊断在滚动轴承状态监测与故障诊断中的应用。 ５８ 四川兵工学报 ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏｕｒｓｅｒｖ．ｃｏｍ／ 图６ 滚动轴承振动信号频率颁布 累 积 的 损 伤 ，Ｊ。。时间 图７ 滚动轴承典型故障发展历程 ２．１滚动轴承ＳＰＭ（冲击脉冲法）状态分析 冲击脉冲法（ＳＰＭ，ｓｈｏｃｋ ｐｕｌｓｅ ｍｅｔｈｏｄ）是专门用于滚动 轴承多种失效的诊断系统监测方法，尤其对疲劳失效、磨损 失效、润滑不良等失效的诊断准确率相当高，是轴承状态检 测的一个重要手段。 ２．１．１冲击脉冲原理 ２个物体相互碰撞会产生一定能量的震动，这种震动不 是呈连续状态而是以压力波的形式传递并呈脉冲状态，这种 由于接触面上的物体发生碰撞而产生的震动称为冲击脉冲。 滚动轴承的滚动体与滚道表面并不是绝对光滑的，在轴 承转动时，“粗糙”的表面使两者之间的润滑油产生波动，并 对外滚道产生能量较小但频率较高的冲击；同时滚动体滚过 某一缺陷位置时则会产生一个相对能量较大，但频率较低的 冲击，这种冲击会随着滚动体或滚道表面产生的缺陷而明显 增大。 当滚动轴承存在缺陷时，在运行中因受到滚动体的冲击 而产生宽带高频率冲击振动，冲击产生的高频压缩波在金属 内部传递给轴承座，再经加速度传感器接收，经相关信号处 理显示冲击脉冲值，并直接显示红、黄、绿给出轴承状态。 ２．１．２滚动轴承状态ＳＰＭ判定参数 滚动轴承的寿命是以同一批型号的轴承，在相同运转条 件下９０％的轴承不发生破坏前的转数（以１０ 转为单位）或 工作小时数作为轴承的寿命，并把这个寿命叫做额定寿命。 而冲击脉冲对轴承寿命的定义为，一只完好的新轴承有一个 初始冲击震动值，当冲击震动值达到初始冲击震动值的 １ ０００倍左右时，就认为该轴承已经达到使用寿命的终点。 用分贝（ｄＢ）表示时，轴承寿命终点的冲击震动值为６０ ｄＢ，即： ２０１ｇｌ ０００／１＝２０１ｇ１０ ＝２０×３＝６０（ｄＢ） 滚动轴承寿命的评定参数： ｄＢ 冲击脉冲值的绝对分贝，用来衡量冲击脉冲能量强 度的绝对值；ｄＢ 冲击脉冲值的背景分贝，即滚动轴承初始 值，其数值大小取决于滚动轴承内径和转速；ｄＢ 冲击脉冲 值的标准分贝，用来评定滚动轴承工作状态的标准，ｄＢ ＝ ｄＢ 一ｄＢ ；ｄＢ 冲击脉冲值的最大分贝，表示轴承元件损坏 的最大程度；ｄＢ 冲击脉冲值的地毯分贝，表示滚动轴承的 润滑状态。 几个参数的评定关系如图８所示，图中显示的冲击脉冲 值是实际测量得到的冲击脉冲值的绝对分贝ｄＢ 减去背景 分贝ｄＢ；得到的标准分贝ｄＢ ，其中ｄＢ 是脉冲的最大值， ｄＢ 是反应轴承润滑状态的地毯值。 ｄＢ ６０ ｄＢ ３５ ｌ ２０ － ｄＢ。 ０ 咖 ｌｌｌｌｌ ｌｌｌｌｌＩ Ｉｌ８ｌ ｄＢ 图８滚动轴承状态ＳＰＭ值评价 冲击脉冲最大值ｄＢ 用于定义轴承状态等级，而ｄＢ 与 ｄＢ 之间的差值用于对轴承损坏状态的原因进行分析：轴承故 障与润滑有着密切的关系，所以在诊断中，应把轴承的润滑状 况检测作为轴承诊断的主要内容。当ｄＢ ＜１０且ｄＢ ＜２０ 时，则表明轴承状态良好；当ｄＢ ＞１０，且ｄＢ 仅比ｄＢ 大一点 时，则说明轴承安装不好或润滑不良，良好的润滑将会起得较 好的效果；当ｄＢ 和ｄＢ。在同一范围内，一般ｄＢ ＞ｄＢ ＞２０ ｄＢ时，说明轴承润滑不良，或轴承存在干运转现象，已达到需 要保养的程度；当ｄＢ。很小，而ｄＢ 很大时，则说明轴承受到 周期性的机械撞击，应注意轴承局部故障。 ２．２滚动轴承振动高频共振解调法（包络分析） 当滚动轴承元件表面有局部损伤类故障时，会对轴承系 统产生周期性的脉冲激励。由于脉冲力是一宽带信号，其中 必有一部分能量落在压电加速度传感器的谐振范围内，引起 加速度传感器的谐振（共振）。把传感器拾取的信号放大，然 后经过中心频率等于加速度计谐振频率的带通滤波器滤波， 再经包络检波器的检波，就得到与脉冲冲击发生频率（即滚 动轴承元件的故障特征频率）相同的低频信号。对此信号进 行频谱分析，可以很容易诊断轴承故障发生的部位，原理如 图９、１０所示。 ３滚动轴承故障诊断案例分析 ３．１ ＳＰＭ冲击脉冲状态监测 冲击脉冲状态监测关键技术点：①正确设置滚动轴承 内径及轴转速，其值将直接影响到滚动轴承初始冲击脉冲值 的背景分贝，即滚动轴承初始值，其数值大小取决于滚动轴 承内径的大小和转速的大小；②传感器测试部位，一般手持 式冲击脉冲传感器测试位置应尽可能接近滚动轴承座在其 测试平面内第３或第４象位置并向上倾斜作４５。角位置，这 样测试效果最佳。 杨 欢：加强炮兵指挥信息系统使用管理的几点思考 轴承固有 振动谐振 ５９ 冲击 嘉 裳鬈 羹 带通滤波 分离出 谐频中心附近 高频振动成分 图９振动信号高频共振法原理 即 １． ＾． ． 的边频（频率调制现象，如以滚动轴承外圈特征频率为载波 频率，以轴旋转频率为调制频率的现象叫边频）为主要频率 成份的低频信号，故障特征信息被大大地突出出来，对其进 ｆｃ１绝对值处理ｔ Ａ （ｆ） 上 三 鱼 厂 ７’ （ｅ）频谱分析 图１０振动信号高频共振处理示意图 神东矿区大柳塔煤矿５—２煤大巷胶带机于是乎２０１ １ 年ｌ０月份正式投产，其中３＃驱动电机在近期１次例行检测 中发现其ＳＰＭ值ｄＢ ／ｄＢ ：３５／２４。电机各项参数如表１所 示。结果如图１１所示。 表１ ３＃驱动电机参数 图１１ ３＃驱动电机输出端轴承ＳＰＭ值及谱图 根据ＳＰＭ诊断理论，此电机输出端轴承存在润滑不良 现象，后在停机检修时，给轴承注脂润滑，再次检测其ＳＰＭ 值迅速降低为１６／９，轴承运行正常。 ３．２高频共振解调法 包络检波后的信号是以故障特征频率及其倍频和它们 行频谱分析可以比较精确地诊断出故障发生在哪个元件上 以及其严重程度等。 某现代化煤矿大巷胶带机３＃驱动电机输出端轴承，在日 常例行检测中发现其振动趋势增大且温升不正常，经振动检 测测试后分析为其外圈与内圈无法有不同程度的损伤，现将 振动结果表述如下：滚动轴承型号为Ｎｕ２３８，其特征频率外 圈为９２．５ Ｈｚ，内圈为１４５．４ Ｈｚ，滚动体２６０．４ Ｈｚ，保持架为 ３５．７ Ｈｚ。其原始振动信号与高频共振解调分析如图１２、１３ 所示。 图 螽 坚 黝 信 争 频 谱 ∞ 《 翅 颦 ｌｆＨｚ 图ｌ３ 振动信号高频共振解调频谱 后在计划停机检测时更换电机，发现其输出端滚动轴承 是内、外滚道表面上各有１处疲劳剥落。 ４结束语 滚动轴承作为工矿企业机电设备重要的传动部件，为提 高机电设备的可靠性，防止无计划停机引起事故及生产损 失，对滚动轴承的状态监测与故障诊断就（下转第６２页） ６２ 一四川兵工学报 ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏｕｒｓｅｒｖ．ｃｏｍ／ 次风量，减少稀相区物料量。 ２）上部床温远低于下部床温。适当提高下二次风量和 风量，停止该侧石灰石投入，尽量关小中过灰控阀开度。通 过以上一系列操作可最大限度的保证给煤丧失侧的床温。 一次风量，使更多的燃料进入稀相区燃烧。 当炉膛内部的燃烧或换热状态发生波动时就会出现床 然后根据主汽压力降低电负荷。 ３．３．３床温波动大 ４结束语 通过４年多的实践，我们基本掌握了国产化３００ＭＷ 温的大幅波动，只要控制好以下几点就可以稳定床温。 １）保证两侧床压均衡。 ２）保证人炉风量、风压的稳定。 ３）保证人炉煤量及石灰石量的稳定。 ４）保证炉膛负压及氧量的稳定。 ５）保证床压在设计范围。 ３．３．４密相区结焦 ＣＦＢ锅炉床温特性以及主要影响因素，并总结出了锅炉启 动、运行阶段及异常状况时床温的控制方法，为３００ＭＷ循环 流化床锅炉的长期安全、稳定、经济运行提供了可靠的保证。 参考文献： 党黎军．循环流化床锅炉的启动调试与安全运行［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２０ｏ３． 密相区结焦后，由于内部流化不良，整体床层不稳定，极 易在局部形成富氧燃烧区域，使得局部床温迅速蹿升，加重 结焦，严重时甚至烧毁床温测点。此时，应适当保持高床压， 稳定床温，并通过加大一次风量强化流化的方法，在防止进 一［２］ 路春美，程世庆，王永征．循环流化床锅炉设备与运行 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００３． ［３］ 张栾英，李建强，谷俊杰，等．１００ＭＷ循环流化床锅炉 步结焦的同时尽快炉内焦块磨损殆尽。如果单侧床温迅 速蹿升，应立即提高另一侧一次风量，从而通过迅速增加本 侧物料量的方法控制床温，待床温稳定后再将两侧床压 调平。 床温控制策略［Ｊ］．华北电力大学学报，２００４，３１（１）： ３】一３３． ３．３．５单侧给煤丧失 此时应迅速对给煤丧失侧进行如下操作：尽快投入床 （责任编辑周江川） 枪，在保证不发生翻床的情况下适度降低这一侧的一、二次 （上接第５９页）显得非常重要，本文在研究滚动轴承故障机 理的基础之上，重点研究目前国内外于滚动轴承故障诊断２ 种重要的技术手段，提出采用ＳＰＭ法监视滚动轴承早期状 态，提高滚动轴承维护水平，当滚动轴承状态发展到一定程 度时，利用高频共振解调法（包络分析法）对故障作进一步的 确认与诊断。 ［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２０００（１２）：５４—５６． ［３］ 周久华．采煤机摇臂齿轮箱故障诊断技术研究［Ｄ］．重 庆：重庆理工大学。２０１１． ［４］Ｗｉｌｌｉａｍｓ Ｔ，Ｒｉｂａｄｅｎｅｉｒａ Ｘ，Ｂｉｌｌｉｎｇｔｏ Ｓ．Ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｅａｒ－ ｉｎｇ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｉｎ ｒｕｎ ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉ— ｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２ＯＯ３，１５（５）：９７９—９９３． ［５］ 田振华．高频共振法在滚动轴承故障诊断中的应用 参考文献： ［１］ 神东机电设备事故案例汇编［ｚ］．神木：神东煤炭集团 设备管理中心，２０１０． ［２］ 徐玉秀．冲击脉冲法在电机轴承故障诊断中的应用 ［Ｊ］．吉林工业大学学报，１９９２（２）：２１—２４． （责任编辑陈松）
