滚动轴承失效的机理及故障诊断分析

赵 培，薛 河，严周民

（1.陕西能源职业技术学院 机电工程系，陕西 咸阳 712000；2.西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安

710054）

滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相连接，固定或相对固定；内圈与机械的传动轴相连接，随轴一起转动。在机械运转时，由于轴承本身的结构特点、加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其他零部件的运动和力的作用等外部因素，当轴以一定的速度并在一定载荷下运转时，对轴承和轴承座或外壳组成的振动系统产生激励，使该系统振动。

1 滚动轴承的失效形式

滚动轴承的失效形式很多，其基本形式有，磨损(磨料磨损、疲劳磨损、粘着磨损、微动磨损)失效、接触疲劳失效、断裂失效、腐蚀失效和压痕失效。磨损失效是滚动轴承最常见的失效形式。由于工作状况的复杂性，有时会表现多种失效形式。

1.1 轴承的正常

轴承的正常失效形式主要有疲劳剥落和磨损两种：

（1）轴承的正常疲劳失效轴承在其运转总小时数或总转数超过轴承计算寿命后，所发生的疲劳剥落为正常疲劳失效。产生正常失效的原因是滚动表面的金属由于运转时的应力超过材料的疲劳极限，从次表层开始萌生疲劳裂纹，并向表面层开裂而剥落。正常疲劳失效所表现的特征：①疲劳裂纹的萌生在次表层，故看不见，用普通仪器也无法侦听到。②剥落的屑片表面粗糙而不规则，原滚动表面留下疤痕状小坑，称为点蚀。③点蚀一旦出现，即迅速扩展，短时间内即引起全面疲劳剥落，宜及早更换轴承，否则将引起轴承的事故性报废。

（2）轴承的正常磨损失效轴承在其运转总小时数或总转数超过轴承的计算寿命，或超过推定的磨损寿命后的过度磨损，为正常磨损失效。产生原因是，滚动轴承的运动都伴有微小滑动，所受负荷也总有一定波动，因而润滑剂可延缓磨损但实际不能避免两界面的固体接触，即不能完全避免磨损。正常磨损失效所表现出的特征：①滚动表面沿运动方向发生较光滑的磨损条纹，新条纹有较显著的金属光泽。②滚动轴承的正常磨损也有两个阶段，即短期的“跑合”磨损，很长时间的平缓磨损，以及短期的剧烈磨损，最终使轴承的精度丧失，或引起振动和噪声而不能继续使用。超过额定寿命或磨损寿命的磨损失效，在现有技术水平条件下实际上也是不可避免的。

1.2 轴承常见的非正常失效

（1）轴承的早期疲劳失效轴承在其运转总小时数或总转数尚未达到其计算寿命的相应数值时便发生疲劳失效，即为早期疲劳失效。接触疲劳失效是指轴承工作表面受到交变应力的作用而产生失效。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，往往也伴随着疲劳裂纹，首先从接触表面以下最大交变切应力处产生，然后扩展到表面形成不同的剥落形状，如点状为点蚀或麻点剥落，剥落成小片状的称浅层剥落。由于剥落面的逐渐扩大，而往往向深层扩展，形成深层剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。

（2）轴承的早期磨损失效轴承的运转尚未达到额定疲劳寿命或按推定的磨损寿命，便因过度磨损而失效为早期磨损失效。磨损是表面材料的损失或转移，材料损失可以表现为游离的碎屑。由局部塑性变形或粘着引起的材料从一个位置传递到另一个位置，从而产生材料转移现象。磨损失效是指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金属不断磨损而产生的失效。磨损通常引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失及其他相关问题。磨损可能影响到形状变化，配合间隙增大及工作表面形貌变化。磨损可能影响到润滑剂或使润滑剂污染达到一定程度而造成润滑功能完全丧失。磨粒磨损是指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损。

2 滚动轴承的故障诊断技术

滚动轴承是工业应用系统的重要部件，而滚动轴承引发的故障是引起机器设备失效的重要原因。轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大影响，其缺陷会导致设备产生异常振动和噪声，甚至造成设备损坏。特别是在高速、重载条件下的滚动轴承，由于工作面接触应力的长期反复作用，极易引起疲劳、裂纹、剥蚀、压痕等故障，从而引发轴承产生如断裂、胶着、烧损等现象，而这些故障将会使轴承的旋转精度降低，产生振动、噪声，增加轴承旋转的阻力，最终将使轴承受到阻滞和卡死，造成整个机械系统的失效，因此对轴承的故障检测非常重要。滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境(承受一定的载荷，以一定的转速运转等)下和一定的工作期间(一定的寿命)内可靠、有效地运行，以保证整个机器的工作精度。与此目的相适应，轴承故障诊断就要通过对能够反映轴承工作状态的信号进行观测、分析和处理来识别轴承的状态。由于内圈与轴连接，外圈又安装在轴承座上，这样的轴承系统在运行过程中会由于各种原因而产生十分复杂的振动信号。一般来说，滚动轴承的振动信号有如下特点：①通过安装在轴承座上的传感器所拾取的轴承振动信号是宽带信号，且随机性较强；②引起轴承振动的激励是不同的；③振动信号是多故障的耦合，特有故障往往淹没在背景噪声中。

滚动轴承产生激励的原因包括轴承各零件制造误差，如尺寸和形位误差、表面波纹、不圆、滚动体大小不一致等；装配误差，如不对中、不平衡等；运行过程中出现的各种故障，如疲劳点蚀、剥落、裂纹、磨损、润滑不良等。不同的原因，对轴承系统的激励是不同的。例如，由于疲劳点蚀或剥落等轴承元件表面损伤所引起的激励是具有冲击性质的；由于各零件表面波纹而引起的激励近似正弦激励。由于激励不同，则故障形式不同，轴承系统产生的振动响应也不同，所以振动信号是轴承故障的载体，理论上可通过对轴承振动信号的分析与处理诊断出轴承的所有类型的故障。但是实际上，通过安装在轴承座上的传感器拾取的振动信号，除反映有关轴承本身的工作情况的信息外，也包含大量的机械中其他运动部件和结构的信息，这些信息对于研究轴承本身的工况与故障来说，属于背景噪声。由于实际的背景噪声往往比较大，所以刚刚发生轻微故障的滚动轴承传递的特有信息往往淹没在背景噪声中，很难被发现和提取出来。

3 结语

因此，采用现代振动监测与信号处理技术来提高信噪比，突出故障特征信息，抑制背景噪声，有效地诊断出轴承故障成为轴承振动监测与诊断技术的关键所在。