羅禮培

常見機動設備(包括機動車輛等)上裝有多種類型的滾動軸承，在使用中，這些軸承故障損傷也較為常見，據不完全統(tǒng)計，在機械車輛中此類故障比例約占30%。若能做到提前預測和發(fā)現故障，并利用機動設備運行間歇或停機時間排除故障，則可避免損失，甚至可使機動設備達到零故障運行，減少維修成本。因此，生產中作好滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，是搞好機動設備維修與管理的重要環(huán)節(jié)。滾動軸承一般都是裝在機構內部，不便直觀檢查，只能根據故障現象先做概略判斷，然后再拆卸檢查。

1.檢測的目的

滾動軸承的特點是其壽命離散性很大，即用同樣的材料，同樣的工藝，同樣的設備，同樣的工人加工出來的同一批產品，其壽命相差很大。因此，在實際使用中，有的軸承使用時間已大大超過其設計壽命而仍能完好工作；有的軸承遠未達到其設計壽命就出現各種故障。所以，對軸承進行工況檢測，不但可以防止機械工作精度下降，減少或杜絕事故發(fā)生，而且可以延長軸承的使用時間，節(jié)約開支。

軸承檢測就是通過對反映軸承工作狀態(tài)信號的測取，分析與處理，來識別軸承的狀態(tài)，包括信號測取、特征提取、狀態(tài)識別、故障診斷、決策干預等環(huán)節(jié)。其目的就是保證軸承在一定的工況下(承受一定的載荷，以一定的轉速運轉等)和一定的工作期間內可靠有效地工作，以保證整個機械的運行。

2.損傷類型和常見損壞癥狀

滾動軸承的損傷大致有腐蝕、摩擦、過熱、燒傷、磨損、疲勞剝落等，其中，磨損和疲勞剝落是比較常見的故障類型。

在運轉時，軸承安裝部位允許有一定的溫度，用手觸摸其外殼時，以不燙手為正常，反之則表明溫度過高，存在故障。軸承溫度過高的原因有：潤滑油質量不符合要求、變質或黏度過高；機構或軸承裝配過緊(間隙不足)；軸承座在軸上或殼內轉動；負荷過大；軸承保持架或滾動體碎裂等。

滾動軸承在工作中允許有輕微響聲，如果響聲過大或有不正常的噪聲，表明軸承有故障。滾動軸承產生噪聲的原因比較復雜，其一是軸承內、外圈配合表面有摩擦。由于這種摩擦，破壞了軸承與殼體、軸承與傳動軸之間的配合關系，導致軸線偏離了正確的位置，并使軸在高速轉動時產生異響。當軸承疲勞時，其表面金屬剝落，也會使軸承徑向間隙增大產生異響。此外，軸承潤滑不足，形成干摩擦，以及軸承破碎等都會產生異常的聲響。軸承磨損松曠后，保持架松動損壞，也會產生異響。若要減少故障、延長壽命就要正確使用滾動軸承，包括正確安裝和合理潤滑。下面分別介紹滾動軸承的常見故障、損傷和使用要求。

承受負荷的內外圈、滾動體(滾珠、滾柱等)表面磨損和剝落,會造成滾動軸承的徑向間隙、軸向間隙增大,滾動軸承在工作中發(fā)出噪聲和發(fā)熱,并且破壞了與其配合軸的正確工作位置，出現振動。表面疲勞剝落的初期是表面上出現麻點狀的小凹坑，最后發(fā)展成片狀的表層脫落。軸承滾動體和內、外圈滾道面上均承受周期性脈動載荷的作用，從而產生周期變化的接觸應力。當應力循環(huán)次數達到一定數值后，在滾動體或內、外圈滾道工作面上就產生疲勞剝落。如果軸承的負荷過大，會使這種疲勞加劇。另外，軸承安裝不正、軸彎曲，也會產生滾道剝落現象。軸承滾道的疲勞剝落會降低軸的運轉精度，使機構發(fā)生振動和噪聲。

由于軸承內外圈與軸和殼體孔裝配時沒有配合好,破壞了軸承與殼體、軸承與軸的配合關系，進一步加速了軸承本身和與之配合的軸或殼體上配合表面磨損(走內圈或走外圈)。在工作中隔離圈和滾動體(滾珠、滾柱等)相互摩擦，若潤滑不良,則加快磨損。隔離圈磨損以后,滾動體松動,嚴重時會造成隔離圈散架，滾動體脫落。由于潤滑不良，或潤滑油不符合要求，以及軸承間隙調得過小，軸承工作時迅速發(fā)熱，工作表面因受高溫而退火。在外表觀察時，可發(fā)現工作表面的顏色發(fā)生變化。軸承的滾道與滾子接觸面上出現不均勻的凹坑，說明軸承產生塑性變形。其原因是軸承在很大的靜載荷或沖擊載荷作用下，工作表面的局部應力超過材料的屈服極限，這種情況一般發(fā)生在低速旋轉的軸承上。軸承座圈裂紋、保持架碎裂。軸承座圈產生裂紋的原因可能是軸承配合過緊，軸承外圈或內圈松動，軸承的包容件變形，安裝軸承的表面加工不良等。保持架碎裂的原因是潤滑不足，滾動體破碎，座圈歪斜等。座圈滾道嚴重磨損，可能是座圈內落入異物，潤滑油不足或潤滑油牌號不適。

3.損傷規(guī)律

滾動軸承的運行狀態(tài)在一般使用過程中有一定的規(guī)律性，并且重復性較好，一套新軸承開始使用時，振動值和噪聲都較小，有時開始時溫度有點高，頻譜有些亂，這可能是制造時的一些小缺陷，運行一段時間后，軸承狀態(tài)就會穩(wěn)定.再經過一段時間后振動就會緩慢增大，這時就要嚴密監(jiān)測注意變化，當振動超標時就要及時檢修，更換軸承，如繼續(xù)運行就會發(fā)生抱軸、保持架散裂、滾道和滾珠磨損事故，這類事故多為突發(fā)災難性的。新軸承在安裝時，要用測振儀對振幅和速度進行測量，并要和平時的監(jiān)測數據做比較。

在實際監(jiān)測中，一般當振幅、速度、加速度和溫度中任意2個值超標，就可以判斷軸承有問題。另外，當監(jiān)測設備出現故障信號時，還要排除非軸承產生的振源，這才能客觀的反映滾動軸承真實情況。對于滾動軸承而言，損傷的監(jiān)測手段多種多樣，如溫度、位移、速度、加速度、潤滑油形態(tài)等，每種方法對不同故障的敏感度不同。在條件和檢測手段已經限定的條件下，選擇最有效的手段和參量可提高診斷的準確性，在了解滾動軸承的故障性質和其可診斷性的關系后，可客觀判斷軸承的狀態(tài)。

4.故障部分檢測方法

對軸承故障進行診斷的方法有轉矩測定法，旋轉速度測定法，溫度測定法，油分析法，振動法等。其中，振動法由于其適用性強，效果好，測試信號處理簡單直觀等優(yōu)點而被廣泛使用。

滾動軸承在工作時，一般是外圈與軸承座相連接，固定或相對固定；內圈與機械的傳動軸相連接，隨軸轉動。加工裝配誤差及運行過程中出現的故障等內部因素，以及傳動軸上其它零部件的運動和外力的作用等外部因素，傳動軸以一定轉速和載荷運轉，對軸承座組成的系統(tǒng)產生激勵，從而產生振動。

要判斷滾動軸承是否正常運行，需獲取軸承的振動信號。由于軸承振動信號的頻率波段豐富，并且故障信息常常反映在中頻段和高頻段。傳感器一般使用壓電式加速度傳感器，其頻響范圍為0.50 kHz，而且該種傳感器具有體積小，質量輕，靈敏度高，測量范圍大，線性度好，安裝簡便等優(yōu)點。應當注意的是，傳感器要安裝在盡可能多地獲取軸承振動信號的地方，例如軸承座或離軸承外圈很近的箱體上。多次測量時，傳感器的安裝位置應保持不變，以獲取更為準確的振動信號。獲得振動信號后，傳感器將信號傳給記錄設備，然后通過計算機進行分析，來判斷軸承是否存在故障。

在磨損類故障中，滾動軸承磨損后產生的振動同正常軸承產生的振動具有相同性質，傳感器獲得二者的振動信號基本一樣，波形都是無規(guī)則，隨機性較強，但磨損后的振幅明顯高于正常軸承。因此，只要將振動信號同正常信號加以比較，就可判斷出滾動軸承是否存在磨損類故障。

疲勞剝落、點蝕是指軸承外圈、內圈和滾動體的某些部位出現了剝落或空洞。軸承在運轉過程中，當這些部位負載時，將會撞擊與之相互作用的其他元件表面，產生沖擊脈沖力，使得傳感器獲得的振動信號出現異常，即波形相隔一段時間后就會出現峰值極大的尖頂。這類故障可采用共振解調法來檢測。

5.噪聲與振動分析

在機械車輛中，滾動軸承屬易損件，裝配不當、潤滑不良、水分和異物入侵、腐蝕等造成的軸承缺陷都會導致機器異常振動、產生噪聲，甚至損壞。即使在一切都正常的情況下，軸承也會出現疲勞剝落和磨損而不能正常工作。滾動軸承的振動可由內外部的振源、軸承本身的結構特點、潤滑油在軸承轉動中產生的流體動力振動及噪聲而引起。由于機器內部各種激發(fā)力的原始信息可由頻率來確定，因此頻譜分析是解決振動問題并評估設備可靠性的一個可取方法。

滾動軸承故障引起的沖擊振動由沖擊點以半球面波方式向外傳播，通過軸承零件、軸承座傳到箱體或機架，由于沖擊振動所含的頻率很高，通過零件的界面?zhèn)鬟f一次其能量損失80%。因此，聽時要正確選擇位置測量點，應靠近被測軸承承載區(qū)，盡量減少中間環(huán)節(jié)，離軸承外圈的距離越短越直接越好。如止推軸承在軸承蓋處振動信號最強，利用聽到的聲音來判斷：“嗡嗡”聲表示狀態(tài)較好；“梗梗”聲是內外圈或滾動體破裂；“骨碌碌”聲是軸承缺油。利用手對溫度和振動的感覺對軸承做出判斷，手能在軸承處放3 s,軸承溫度達60 ℃,軸承壓蓋過熱可能是軸承跑外圈，如果軸承局部發(fā)熱或有撞擊振動情況下，說明軸承裝配不當或緊固件松動等。利用眼睛看安裝軸承處及壓蓋的漆皮有無變色，軸承的油脂是否有發(fā)黑、乳化等變化。觀察隔離圈是否損壞，滾動體(滾珠、滾柱等)和內外滾道是否有裂紋、傷印、麻點或燒蝕等。若發(fā)現滾動軸承的隔離圈斷裂、缺口，滾柱(珠)脫出等應更換軸承。若軸承受熱變色，滾柱(珠)磨損不均勻、斷碎等，應予更換。在拆解檢查滾動軸承時，應先把滾動軸承清洗干凈，通過外表檢查、空轉試驗和對內部的間隙測量，可判斷其是否良好。

用一手拿住內圈，另一手轉動外圈，使軸承空轉，軸承旋轉應輕快靈活，無噪聲，無卡滯現象。若轉動起來有“喀達”“喀達”的撞擊聲，應進一步檢查滾珠(柱)和內外滾道，若發(fā)現滾珠和座圈有嚴重的麻點、脫皮、破裂等須更換。若轉動起來很靈活，無阻滯現象，但“嘩、嘩”的噪聲很大.應檢查是否磨損過度，可用兩手緊握滾動軸承的內圈和外圈，前后推動軸承，要是感到晃動的間隙很大，應更換軸承。

人工簡單檢測可以察覺軸承的損傷點，但受經驗性等主觀因素的影響較大。而采用各種各樣的儀器，根據振動的位移、速度和加速度的均方根值可更準確地判斷軸承有無故障，通常使用振動檢測儀器來確定旋轉機械的性能變化的趨勢。要達到此目的，必須要迅速可靠檢測出那些能正確表征機器狀況的振幅和頻率，然后將其與標準參考值加以比較，再判斷測量數據是否超標，來決定是否要修理。軸承的噪聲檢測由儀器S0910-1來完成，分為Z1 ，Z2，Z3，Z4級別, 振動檢測由儀器BVT-1來完成，分為V1 ，V2，V3，V4級別。其中電機軸承對軸承的振動要求更高，用戶可以根據具體的要求來選擇不同的等級。在有條件時，可以用帶架的百分表來測量它的徑向和軸向間隙。

6.運行噪聲與振動檢測

對軸承噪聲的監(jiān)聽，可作為一種輔助診斷分析手段。采用測聲器對軸承運轉中的滾動聲的大小及音質進行檢查，軸承即使有輕微的剝離等損傷，也會發(fā)出異?；虿灰?guī)則聲音。尖銳的吱吱聲可能是由于不適當的潤滑所造成。不適當的軸承間隙也會造成金屬聲。軸承外圈軌道上凹軌道的凹痕會引起振動,也會造成平順清脆的聲音。若是由于安裝時所造成的敲擊傷痕也會產生噪聲，此噪聲會隨著軸承轉速的高低而不同。若是有間歇性的噪聲，則表示滾動件可能受損，此聲音是發(fā)生在當受損表面被輾壓過時，軸承內若有污染物常會引起嘶嘶聲。嚴重的損壞會產生不規(guī)則且巨大的噪聲。

軸承運行噪聲產生的原因有：軸承的固有噪聲；因設計、加工誤差而產生的噪聲；傷痕及污物引起的噪聲；缺油脂。其中后2種屬于滾動軸承運行過程中出現的異常噪聲。對噪聲的度量主要有：強弱大小、噪聲頻率。固有噪聲(正常噪聲)，這是滾動軸承本身具有的一種正常噪聲，即使加工、裝配均為理想尺寸，也不可避免。特征是軸承旋轉時發(fā)出的一種平穩(wěn)連續(xù)的較小聲音。當回轉速度發(fā)生變化時，其主頻率不變。

裝配誤差產生的噪聲主要是軸承設計、制造加工誤差所致。滾道噪聲由于軸承加工時，滾道和滾動體表面產生形狀誤差、粗糙度、波紋度，軸承在轉動時，產生隨機脈沖和滾道噪聲，它是軸承噪聲的主要成分，特點是聲會隨著滾道和滾動體的加工精度的提高而降低。滾子軸承容易產生滾動噪聲，滾動體相對于滾動面回轉、滑動、摩擦、撞擊時產生的噪聲。特點是主要發(fā)生在滾動體進入、退出承載區(qū)的時刻；潤滑油脂性能不好或黏度極大時；滾子軸承只承受徑向力，而徑向游隙比較大時。

保持架噪聲產生原因是滾動體和保持架、保持架與引導面之間的滑動摩擦，保持架與滾動體發(fā)生相互撞擊而產生的聲音。特點是具有周期性；當采用滾動體引導保持架時，這種運動的不穩(wěn)定性更加嚴重，深溝球軸承的沖壓保持架較薄，徑向、軸向的彎曲剛度較低，整體穩(wěn)定性差，軸承高速旋轉時，就會因為彎曲變形而產生自激振動，引起“蜂鳴聲”。降噪措施：為使保持架運轉穩(wěn)定，要求保持引導面的良好潤滑；盡量減小軸承的徑向游隙；裝配和使用時，提高軸承的清潔度。

軸承是個精密元件，如果軸承不與污物分開，難以高速運轉，大約有14%的軸承過早損毀就是由于污染問題。由于潤滑劑含有灰塵、污物或鐵屑等雜物進入軸承工作面的非周期性振動和噪聲，可以形容為“斷續(xù)的嘶啞聲”。特點：隨機性、不固定，特別是小型軸承對它很敏感。措施是改善軸承的密封性能，防止外部灰塵進入軸承工作面、提高潤滑劑(油、脂)和軸承清洗的潔凈度，可以降低因為夾雜物產生的軸承噪聲。

據統(tǒng)計，有16%的軸承過早損毀是由于安裝不當或沒有使用適當的安裝工具。在安裝過程中因施力分配不均，或加熱(或局部)溫度過高，或由于軸、軸承座尺寸不當產生干涉配合而在裝配時出現滾珠傳遞壓力現象，造成滾道、滾珠、保持架等的損毀。因為滾動軸承內外圈滾動表面的裂紋、碰傷、壓坑、銹斑而產生的周期性振動和噪聲。特點：當轉速不變時，噪聲頻率不變，當轉速降低，周期將變長。如果使用高黏度油脂，噪聲將被覆蓋。分析：若其噪聲連續(xù)不斷，則可能是滾道有傷；若其聲音或有或無周期性的間斷出現，則為滾動體有傷；若滾動體碎裂時，產生“銼齒聲、沖擊聲”。

潤滑油缺乏有2層含義，一是不正確的潤滑劑(潤滑脂的耐熱性、抗水性、附著性，潤滑油的黏度等)選用，二是潤滑劑使用量不足。任何軸承如果得不到適當的潤滑，在其達到正常使用壽命之前均會出現損毀現象。首先，軸承潤滑劑的選用根據負荷、速度、溫度、環(huán)境等情況確定，從而給軸承以最佳的潤滑。若因潤滑脂填充量不足而使軸承得不到充分的潤滑，將會出現金屬直接接觸、摩擦而產生的“金屬磨損的響聲”，如果負載較重且缺油嚴重時可能產生“尖嗚聲”。滾動軸承的運行噪聲監(jiān)聽要借助于各類聽診設備，對各種原因產生的噪聲進行分析比較，多聽、多比，得出經驗，以利于在機械車輛發(fā)生異常聲音時對故障的部位和原因進行分析，提高檢修的命中率。要想真實準確地反映滾動軸承的振動狀態(tài)，必須注意采集信號的準確性和真實性，因此要在離軸承最近的地方安排測點。另外必須注意對振動信號進行多次采集和分析，才能得到準確結論。

正常優(yōu)質軸承在開始使用時，振動、噪聲和振幅均比較小，但頻譜有些散亂，可能是由于制造過程中的一些表面缺陷所致。運轉一段時間后，振動和噪聲維持一定水平，頻譜非常單一，軸承狀態(tài)非常穩(wěn)定。繼續(xù)運行后進入使用后期，軸承振動和噪聲開始增大，有時出現異常聲，但振動增大的變化較緩慢。此時，峭度值開始突然達到一定數值，此時軸承即表現為初期故障。這時，就要求對該軸承進行嚴密監(jiān)測，密切注意其變化。此后，峭度值又開始快速下降，并接近正常值，而振動和噪聲開始顯著增大，且增大幅度加快。當峭度值也超過正常值時，則為軸承已進入晚期，需及時檢修設備，更換滾動軸承。

7.損傷識別方法

運轉中的檢查項目有軸承的滾動聲、振動、溫度的狀態(tài)等,就是通過這幾個狀態(tài)來識別軸承的損傷。

通過軸承的滾動聲音進行識別。通過聲音進行識別需要有豐富的經驗。必須經過充分的訓練達到能夠識別軸承聲音與非軸承聲音。為此，應盡量由專人來進行這項工作，用聽音器或聽音棒貼在外殼上聽取軸承的聲音。也可采用測聲器對運轉中的軸承的滾動聲進行檢查。

通過軸承的振動進行識別。通過采用特殊的軸承振動測量器(頻率分析器等)可測量出軸承的振動，通過頻率分布推斷出異常的具體情況。測得的數值因軸承的使用條件或傳感器安裝位置的不同而不同，因此需要事先對每臺機器的測量值分析比較后確定判斷標準。

通過軸承的工作溫度進行識別。通常，軸承的溫度隨著運轉開始慢慢上升，1～2 h后達到穩(wěn)定狀態(tài)。軸承的正常溫度因機器的熱容量，散熱量，轉速及負載而有所不同。如果出現異常高溫，必須停止運轉，采取必要的防范措施。使用熱感器可以隨時監(jiān)測軸承的工作溫度，并實現溫度超過規(guī)定值時自動報警或停止運行。該方法屬比較識別法，僅限于在運轉狀態(tài)變化不大的場合。為此，相關人員必須對溫度的連續(xù)記錄。出現故障時，不僅溫度升高，還會出現不規(guī)則變化。

通過潤滑劑的狀態(tài)進行識別。對潤滑劑采樣分析，通過其污濁程度是否混入異物或金屬粉末等進行判斷。該方法對不能靠近觀察的軸承或大型軸承尤為有效。