趣说滚动轴承的故障诊断

weixin

轴承的江湖

轴承有多么重要，笔者就不多说了。只是，我国轴承工业与国外先进技术水平相比，还存在很大差距。需要国家站在战略的高度上，予以更多更大的支持。国内三大轴承企业：哈瓦洛（哈尔滨轴承、瓦房店轴承、洛阳轴承），国际大牌轴承企业：瑞典SKF，德国FAG/INA，日本NSK/NTN/KOYO/NACHI，美国TIMKEN。

轴承振动

如果一个轴承不存在加工和装配问题，换句话说，是一个完美的轴承，在使用过程中，也是存在振动的，称为基础振动或本质振动。然而现实不可能是完美的，必然还存在加工和装配问题导致的振动。但以上两种性质的振动，通常并不是困扰我们的主要问题。最值得重视和研究的是，轴承内圈 (inner ring)、外圈 (outer ring)、滚动体 (rolling element) 的表面损伤引起的振动，一般称之为故障振动（特征振动、损伤振动、缺陷振动等）。我们用传感器采集到的总是包含这三个振动和其它一些来源不详的信号，尤其在轴承故障初期，故障振动信号比较微弱，会被淹没在各种噪声信号中，特征提取便是一件不容易的事情。

   特征提取

当转动的轴承遇到表面损伤处，肯定会产生冲击。所以故障振动在时域信号上通常有这样一个特点，周期性出现短暂的峰值。换句话说，就是存在周期性脉冲，称为冲击振动，比如：

我们知道脉冲的频率成分是非常丰富的，做过模态试验的人就会知道，此时，轴承的固有频率振动会被激发出来。当然现实中，轴承振动测试，很难出现如此显眼的脉冲。不妨我们先做个信号仿真实验，原始时域信号如下图，可以看到有周期性脉冲，但不会有上图明显。

已知这个信号的故障振动频率为92Hz，对时域信号做个FFT，结果如下：

可以看出92Hz刚好是4000Hz和边频的差值，有的读者可能觉得满意了，故障振动的频率体现出来了。那么不妨想想，直接显示92Hz岂不是更好，信号处理流程如下，称为共振解调分析。

带通滤波，包络解调，再进行FFT，结果如下：

至此，故障振动的特征被成功提取出来。包络解调的数学方法称为希尔伯特 (Hilbert) 变换，读者有兴趣可查阅相关文献。

   没那么简单

以上只是做了一个信号仿真实验，换句话说，是假的。现实中采集的振动信号，成分要比这个复杂很多，直接做FFT，根本无法看出特征频率。所以必须要做共振解调分析，但是带通滤波的中心频率和带宽该如何确定？需要经验，需要尝试，所以这个方法还是不够自适应。有时候尝试了无数次滤波，特征还是提取不出来。所以就有很多人研究出很多新的特征提取方法，比如EMD方法和基于EMD的EEMD等，不胜枚举。

在需要轴承振动监测的场合中，一套先进可靠的监测系统是不可缺少的。这个系统能采集轴承振动信号，并有内部算法对信号进行特征提取，然后使用内部的专家库进行故障识别，报告给用户或者直接发送命令控制轴承设备运行。可以设想，随着对特征提取和模式识别越来越深入的研究，以及深度学习机器学习技术的完善，监测系统将会越来越强大可靠。不过以上属于监测范畴，如果想从根源上减小轴承的振动和噪声，还需要深入研究轴承振动噪声的产生机理，可能涉及到材料学、摩擦学等，没那么简单。

以下针对电机的轴承选型，提出几个意见。

1. 轴承单体的振动噪声

轴承各部件的几何精度是决定轴承噪声水平的重要因素，所以电机专用低噪声轴承是经过特殊加工工艺，严格控制几何精度而制造出来的。轴承选型时，加工精度是非常重要的参数。另外，前人大量的测试数据表明，轴承噪声会随着轴承内径和滚珠直径的增加而增加。

2. 轴承和电机的配合策略

一般倾向，会采用轴颈与内圈、外圈与轴承室过盈配合来避免不必要的滑动，但事实上这可能会给电机轴承噪声带来两个不好的影响。

  · 一是，过紧配合会使轴承径向游隙减小甚至消失，可能会导致高频噪声，严重时会缩短轴承寿命；

  · 二是，紧配可能使内外圈产生仿形现象，其表面产生微观变化，几何精度降低，噪声变大。

所以，建议电机主机厂将轴加工提高一个精度级别，将轴承室的加工下差取消。不必担心因为取消下差会带来打滑问题。为什么呢，笔者在这里不解释，请读者自己想一想。前人大量的测试数据表明，轴承外圈与轴承室有5-10微米的配合间隙时，对降低电机噪声会有较大好处。

3. 电机轴承的安装工艺

没什么建议，怎么温柔怎么来，热套是不是最温柔的方式，敲击肯定不算温柔。

   补充

一般来说，轴承的加工精度与径向游隙无关。对于任何精度等级，游隙可能是标准的，也可能是增大或减小的。主机厂选择轴承时，轴承精度固然要考虑，别忘了，径向游隙也要结合自身提点来考虑。

来源：诸子韩非子微信公众号（ID：goldenappletech），作者：平生负累是痴真。

wwgno19

写的真好，不过意犹未尽

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请教下，例子中包络分析后的图应该是第一张频谱图吧，不是最后一张频谱图

soloflat

典型的轴承损伤还是以内外环、滚动体故障频率为主，但更多时，是由装配的不规范引起的翘曲，还有后期的过度磨损...