滚动轴承失效的4个阶段

滚动轴承的劣化发展不是一个线性过程，而是一个指数过程。在不同的劣化阶段，故障信息出现在不同的频带范围内，所以要采用不同的故障检测方法。目前工业领域普遍认为滚动轴承的劣化历程可以分为4个阶段。

图1 典型的轴承故障发展历程

第1阶段——轴承失效初期

这个阶段轴承会在次表面形成微观裂纹或晶格的错位，而轴承表面则看不到裂纹或者微小剥落，在振动信号的低频段不会形成比较明显的冲击信号，用传统的加速度传感器不能拾取到故障信号，但是次表面的微观裂纹或者晶格的错位会产生声发射信号或者应力波信号。因此，在这个阶段轴承的故障特征主要体现在超声频率段，可以通过声发射传感器或者基于共振的加速度传感器进行拾取，其主要表现为测得的信号峰值或者能量值变大。

图2 轴承劣化第1阶段的振动信号特征

第2阶段——轴承失效发展期

在这个阶段轴承的微观劣化开始由次表面向表面扩展，并在轴承的接触表面产生裂纹或微小剥落等损伤点。当轴承元件表面与这些损伤点接触时，就会形成一定频率的冲击脉冲，根据傅里叶变换可知，短时的冲击信号在频域上是一个宽频信号，所以这个冲击信号必然会激起轴承零部件的高频固有频率发生共振，从而使得其振动加强，通过加速度传感器便能将这部分信号拾取到，再利用包络解调技术能观察到轴承的故障特征频率，到了第2阶段的末期还能观察到故障特征频率的倍频。

在这个阶段，轴承的故障特征频率暂时被淹没在低频段较高的噪音当中，因此在故障特征频率段观察不到很清晰的故障特征频率。

图3 轴承劣化第2阶段的振动信号特征

第3阶段——轴承失效快速发展期

在这个阶段，随着轴承损伤的加速发展，损伤点对轴承接触面的冲击越来越强烈，在共振频率段解调出来的轴承故障特征频率的倍频越来越多，而且其周期性冲击的能量大小已经足以直接通过振动信号的功率谱观察出来，这个时候可以直接在振动信号的功率谱上清晰的看到轴承的故障特征频率，并且其倍频有越来越多的趋势。

图4 轴承劣化第3阶段的振动信号特征

第4阶段——轴承失效末期

在这个阶段，滚动轴承已经快达到寿命的终点，损伤点可以通过肉眼观察到，轴承运动的噪音变得特别大，温度急速的升高。此时直接功率谱上不仅可以清晰的看到轴承的故障特征频率及其倍频，如果损伤点交替的进入载荷区的话，还能在故障特征频率旁边看到明显的调制边频。在第4阶段的末期，频谱上谱线变得不是很清晰，在功率谱上会形成凸出的“茅草堆”，另外高频振动的能量在这时还可能不升反降，如果发现高频的监测量开始下降，不是表面轴承状态变好，而是说明轴承已经快到寿命的终点。

图5 轴承劣化第4阶段的振动信号特征

小结

综上所述，从轴承劣化的4个阶段可以看出，轴承故障特征频率出现的频率段以及故障特征频率是否出现倍频、是否出现边频，都一定程度反应了轴承的劣化信息，从频率和时间的关系来看轴承的劣化有从高频到低频移动的趋势，先是超声频率段测得的信号产生变化，随着轴承劣化的发展，共振频率段的信号通过一定的分析方法可以观察到轴承的故障特征频率，在1KHz以内的低频段信号的功率谱上观察到故障特征频率。这说明随着轴承故障的发展，其故障特征将逐渐从高频段到低频段移动。