侯坤　王冰

（新乡职业技术学院；新乡市高级技工学校，河南新乡　453006）

　　摘　要：本章着重分析机械传动系统关键零部件----滚动轴承的主要故障模式、失效机理及其故障演化规律，从而为滚动轴承的退化状态识别与预测方法研究奠定基础。

　　关键词：滚动轴承；疲劳剥落；磨损；振动
　　滚动轴承（rolling bearing）是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由外圈，内圈，滚动体和保持架组成。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。由于滚动轴承的径向尺寸较大，减振能力较差，高速时，声响较大，寿命低，所以它经常出现故障。

　　一、滚动轴承的主要故障模式

　　由于滚动轴承的材料缺陷，加工或装配不当，润滑不良，水分和异物侵入，腐蚀以及过载等原因都可能导致早期损坏。当然，即使在安装、润滑或使用正常的情况下，经过一段时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象影响机器的正常工作。疲劳剥落和磨损是滚动轴承Z为常见的两种故障形式。

　　（一）疲劳剥落

　　在滚动轴承中，滚动体或套圈滚动表面由于接触负荷的反复作用，从表面形成细小裂纹，随着以后的持续负荷运转，裂纹逐渐发展到表面，致使材料像岩块一样裂开，直至金属表层产生片状或点坑状剥落，这种现象叫做疲劳剥落。其主要原因是疲劳应力造成的，有时由于润滑不良或强迫安装所致。随着滚动轴承的继续运转，损坏逐步增大。因为脱落的碎片被滚压在其余部分滚道上，并给那里造成局部超负荷而进一步使滚道损坏。轴承运转时，一旦发生疲劳剥落，其振动和噪声将急剧恶化。在正常工作条件下，疲劳剥落往往是滚动轴承故障的主要原因。

　　（二）磨损失效

　　磨损是滚动轴承Z常见的一种失效形式。在滚动轴承运转中，滚动体和套圈之间均存在滑动，这些滑动会引起零件接触面的磨损。尤其在轴承中侵入金属粉末、氧化物以及其他硬质颗粒时，则形成严重的磨料磨损，使之更为加剧。另外，由于振动和磨料的共同作用，对于处在非旋转状态的滚动轴承。会在套圈上形成与钢球节距相同的凹坑，即为摩擦腐蚀现象。如果轴承与座孔或轴颈配合太松，在运行中引起的相对运动，又会造成轴承座孔或轴径的磨损。当磨损量较大时，轴承便产生游隙噪声，振动增大。不论何种损伤形式，只要其损伤累积到一定程度时，便会引起滚动轴承的动特性异常。这些异常的主要表现为振动和噪声急剧恶化、摩擦力矩和温升急剧增加、润滑剂异常、运转不灵活，严重时甚至发生轴承“卡死”而不能运转。

　　二、滚动轴承的振动机理

　　与齿轮振动机理类似，轴承振动原因大多也可以归结为不同轴承元件的碰撞和冲击。在轴承运转过程中，由于轴承本身的结构特点、加工装配误差以及故障等因素的作用，轴对轴承和轴承座等组成的振动系统产生激励，从而产生振动并传递到齿轮箱壳体，被传感器接收后其中包含了轴承的状态信息。

　　在轴旋转时，由于滚子在不同位置所受作用力不同，承载的滚子数目也不尽相同，这些轴承特性造成轴承刚度的变化，引起轴承振动。另一方面，轴承加工时表面波纹度、粗糙度、形位误差以及装配误差等原因造成的交变激振力也会导致轴承振动，由于这些因素的影响规律非常复杂，因此这些激振力导致的轴承振动相应地包含多个频率成分并具有较强的随机性。如果轴承存在剥落等表面故障，当损伤点通过轴承接触区域时，会产生突变的冲击脉冲力，这个冲击脉冲是短时宽带信号，激发轴承固有频率振动，产生冲击振动。由于损伤点周期性通过轴承元件接触区域，其振动信号中包含低频振动成分，其频率可以通过转速和轴承的结构参数求得，并且当损伤发生在轴承不同组件（滚子、外环、内环）时，这些低频振动信号的频率也各不相同，称之为轴承故障特征频率，这些特征频率是轴承诊断的重要信息。

　　综上所述，实际传动部件的振动信号是齿轮、轴承、轴和支撑座等各个部件相互作用的结果，其表现形式非常复杂。根据上文对齿轮和轴承振动的分析，可以把这些由于不同因素产生的振动分为两类：一是“故障”振动，也就是齿轮或轴承故障导致的振动，这些振动包括齿轮故障引起的冲击振动和调制振动，以及轴承故障导致的频率等于轴承故障特征频率的振动等；二是各部件结构特点决定的振动，这些振动成分无论齿轮或轴承发生故障与否，都存在于所获取的振动信号中，例如齿轮的啮合振动和轴承的固有振动等。除此之外，其它动部件的振动信号以及随机噪声也会被安装的传感器接收，进一步加大了齿轮或轴承故障诊断的难度。这些振动信号中，除了与故障诊断有关的“故障”振动外，其它振动都可以视为背景噪声信号，而且往往背景噪声信号的能量比“故障”振动大的多，因此需要对所获取的振动信号进行分析和处理，从这种强噪声背景下的微弱状态特征信号中提取有用信息用于故障诊断和预测。

　　参考文献

　　[1]于群齐富民闻天苑.Z新轴承设计与技术规范、故障诊断实务全书.当代中国音像出版社，2005。

　　[2]何加群.发展中的中国轴承工艺装备.何加群，2006。

　　[3]祝燮权.实用滚动轴承手册.上海科学技术出版社，2010。

来源：《科学与财富》2012年第3期