滚动轴承振动频率复杂成因及故障诊断难点解析

通过前面的文章《》，我们了解了滚动轴承运行时产生的特征频率，但实际上，除了这些频率之外，还存在一些其他的频率成分。这些复杂振动频率的原因可分为两类：第一类是由外部激励引起的，如轴不平衡、不对中、临界转速、结构共振等。这些故障（或缺陷）可按其性质分类。各自的特点。第二类是由滚动轴承本身的结构特点和故障缺陷引起的。通常，滚动轴承不仅仅受到一种激励，更多的是两种激励同时作用，引起轴承振动。这使得振动频谱更加复杂，并且使得诊断轴承故障更加困难。另一方面，除了各自特征频率分量及其谐波的存在外，还会存在相互调制效应，产生边带。

当轴承各部件出现各种故障时，《》中的轴承频率公式提供了频率部件的理论计算。这些计算基于这样的假设：当轴承的每个部件遇到故障时，都会产生理想的脉冲。对于局部轴承故障，如滑动、点蚀等，会产生短期的剧烈冲击。这些冲击会激发结构共振，相应的振动可以通过安装在轴承座上的外部传感器来测量。每次遇到局部故障的冲击时，测量到的振动信号将是指数衰减的正弦振荡。

负载引起的振动

滚动轴承在运转过程中，如果承受经过轴心的轴向载荷，可以认为各滚动体均等地分担，即各滚动体所受的力相等。然而，当承受径向载荷Fr时，内圈将沿径向载荷方向沿δ0路径移动，如图1虚线所示。此时，内圈上半部的滚动体套圈不受力，套圈下半部分的滚动体由于接触点上的弹性变形量δi不同，承受不同的载荷Qi。 Fr作用线最低端的滚动体受力Q0最大，相应的变形量δ0也最大。下半圆内其他接触点受载荷时滚动体法向变形δi与径向载荷方向变形δ0的关系为

图1 轴承部件受力分析

各接触点的法向力Qi与沿径向载荷方向的法向力Q0的关系为：

因此，在受载的半圆内，各接触点处的力大致呈余弦分布，从而引起相应的有规律的应力变化。滚动轴承的每个元件在运行过程中都会受到不断变化的接触应力。例如，单个滚动体上的接触应力周期性地由小变大，然后又变小。但在无负载的半圆内不受接触应力的影响。圆上某一点的接触应力也有类似的规律。对于外圈上的某一点，由于外圈是固定的，当滚动体接触该点时，其所受到的接触应力始终不变；滚动体通过后，接触应力为0。因此，外圈上某一点的接触应力具有时断时续的交替规律。每个滚动体在经过径向载荷线方向时都会经历一个载荷转变过程（从小到大再到小）。该位置产生的载荷最大，因此在该位置对轴承产生冲击，而这种冲击的频率就是滚动体通过外圈的频率fbpfo。无论轴承是否有故障，该频率分量都存在。

如果载荷为静载荷，即作用位置、大小和方向不随轴承的旋转而改变。当内圈存在局部故障时，该故障将以轴频旋转。对于静载荷，相应的变化将根据轴频率fs而变化。当滚动体出现局部故障时，故障滚动体以保持架频率fc旋转，故障与内圈和外圈交替接触。对于静载荷，故障滚动体与载荷之间的相对角频率为fc。对于有局部故障的外圈，由于静载荷不直接作用在外圈上，因此对外圈的影响可以忽略不计。因此，穿过外圈的滚动体的原始频率fbpfo不受轴频率fs或滚动体旋转频率fc的调制。

偏心引起的振动

当轴偏心并引起动不平衡时，不平衡引起的偏心载荷将按轴频率fs旋转。因此，周期变化频率就是轴频率fs。除轴偏心外，当轴承游隙过大或滚道偏心时，也会引起内圈根据轴频率fs的周期性变化。

对于轴不平衡载荷，当滚动体出现局部故障时，故障滚动体与载荷之间的相对角频率为fs-fc。故障接触点将以2倍滚动体旋转频率fbsf交替接触内圈和外圈。因此，频谱所表示的频谱分量为2×fbsf。当外圈失效时，信号的周期性将是轴不平衡的函数。不平衡引起的偏心载荷将按轴频率fs旋转。因此，周期变化频率为fs。由于轴和内圈紧固在一起，由轴不平衡引起的偏心载荷对内圈的局部失效影响很小。

滚动体直径变化引起的振动

滚动体在运转过程中，由于加工误差或摩擦等原因造成滚动体直径的变化，导致轴心的不断变化和支撑刚度的变化。振动频率是滚动体公转频率（即保持架旋转频率）fc及其谐波与轴的旋转频率fs的组合，即fc±fs（i=1,2,3,…）。

当固定外圈出现故障，轴承滚动体直径发生变化并受预紧力影响时，将承受不均匀分布的载荷。它与保持架一起旋转，因此滚动体旋转频率fc将被用作周期。性变化。当内圈存在局部故障时，对于滚动体直径的变化，由于载荷与故障之间的相对角频率为fs-fc，相应的变化将按此频率周期性变化。

安装不当引起的振动

安装不当包括不对中（包括角度不对中和轴中心偏差）、轴承装配过紧或过松等。不对中表现出以轴频率fs为特征的振动特性。这种情况会增加轴承某一方向的载荷。同时，还有滚动体通过外圈的频率fbpfo。两者组合成fbpfo±fs，就成了这种故障。振动的主要频率分量。

如果轴承装配过紧，会引起内外圈局部变形，造成游隙变化不均匀；如果轴承装配过松，会导致轴承移动。因此，当滚动体经过特定位置时，会产生与滚动体经过外圈相对应的频率的周期性振动，该振动频率就是滚动体经过外圈的频率fbpfo。

轴承的局部缺陷引起轴承固有频率的振动

当轴承部件出现局部缺陷时，当滚动体经过这些局部缺陷时，它们会发生碰撞并产生窄幅短时脉冲激励。这种极短时间的脉冲激励将能量分布在很宽的频带上（类似于力锤激励，锤头越硬，力脉冲时间越短，带宽越宽），因此可以完全激发固有频率轴承的每个部件。 ，从而产生振动。因此，这种由局部缺陷产生的冲击脉冲振动信号的频率成分不仅包括反映滚动轴承故障特征的区间频率（即穿过缺陷的冲击频率），还包含反映滚动轴承故障特征的高频成分。滚动轴承每个元件的固有频率。元素。通常，轴承内外圈的固有频率可达几kHz，而滚动体的固有频率可达数百kHz。

自由状态下轴承套圈径向弯曲振动的固有频率（Hz）为：

式中：k为轴承套圈自振节点数（共振阶数为k-1），k=2,3,4...E为弹性模量，I为轴承套圈的转动惯量轴承套圈的横截面，ρ为材料。密度，A为轴承套圈横截面积，D为轴承套圈横截面中性轴直径，g为重力加速度。

对于钢，如果代入相应的材料常数，则轴承套圈的固有频率为：

利用上式计算出的频率即为轴承套圈在自由状态下的固有频率。当轴承安装在机器中时，该频率会因安装条件的变化而变化。

对于钢球，固有频率公式为

式中：R代表钢球半径，其他术语与上式含义相同。钢球的固有频率通常很高，达到数百kHz。例如，对于R=5/32英寸的钢球，其固有频率fbc=386.5kHz。

相对而言，滚动轴承内外圈的固有频率远低于滚动体的固有频率。由于外圈的尺寸比内圈大，因此外圈的固有频率相对较低，最容易受到轴承运转时序的影响。脉搏兴奋。由于脉冲时间极短，能量可以分布在数百kHz的频带上，并且滚动体的固有频率也可能被激发。

其他因素引起的振动

其他因素还包括轴承刚度的非线性变化、润滑不良等。润滑不良很容易引起非线性振动。另一方面，润滑不良使滚动体不能处于纯滚动状态，从而加剧滚动体与滚道之间的磨损，增大轴承振动。润滑不良首先会引起保持架异常振动和噪声。这是因为滚动体与保持架之间发生摩擦，引起保持架自激振动。

概括

对于轴承故障，应按“”所示频率公式计算主要故障频率。在频谱图中，除了这些故障频率外，还有各轴承部件的轴频率、调制频率和固有频率。上述各种周期频率都会引起分布在故障频率及其多次谐波两侧的边带。

当外圈存在局部故障时，通过外圈的滚动体的频率将受到轴频率和滚动体旋转频率的调制。当滚动体出现局部故障时，由于滚动体的旋转会依次经过内外圈滚道，因此相应的故障频率为旋转频率的2倍，会受到内外圈滚道之间的差值的影响。滚动体旋转频率和轴频率以及滚动体旋转频率。调频。当内圈存在局部故障时（外圈固定），传感器振动测量信号的特征主要是轴频率、内圈故障频率和轴频率及其多次谐波的谐波，为以及轴频率和滚动体旋转频率的差频调制。

当轴承上存在多个局部故障时，可认为是不同阶段的局部故障。那么，由于相位不同，光谱中的谱线有的会加强，有的会减弱。当轴承承受各种载荷，如轴不对中、动不平衡、轴向和径向载荷、预紧力和制造误差，以及轴承部件出现故障时，就会表现出相应的周期性特性。当断层与断层之间存在相对角速度时，就会发生调制或周期性。轴承在各种载荷条件下可能出现的频率如表1所示。

表1 轴承可能的主要故障频率及边带

谱线

外圈故障

内圈故障

滚动体故障

主要谐波

福布斯

菲比

2×FBSF

边带

足球俱乐部

fs、fs-fc

FC、FS-FC

在多个轴承故障的情况下，测量的响应将是每个故障引起的响应的总和。不同脉冲之间的相位差会导致轴承故障的频率增加或减少。

参考：

1. Ian Howard，滚动轴承振动综述“检测、诊断和预测”

2.沉立志。 《大型旋转机械的状态检测与故障诊断》讲座笔记

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结尾