机动设备滚动轴承损伤的检测技巧

罗礼培

常见机动设备(包括机动车辆等)上装有多种类型的滚动轴承，在使用中，这些轴承故障损伤也较为常见，据不完全统计，在机械车辆中此类故障比例约占30%。若能做到提前预测和发现故障，并利用机动设备运行间歇或停机时间排除故障，则可避免损失，甚至可使机动设备达到零故障运行，减少维修成本。因此，生产中作好滚动轴承的状态监测与故障诊断，是搞好机动设备维修与管理的重要环节。滚动轴承一般都是装在机构内部，不便直观检查，只能根据故障现象先做概略判断，然后再拆卸检查。

1.检测的目的

滚动轴承的特点是其寿命离散性很大，即用同样的材料，同样的工艺，同样的设备，同样的工人加工出来的同一批产品，其寿命相差很大。因此，在实际使用中，有的轴承使用时间已大大超过其设计寿命而仍能完好工作；有的轴承远未达到其设计寿命就出现各种故障。所以，对轴承进行工况检测，不但可以防止机械工作精度下降，减少或杜绝事故发生，而且可以延长轴承的使用时间，节约开支。

轴承检测就是通过对反映轴承工作状态信号的测取，分析与处理，来识别轴承的状态，包括信号测取、特征提取、状态识别、故障诊断、决策干预等环节。其目的就是保证轴承在一定的工况下(承受一定的载荷，以一定的转速运转等)和一定的工作期间内可靠有效地工作，以保证整个机械的运行。

2.损伤类型和常见损坏症状

滚动轴承的损伤大致有腐蚀、摩擦、过热、烧伤、磨损、疲劳剥落等，其中，磨损和疲劳剥落是比较常见的故障类型。

在运转时，轴承安装部位允许有一定的温度，用手触摸其外壳时，以不烫手为正常，反之则表明温度过高，存在故障。轴承温度过高的原因有：润滑油质量不符合要求、变质或黏度过高；机构或轴承装配过紧(间隙不足)；轴承座在轴上或壳内转动；负荷过大；轴承保持架或滚动体碎裂等。

滚动轴承在工作中允许有轻微响声，如果响声过大或有不正常的噪声，表明轴承有故障。滚动轴承产生噪声的原因比较复杂，其一是轴承内、外圈配合表面有摩擦。由于这种摩擦，破坏了轴承与壳体、轴承与传动轴之间的配合关系，导致轴线偏离了正确的位置，并使轴在高速转动时产生异响。当轴承疲劳时，其表面金属剥落，也会使轴承径向间隙增大产生异响。此外，轴承润滑不足，形成干摩擦，以及轴承破碎等都会产生异常的声响。轴承磨损松旷后，保持架松动损坏，也会产生异响。若要减少故障、延长寿命就要正确使用滚动轴承，包括正确安装和合理润滑。下面分别介绍滚动轴承的常见故障、损伤和使用要求。

承受负荷的内外圈、滚动体(滚珠、滚柱等)表面磨损和剥落,会造成滚动轴承的径向间隙、轴向间隙增大,滚动轴承在工作中发出噪声和发热,并且破坏了与其配合轴的正确工作位置，出现振动。表面疲劳剥落的初期是表面上出现麻点状的小凹坑，最后发展成片状的表层脱落。轴承滚动体和内、外圈滚道面上均承受周期性脉动载荷的作用，从而产生周期变化的接触应力。当应力循环次数达到一定数值后，在滚动体或内、外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大，会使这种疲劳加剧。另外，轴承安装不正、轴弯曲，也会产生滚道剥落现象。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，使机构发生振动和噪声。

由于轴承内外圈与轴和壳体孔装配时没有配合好,破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系，进一步加速了轴承本身和与之配合的轴或壳体上配合表面磨损(走内圈或走外圈)。在工作中隔离圈和滚动体(滚珠、滚柱等)相互摩擦，若润滑不良,则加快磨损。隔离圈磨损以后,滚动体松动,严重时会造成隔离圈散架，滚动体脱落。由于润滑不良，或润滑油不符合要求，以及轴承间隙调得过小，轴承工作时迅速发热，工作表面因受高温而退火。在外表观察时，可发现工作表面的颜色发生变化。轴承的滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，说明轴承产生塑性变形。其原因是轴承在很大的静载荷或冲击载荷作用下，工作表面的局部应力超过材料的屈服极限，这种情况一般发生在低速旋转的轴承上。轴承座圈裂纹、保持架碎裂。轴承座圈产生裂纹的原因可能是轴承配合过紧，轴承外圈或内圈松动，轴承的包容件变形，安装轴承的表面加工不良等。保持架碎裂的原因是润滑不足，滚动体破碎，座圈歪斜等。座圈滚道严重磨损，可能是座圈内落入异物，润滑油不足或润滑油牌号不适。

3.损伤规律

滚动轴承的运行状态在一般使用过程中有一定的规律性，并且重复性较好，一套新轴承开始使用时，振动值和噪声都较小，有时开始时温度有点高，频谱有些乱，这可能是制造时的一些小缺陷，运行一段时间后，轴承状态就会稳定.再经过一段时间后振动就会缓慢增大，这时就要严密监测注意变化，当振动超标时就要及时检修，更换轴承，如继续运行就会发生抱轴、保持架散裂、滚道和滚珠磨损事故，这类事故多为突发灾难性的。新轴承在安装时，要用测振仪对振幅和速度进行测量，并要和平时的监测数据做比较。

在实际监测中，一般当振幅、速度、加速度和温度中任意2个值超标，就可以判断轴承有问题。另外，当监测设备出现故障信号时，还要排除非轴承产生的振源，这才能客观的反映滚动轴承真实情况。对于滚动轴承而言，损伤的监测手段多种多样，如温度、位移、速度、加速度、润滑油形态等，每种方法对不同故障的敏感度不同。在条件和检测手段已经限定的条件下，选择最有效的手段和参量可提高诊断的准确性，在了解滚动轴承的故障性质和其可诊断性的关系后，可客观判断轴承的状态。

4.故障部分检测方法

对轴承故障进行诊断的方法有转矩测定法，旋转速度测定法，温度测定法，油分析法，振动法等。其中，振动法由于其适用性强，效果好，测试信号处理简单直观等优点而被广泛使用。

滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座相连接，固定或相对固定；内圈与机械的传动轴相连接，随轴转动。加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其它零部件的运动和外力的作用等外部因素，传动轴以一定转速和载荷运转，对轴承座组成的系统产生激励，从而产生振动。

要判断滚动轴承是否正常运行，需获取轴承的振动信号。由于轴承振动信号的频率波段丰富，并且故障信息常常反映在中频段和高频段。传感器一般使用压电式加速度传感器，其频响范围为0.50 kHz，而且该种传感器具有体积小，质量轻，灵敏度高，测量范围大，线性度好，安装简便等优点。应当注意的是，传感器要安装在尽可能多地获取轴承振动信号的地方，例如轴承座或离轴承外圈很近的箱体上。多次测量时，传感器的安装位置应保持不变，以获取更为准确的振动信号。获得振动信号后，传感器将信号传给记录设备，然后通过计算机进行分析，来判断轴承是否存在故障。

在磨损类故障中，滚动轴承磨损后产生的振动同正常轴承产生的振动具有相同性质，传感器获得二者的振动信号基本一样，波形都是无规则，随机性较强，但磨损后的振幅明显高于正常轴承。因此，只要将振动信号同正常信号加以比较，就可判断出滚动轴承是否存在磨损类故障。

疲劳剥落、点蚀是指轴承外圈、内圈和滚动体的某些部位出现了剥落或空洞。轴承在运转过程中，当这些部位负载时，将会撞击与之相互作用的其他元件表面，产生冲击脉冲力，使得传感器获得的振动信号出现异常，即波形相隔一段时间后就会出现峰值极大的尖顶。这类故障可采用共振解调法来检测。

5.噪声与振动分析

在机械车辆中，滚动轴承属易损件，装配不当、润滑不良、水分和异物入侵、腐蚀等造成的轴承缺陷都会导致机器异常振动、产生噪声，甚至损坏。即使在一切都正常的情况下，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。滚动轴承的振动可由内外部的振源、轴承本身的结构特点、润滑油在轴承转动中产生的流体动力振动及噪声而引起。由于机器内部各种激发力的原始信息可由频率来确定，因此频谱分析是解决振动问题并评估设备可靠性的一个可取方法。

滚动轴承故障引起的冲击振动由冲击点以半球面波方式向外传播，通过轴承零件、轴承座传到箱体或机架，由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递一次其能量损失80%。因此，听时要正确选择位置测量点，应靠近被测轴承承载区，尽量减少中间环节，离轴承外圈的距离越短越直接越好。如止推轴承在轴承盖处振动信号最强，利用听到的声音来判断：“嗡嗡”声表示状态较好；“梗梗”声是内外圈或滚动体破裂；“骨碌碌”声是轴承缺油。利用手对温度和振动的感觉对轴承做出判断，手能在轴承处放3 s,轴承温度达60 ℃,轴承压盖过热可能是轴承跑外圈，如果轴承局部发热或有撞击振动情况下，说明轴承装配不当或紧固件松动等。利用眼睛看安装轴承处及压盖的漆皮有无变色，轴承的油脂是否有发黑、乳化等变化。观察隔离圈是否损坏，滚动体(滚珠、滚柱等)和内外滚道是否有裂纹、伤印、麻点或烧蚀等。若发现滚动轴承的隔离圈断裂、缺口，滚柱(珠)脱出等应更换轴承。若轴承受热变色，滚柱(珠)磨损不均匀、断碎等，应予更换。在拆解检查滚动轴承时，应先把滚动轴承清洗干净，通过外表检查、空转试验和对内部的间隙测量，可判断其是否良好。

用一手拿住内圈，另一手转动外圈，使轴承空转，轴承旋转应轻快灵活，无噪声，无卡滞现象。若转动起来有“喀达”“喀达”的撞击声，应进一步检查滚珠(柱)和内外滚道，若发现滚珠和座圈有严重的麻点、脱皮、破裂等须更换。若转动起来很灵活，无阻滞现象，但“哗、哗”的噪声很大.应检查是否磨损过度，可用两手紧握滚动轴承的内圈和外圈，前后推动轴承，要是感到晃动的间隙很大，应更换轴承。

人工简单检测可以察觉轴承的损伤点，但受经验性等主观因素的影响较大。而采用各种各样的仪器，根据振动的位移、速度和加速度的均方根值可更准确地判断轴承有无故障，通常使用振动检测仪器来确定旋转机械的性能变化的趋势。要达到此目的，必须要迅速可靠检测出那些能正确表征机器状况的振幅和频率，然后将其与标准参考值加以比较，再判断测量数据是否超标，来决定是否要修理。轴承的噪声检测由仪器S0910-1来完成，分为Z1 ，Z2，Z3，Z4级别, 振动检测由仪器BVT-1来完成，分为V1 ，V2，V3，V4级别。其中电机轴承对轴承的振动要求更高，用户可以根据具体的要求来选择不同的等级。在有条件时，可以用带架的百分表来测量它的径向和轴向间隙。

6.运行噪声与振动检测

对轴承噪声的监听，可作为一种辅助诊断分析手段。采用测声器对轴承运转中的滚动声的大小及音质进行检查，轴承即使有轻微的剥离等损伤，也会发出异常或不规则声音。尖锐的吱吱声可能是由于不适当的润滑所造成。不适当的轴承间隙也会造成金属声。轴承外圈轨道上凹轨道的凹痕会引起振动,也会造成平顺清脆的声音。若是由于安装时所造成的敲击伤痕也会产生噪声，此噪声会随着轴承转速的高低而不同。若是有间歇性的噪声，则表示滚动件可能受损，此声音是发生在当受损表面被辗压过时，轴承内若有污染物常会引起嘶嘶声。严重的损坏会产生不规则且巨大的噪声。

轴承运行噪声产生的原因有：轴承的固有噪声；因设计、加工误差而产生的噪声；伤痕及污物引起的噪声；缺油脂。其中后2种属于滚动轴承运行过程中出现的异常噪声。对噪声的度量主要有：强弱大小、噪声频率。固有噪声(正常噪声)，这是滚动轴承本身具有的一种正常噪声，即使加工、装配均为理想尺寸，也不可避免。特征是轴承旋转时发出的一种平稳连续的较小声音。当回转速度发生变化时，其主频率不变。

装配误差产生的噪声主要是轴承设计、制造加工误差所致。滚道噪声由于轴承加工时，滚道和滚动体表面产生形状误差、粗糙度、波纹度，轴承在转动时，产生随机脉冲和滚道噪声，它是轴承噪声的主要成分，特点是声会随着滚道和滚动体的加工精度的提高而降低。滚子轴承容易产生滚动噪声，滚动体相对于滚动面回转、滑动、摩擦、撞击时产生的噪声。特点是主要发生在滚动体进入、退出承载区的时刻；润滑油脂性能不好或黏度极大时；滚子轴承只承受径向力，而径向游隙比较大时。

保持架噪声产生原因是滚动体和保持架、保持架与引导面之间的滑动摩擦，保持架与滚动体发生相互撞击而产生的声音。特点是具有周期性；当采用滚动体引导保持架时，这种运动的不稳定性更加严重，深沟球轴承的冲压保持架较薄，径向、轴向的弯曲刚度较低，整体稳定性差，轴承高速旋转时，就会因为弯曲变形而产生自激振动，引起“蜂鸣声”。降噪措施：为使保持架运转稳定，要求保持引导面的良好润滑；尽量减小轴承的径向游隙；装配和使用时，提高轴承的清洁度。

轴承是个精密元件，如果轴承不与污物分开，难以高速运转，大约有14%的轴承过早损毁就是由于污染问题。由于润滑剂含有灰尘、污物或铁屑等杂物进入轴承工作面的非周期性振动和噪声，可以形容为“断续的嘶哑声”。特点：随机性、不固定，特别是小型轴承对它很敏感。措施是改善轴承的密封性能，防止外部灰尘进入轴承工作面、提高润滑剂(油、脂)和轴承清洗的洁净度，可以降低因为夹杂物产生的轴承噪声。

据统计，有16%的轴承过早损毁是由于安装不当或没有使用适当的安装工具。在安装过程中因施力分配不均，或加热(或局部)温度过高，或由于轴、轴承座尺寸不当产生干涉配合而在装配时出现滚珠传递压力现象，造成滚道、滚珠、保持架等的损毁。因为滚动轴承内外圈滚动表面的裂纹、碰伤、压坑、锈斑而产生的周期性振动和噪声。特点：当转速不变时，噪声频率不变，当转速降低，周期将变长。如果使用高黏度油脂，噪声将被覆盖。分析：若其噪声连续不断，则可能是滚道有伤；若其声音或有或无周期性的间断出现，则为滚动体有伤；若滚动体碎裂时，产生“锉齿声、冲击声”。

润滑油缺乏有2层含义，一是不正确的润滑剂(润滑脂的耐热性、抗水性、附着性，润滑油的黏度等)选用，二是润滑剂使用量不足。任何轴承如果得不到适当的润滑，在其达到正常使用寿命之前均会出现损毁现象。首先，轴承润滑剂的选用根据负荷、速度、温度、环境等情况确定，从而给轴承以最佳的润滑。若因润滑脂填充量不足而使轴承得不到充分的润滑，将会出现金属直接接触、摩擦而产生的“金属磨损的响声”，如果负载较重且缺油严重时可能产生“尖呜声”。滚动轴承的运行噪声监听要借助于各类听诊设备，对各种原因产生的噪声进行分析比较，多听、多比，得出经验，以利于在机械车辆发生异常声音时对故障的部位和原因进行分析，提高检修的命中率。要想真实准确地反映滚动轴承的振动状态，必须注意采集信号的准确性和真实性，因此要在离轴承最近的地方安排测点。另外必须注意对振动信号进行多次采集和分析，才能得到准确结论。

正常优质轴承在开始使用时，振动、噪声和振幅均比较小，但频谱有些散乱，可能是由于制造过程中的一些表面缺陷所致。运转一段时间后，振动和噪声维持一定水平，频谱非常单一，轴承状态非常稳定。继续运行后进入使用后期，轴承振动和噪声开始增大，有时出现异常声，但振动增大的变化较缓慢。此时，峭度值开始突然达到一定数值，此时轴承即表现为初期故障。这时，就要求对该轴承进行严密监测，密切注意其变化。此后，峭度值又开始快速下降，并接近正常值，而振动和噪声开始显著增大，且增大幅度加快。当峭度值也超过正常值时，则为轴承已进入晚期，需及时检修设备，更换滚动轴承。

7.损伤识别方法

运转中的检查项目有轴承的滚动声、振动、温度的状态等,就是通过这几个状态来识别轴承的损伤。

通过轴承的滚动声音进行识别。通过声音进行识别需要有丰富的经验。必须经过充分的训练达到能够识别轴承声音与非轴承声音。为此，应尽量由专人来进行这项工作，用听音器或听音棒贴在外壳上听取轴承的声音。也可采用测声器对运转中的轴承的滚动声进行检查。

通过轴承的振动进行识别。通过采用特殊的轴承振动测量器(频率分析器等)可测量出轴承的振动，通过频率分布推断出异常的具体情况。测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置的不同而不同，因此需要事先对每台机器的测量值分析比较后确定判断标准。

通过轴承的工作温度进行识别。通常，轴承的温度随着运转开始慢慢上升，1～2 h后达到稳定状态。轴承的正常温度因机器的热容量，散热量，转速及负载而有所不同。如果出现异常高温，必须停止运转，采取必要的防范措施。使用热感器可以随时监测轴承的工作温度，并实现温度超过规定值时自动报警或停止运行。该方法属比较识别法，仅限于在运转状态变化不大的场合。为此，相关人员必须对温度的连续记录。出现故障时，不仅温度升高，还会出现不规则变化。

通过润滑剂的状态进行识别。对润滑剂采样分析，通过其污浊程度是否混入异物或金属粉末等进行判断。该方法对不能靠近观察的轴承或大型轴承尤为有效。