滚动轴承频谱分析详解

    对于滚动轴承不能只依赖振动总量来精确评估滚动轴承的状态，也不能完全依赖超声频带测量：振动尖峰能量（Spike Energy）、高频加速度（High FrequencyAcceleration-HFD）、冲击脉冲（Shock Pules－SPM）。只有将超声测量与振动特征信号分析结合使用才是最好的评定轴承的状态。

    滚动轴承一旦产生故障，会产生以下四种类型频率的每一种：随机的超声频率：频率范围5000~60000HZ，测量使用方法：振动尖峰能量、高频加速度、冲击脉冲，这些用于检测轴承的初始故障。

    振动尖峰能量烈度图：

高频加速度和冲击脉冲的比较烈度表：

 

    轴承部件的自振频率：频率范围500~2000HZ，轴承零部件受到冲击时，以它们的自振频率“瞬时扰动”。在滚动轴承中，滚动元件打击内外环跑道上的缺陷的间断的冲击激起它们的自振频率。但故障扩展到微观大小时，它们开始激起这些轴承零部件的自振频率，成为“第二个检测症兆”。故障恶化时，可引起更大的冲击，这些更大的冲击产生更大的自振频率尖峰响应。磨损严重时，在这些共振附近出现更多频率分量，它们中许多是这些自振频率的1X转速的边带（往往，这些调制尖峰以轴承的故障频率为间隔，而不是1X转速频率的边带）。轴承自振频率与转速无关，但它们的响应幅值与冲击速度成正比，意味着转速越高，响应幅值也越高。

旋转轴承的故障频率：

    轴承零部件故障频率与轴承的平均直径-Pa、滚动体直径-Ba、滚动体数目-Nb和接触角-ø有关。FTF-保持架故障频率、BSF-滚动体故障频率、BPOR-内环故障率、BPIR-外环故障频率。

        FTF、BSF、BPOR、BPIR简易计算公式（可参考平台内前期文章介绍）。

    轴承故障频率都是转速频率的非整数倍（本人所遇确实如此，但曾看到过一篇文章说正好是转速频率整数倍）。

    正常情况下滚动轴承故障频率不应存在，当存在轴承故障频率时，可以说明轴承至少发出初始故障信号。然而，应该明确一点：这些轴承故障频率的出现未必意味着轴承内一定是轴承已损坏，由于轴承润滑不佳，发生金属对金属的接触，轴承承受不适当的负载（过大的压配合-过盈配合偏大，对不承受轴向推力的轴承施加了轴向推力，推力轴承反向安装等等），也将出现轴承的故障频率。

    无论是内环还是外环故障，都有1X转速的边带，不转的环边带要比转动的环边带多。如果内环两侧被1X转速边带族环绕时，说明损坏的程度更严重。

    内环、外环故障频率的相对幅值：外环故障频率的幅值高于内环故障频率的幅值，只要是传感器靠近外环的原因。

    轴承故障频率通常出现的次序：通常轴承故障的顺序轴承内和外环→滚动体和保持架。此后，保持架故障频率以基频或以其它频率的边带形式出现。滚动体故障频率有时以边带形式出现在轴承内环/外环故障频率的左右侧。

    轴承保持架故障频率出现的位置：传统上认为滚动轴承的故障频率都是高频故障，但是轴承保持架的故障频率并非如此，一般在0.33X~0.48X范围，精确的范围在0.35X~0.45X之间。通常保持架故障频率不以基频出现，往往以边带形式出现在BSF两侧，或以差频形式出现在BPOR、BPIR两侧。

    滚珠或滚棒产生的故障频率：当出现BSF时，一般也会有FTF出现。轴承保持架断裂时，可能出现滚动体旋转故障频率，但此时滚动体未必出现故障，因为可能是保持架铆接处断裂，滚动体正在强烈推动保持架。

    滚动体故障时会产生Nb×X频率（无论多少个滚动体产生的故障）。轴承故障频率允许的振动：对于这个没有绝对的答案，与转速、机器、振动传递的通道有关。如果转速低，即使故障频率的幅值很低，都可能损坏很严重了。

    对于前面两种情况，仅针对存在单个故障频率（没有某个故障频率的谐波分量）。对于BPIR、BPOR存在故障频率的谐波，同时有1X边带或其它故障频率的边带，说明轴承潜在严重故障。

    指示轴承磨损严重的最重要的东西就是存在轴承故障频率的谐波频率，尤其是伴有1X转速边带或轴承其它故障频率的边带，它与幅值无关，对于这种轴承应尽快更换掉。

    评定转速低于250RPM机器的轴承状态：目前已经成功地评定转速低达1.5RPM的滚动轴承，主要取决于分析仪和传感器。对于转速在120RPM以下的频率不能把振动加速度信号积分到振动速度，否则会对振动幅值有较大的压缩。加速度一次积分为速度，速度一次积分为位移。目前最通用的加速度计的响应频率约在5~10000HZ。对于不同级别的转速规定振动幅值的报警值是不一样的，例如120RPM和1200RPM，因为在大型低速机器上1X转速频率和轴承故障频率本身的幅值比较小，引起1X频率的不平衡力随转速的平方变化，所以1X频率幅值也比较小。因此对于低速机器规定频谱报警带，必须把他们规定得比高级别转速1200RPM的机器的报警幅值低，最好的办法就是捕捉实际数据，并进行总量和各频率带的幅值的统计分析来确定。在转速20~100RPM是可以使用FFT和时域波形来分辨故障，时域波形更清晰反映故障。当转速为1~20RPM时，FFT基本上检测不到故障信号，而时域波形仍然能够反映轴承故障。最佳采样时间的确定，如果1秒/转，为采集到轴承的故障频率，应规定采样时间2~4秒的采样时间tMAX，除采集FFT谱之外，还应采集时域信号。如果机器以10转/分（6秒/转）的转速转动，则应采用约12~24秒的采样时间（tMAX），则采用时间应设置得比较长，而且采样为800条谱线的FFT谱，而不是400线FFT谱。

    检测轴承故障频率，传感器的位置应放置在何处：尽可能靠近轴承的承载区，尤其是承受径向载荷的轴承（滚珠、棍棒），否则其信号强度的影响可达100%。

    不合适的轴承载荷和安装的检测：轴承与轴承座过盈配合，滚子挤压内外环，产生内外环故障频率。推力轴承反向安装会产生内外环故障频率，且幅值较高，甚至更高。

    不良的轴承润滑产生的频率：其频率范围为900~1600HZ，这个频率范围是轴承的自振频率范围。在5000~8000RPM频率范围是用来检查润滑好坏的频率范围，在同一轴承座上测得高的振动尖峰能量（或相当的量）的话，如果在支承这同一根轴的其它轴承上既不存在高的振动尖峰能量值，也没有这些频率分量的频谱，则更充分证明润滑不良的故障。可以加大润滑，12~24小时后检查这些超声能量是否消失，若消失则更能证明这一点。

电机内轴承中由电气引起的槽的故障：在实验中，发现仅0.4~0.5V电压通过轴承，便可产生明显的损坏。另外，有电气的槽的故障时“一个出现在40000~60000RPM之间的与任何轴承故障频率不匹配的尖峰，往往已经有最大缺陷的轴承内环或轴承外环的边带伴随在这个尖峰的两侧。这是我们日常可以识别电气的槽的故障的一种方法，除此之外可以通过空载或正常负荷听声音来判断轴承恶化，声音变大，并变得深沉”。高频信号一般不易传递，所以在采集时尽量靠近轴承。解决槽故障的方法是采用绝缘套或安装碳刷。

和频和差频：

    和频和差频：一个部件故障→故障恶化→引起其它部件故障→其它部件故障频率出现。频率之间相互加和减，绝不会只产生某个故障频率的基频。故障出现时，这个故障频率可能成为其它已经存在频率的边带形式出现。例如，轴承保持架故障频率-FTF，通常不会以约0.35X~0.45X转速频率的基频出现，而是BSF、BPOR、BPIR故障频率的边带，甚至可以与其它振源调制成新的频率。以下是和频和差频一些重要的因素和特征：

        BSF一般不以基频或谐波出现，而以其它频率的边带出现。

    如果在轴承外环或轴承内环上存在一个单一的故障，则将只出现一个单一的轴承外环或轴承内环故障频率（BPOR 或BPIR），如果其周围出现多个故障时，将出现这个轴承外环或轴承内环故障频率（BPOR或BPIR）的许多谐波频率。

    随着轴承内环和外环故障的扩展，其故障恶化较好的指标是轴承故障频率的谐波频率的数目以及出现轴承外环或轴承内环故障频率两侧的1X转速频率的边带，尤其是外环的边带。

    在滚动轴承故障频率分析中，强调的不是幅值而是频谱中的频率成份。实际上在轴承状态恶化时其轴承故障频率的幅值开始下降，尤其在轴承内环或轴承外环缺陷开始扩展时。此时要重视轴承故障频率的谐波频率数目，且伴有1X边带。

    轴承故障继续恶化，调制继续，影响愈来愈大，直至频谱变为1X转速频率的谐波频率。

    对于有摆动滚动体的自位双列轴承可产生两组轴承故障频率（a）仅内环或外环的一侧，用单列的滚子计算故障频率，（b）如果缺陷出现在轴承外环或轴承内环的两侧，则用滚动体总数目来计算故障频率。

仅从频谱中难以诊断一个滚动体在轴承内环上一个单个故障，因为其幅值往往非常小，并且在计算的故障频率处看不到离散的谱线，为此除了振动频谱本身之外，还应研究时域波形。

    在滚动轴承中，存在转速谐波频率时，它们可能是轴承在轴上松动或在轴承座中松动的信号，或者更重要的是它们可能是轴承在轴上旋转或在轴承座中旋转的信号。

    

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