滾動軸承失效的機理及故障診斷分析

趙 培，薛 河，嚴周民

（1.陜西能源職業技術學院 機電工程系，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安

710054）

滾動軸承在工作時，一般是外圈與軸承座或機殼相連接，固定或相對固定；內圈與機械的傳動軸相連接，隨軸一起轉動。在機械運轉時，由于軸承本身的結構特點、加工裝配誤差及運行過程中出現的故障等內部因素，以及傳動軸上其他零部件的運動和力的作用等外部因素，當軸以一定的速度并在一定載荷下運轉時，對軸承和軸承座或外殼組成的振動系統產生激勵，使該系統振動。

1 滾動軸承的失效形式

滾動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。磨損失效是滾動軸承最常見的失效形式。由于工作狀況的復雜性，有時會表現多種失效形式。

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轉總小時數或總轉數超過軸承計算壽命后，所發生的疲勞剝落為正常疲勞失效。產生正常失效的原因是滾動表面的金屬由于運轉時的應力超過材料的疲勞極限，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的特征：①疲勞裂紋的萌生在次表層，故看不見，用普通儀器也無法偵聽到。②剝落的屑片表面粗糙而不規則，原滾動表面留下疤痕狀小坑，稱為點蝕。③點蝕一旦出現，即迅速擴展，短時間內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廢。

（2）軸承的正常磨損失效軸承在其運轉總小時數或總轉數超過軸承的計算壽命，或超過推定的磨損壽命后的過度磨損，為正常磨損失效。產生原因是，滾動軸承的運動都伴有微小滑動，所受負荷也總有一定波動，因而潤滑劑可延緩磨損但實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出的特征：①滾動表面沿運動方向發生較光滑的磨損條紋，新條紋有較顯著的金屬光澤。②滾動軸承的正常磨損也有兩個階段，即短期的“跑合”磨損，很長時間的平緩磨損，以及短期的劇烈磨損，最終使軸承的精度喪失，或引起振動和噪聲而不能繼續使用。超過額定壽命或磨損壽命的磨損失效，在現有技術水平條件下實際上也是不可避免的。

1.2 軸承常見的非正常失效

（1）軸承的早期疲勞失效軸承在其運轉總小時數或總轉數尚未達到其計算壽命的相應數值時便發生疲勞失效，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力的作用而產生失效。接觸疲勞剝落發生在軸承工作表面，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力處產生，然后擴展到表面形成不同的剝落形狀，如點狀為點蝕或麻點剝落，剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴大，而往往向深層擴展，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轉尚未達到額定疲勞壽命或按推定的磨損壽命，便因過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移，材料損失可以表現為游離的碎屑。由局部塑性變形或粘著引起的材料從一個位置傳遞到另一個位置，從而產生材料轉移現象。磨損失效是指表面之間的相對滑動摩擦導致其工作表面金屬不斷磨損而產生的失效。磨損通常引起軸承零件逐漸損壞，并最終導致軸承尺寸精度喪失及其他相關問題。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。磨損可能影響到潤滑劑或使潤滑劑污染達到一定程度而造成潤滑功能完全喪失。磨粒磨損是指軸承工作表面之間擠入外來堅硬粒子或硬質異物或金屬表面的磨屑且接觸表面相對移動而引起的磨損。

2 滾動軸承的故障診斷技術

滾動軸承是工業應用系統的重要部件，而滾動軸承引發的故障是引起機器設備失效的重要原因。軸承的工作好壞對機器的工作狀態有很大影響，其缺陷會導致設備產生異常振動和噪聲，甚至造成設備損壞。特別是在高速、重載條件下的滾動軸承，由于工作面接觸應力的長期反復作用，極易引起疲勞、裂紋、剝蝕、壓痕等故障，從而引發軸承產生如斷裂、膠著、燒損等現象，而這些故障將會使軸承的旋轉精度降低，產生振動、噪聲，增加軸承旋轉的阻力，最終將使軸承受到阻滯和卡死，造成整個機械系統的失效，因此對軸承的故障檢測非常重要。滾動軸承故障診斷的目的是保證軸承在一定的工作環境(承受一定的載荷，以一定的轉速運轉等)下和一定的工作期間(一定的壽命)內可靠、有效地運行，以保證整個機器的工作精度。與此目的相適應，軸承故障診斷就要通過對能夠反映軸承工作狀態的信號進行觀測、分析和處理來識別軸承的狀態。由于內圈與軸連接，外圈又安裝在軸承座上，這樣的軸承系統在運行過程中會由于各種原因而產生十分復雜的振動信號。一般來說，滾動軸承的振動信號有如下特點：①通過安裝在軸承座上的傳感器所拾取的軸承振動信號是寬帶信號，且隨機性較強；②引起軸承振動的激勵是不同的；③振動信號是多故障的耦合，特有故障往往淹沒在背景噪聲中。

滾動軸承產生激勵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、滾動體大小不一致等；裝配誤差，如不對中、不平衡等；運行過程中出現的各種故障，如疲勞點蝕、剝落、裂紋、磨損、潤滑不良等。不同的原因，對軸承系統的激勵是不同的。例如，由于疲勞點蝕或剝落等軸承元件表面損傷所引起的激勵是具有沖擊性質的；由于各零件表面波紋而引起的激勵近似正弦激勵。由于激勵不同，則故障形式不同，軸承系統產生的振動響應也不同，所以振動信號是軸承故障的載體，理論上可通過對軸承振動信號的分析與處理診斷出軸承的所有類型的故障。但是實際上，通過安裝在軸承座上的傳感器拾取的振動信號，除反映有關軸承本身的工作情況的信息外，也包含大量的機械中其他運動部件和結構的信息，這些信息對于研究軸承本身的工況與故障來說，屬于背景噪聲。由于實際的背景噪聲往往比較大，所以剛剛發生輕微故障的滾動軸承傳遞的特有信息往往淹沒在背景噪聲中，很難被發現和提取出來。

3 結語

因此，采用現代振動監測與信號處理技術來提高信噪比，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監測與診斷技術的關鍵所在。