滾動軸承知識及故障診斷知識
滾動軸承知識及故障診斷知識
一、滾動軸承的基本知識
a.滾動軸承能夠起到支撐轉動的軸及軸上零件，並保持旋轉軸的正常工作位置和精度。在滾動軸承中，滾動體與滾道之間為點或線接觸，其間的摩擦為滾動摩擦，常用的軸承有SKF，NSK, FAG及洛陽軸承等。
b.由於滾動摩擦力遠遠小於滑動軸承（麵接觸，滑動摩擦），可以顯著減小消耗和摩擦阻力的功耗，節能效果顯著，維修方便，質量可靠。常用於中低載，中低速和一般工作環境下的場合，但在特殊工作條件下如高速，重載，精密，防腐，防磁以及特大型設備等場合，軸承選用原則是優先選用滾動軸承，特殊情況用滑動軸承。
c.滾動軸承主要由內圈，外圈，保持架和滾珠或滾柱或滾針組成，工況工作惡劣的場合還常裝有密封件，分為深溝球軸承（主要承受徑向力，可承受部分軸向力），角接觸軸承（觸球軸承的鋼珠與內外圈接觸點的連線與徑向成一角度。接觸角度σ一般分為15°、30°、40°，分別用字母C、A、B表示，角度越大能承受的軸向力就越大），雙球調心軸承，法蘭軸承等。
d.滾動軸承材料要具備高的接觸疲勞性能，高的耐磨性，高的彈性極限，合適的硬度，一定的韌性，良好的尺寸穩定性和一定的防鏽能力，內外圈及滾動體材料是高碳鉻軸承鋼（含碳1%左右，含鉻1.5%左右，並含有少量的錳，矽元素，例GCr4,GCr15, GCr15SiMn等）或滲碳鋼（經滲碳和熱處理淬，回火後的優質低合金鋼，含有較低的碳和一定量的合金元素，例20GrNiMoA, 16Cr2Ni4MoA），前者采用全淬火，表麵和心部均可硬化，一般的硬度為HRC58---65。
補充知識：-淬火是把鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間，然後快速冷卻(水浴或油浴等)，從而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的一種熱處理工藝方法；退火是加熱到適宜溫度以上後在保溫材料覆蓋下緩慢降溫使其組織平衡；正火是加熱到適宜溫度後在空氣中冷卻；回火是為了降低鋼材的脆性，將淬火後的鋼件在高於室溫而低於710度的某一適宜溫度長時間保溫，再進行冷卻的工藝，二者結合又稱調質處理。
e.陶瓷軸承是在軸承的內圈或外圈鍍了一層粉末冶金陶瓷材料包括碳化矽SiC, 氮化矽Si3N4，氧化鋯Zr02微晶陶瓷（絕緣，硬度高，比重輕，高溫性能好，耐磨性能好），受熱脹冷縮的比例小可在溫差變化較大的場合應用。
f.電絕緣軸承采用特種噴塗工藝，在軸承的外表麵噴鍍優質覆膜，覆膜與基體結合力強，絕緣性能好，可避免感應電流對軸承的電蝕作用，防止電流對潤滑脂和滾動體、滾道造成的損壞，提高軸承的使用壽命。該工藝不斷被改進，絕緣軸承中，在外圈或內圈表麵有一層100μm厚的塗層，可承受最高1000伏的電壓。
陶瓷軸承（左圖），絕緣軸承（右圖）
g.滾動軸承型號：-是用來表明軸承的內徑，直徑係列，寬度係列和類型一般多為五位數，代號分為前置代號+基本代號+後置代號；
例如軸承L6213J/C3，軸承的前置代號用於表示軸承的分部件,用字母表示。如用 L表示可分離軸承的可分離套圈；
6219為基本代號，軸承內徑為右邊第一二位數字*5，本例軸承內徑為13*5=65mm; 2表示輕係類軸承；6為軸承的類型編號；常用的編號如下：-
J/C3為後置代號是用字母和數字等表示軸承的結構，公差及材料的特殊要求等，J為J型狀鋼支撐圈，C3為軸承的徑向遊隙。
7220ADBC3 7指角接觸軸承，2直徑係類20內徑100mm，A指角度為30度，DB背靠背組合。
h.滾動軸承載荷：滾動體是點或線接觸，滾動體運轉到負荷區時才承受載荷，故而疲勞損傷是軸承概率最高的故障。所附為軸承受力圖及內圈外圈受力圖，大部分時間下內圈作用力顯然比外圈作用力大，這也就是內圈更容易出現疲勞損傷的原因。對於深溝球軸承來說軸向載荷過大會導致其使用壽命縮短，故而選型時必須考慮徑向軸承的軸向力。
i.滾動軸承壽命：-指在內外圈及滾動體首次出現疲勞損傷之前軸承運行的時間。基本額定壽命，L10h是基於某一足夠大數量表麵上完全相同的軸承在相同的工況下運行，其中 90% 能夠達到或超過的疲勞壽命。
其中C為基本額定動載荷[KN], P為軸承等效動載荷[KN]，n為轉速[r/min],p為壽命公式的指數，3表示球軸承，10/3表示滾子軸承。
實際生產運行中，軸承壽命又受啟停次數，現場運營維護，現場運行環境等因素影響，故而軸承壽命不便於預測，可以基於現場振動軸承溫度聲音是否異常更換，或根據現場設備的重要性提前預防性維護，一般軸承壽命2-3年。
j.滾動軸承遊隙：-軸承遊隙即軸承在未安裝於軸或軸承箱時，將其內圈或外圈的一方固定，然後便於未被固定的一方做徑向或軸向移動時的移動量。根據移動方向，可分為徑向遊隙和軸向遊隙。
如果遊隙過小，會導致軸承發熱或抱死，軸承遊隙過大，會導致軸向竄動，同時導致軸向振動大。
基本徑向遊隙組適用於一般的運轉條件、常規溫度及常用的過盈配合；在高溫、高速、低噪聲、低摩擦等特殊條件下工作的軸承則宜選用大的徑向遊隙；對精密主軸、機床主軸用軸承等宜選用較小的徑向遊隙。軸承裝機後的工作遊隙，要比安裝前的原始遊隙小，因為軸承要承受一定的負荷旋轉，還有軸承配合和負荷所產生的彈性變形量。
二、滾動軸承的安裝
a.角接觸軸承一般兩兩配合使用，經常聽到技術人員說軸承是“背靠背”或“麵對麵”安裝，那麽什麽是背，什麽是麵呢？定義外圈較寬一側為“麵”，較窄一側為“背”，看內外圈受力線連接方式或想象人頭（球）帶帽子（外圈）的樣子。
b.一般乐鱼官网將軸承安裝在軸上，軸承坐落在軸承座裏麵，其間會涉及到軸承內圈與軸承的過盈配合，軸承外圈與軸承座的配合。在軸承安裝之前，乐鱼官网必須對軸外徑，軸承座內徑以及軸承內外徑進行確認，過大或過小配合都可能導致軸承問題，導致跑內圈和跑外圈的現象，進而導致振動高和軸承壽命縮短。
軸承的尺寸配合可以根據軸的大小在軸承手冊中查到，對於軸承內圈，采用基軸配合，軸承外圈采用基孔配合。
表3徑向軸承與軸配合尺寸
表4滾動軸承與軸承座配合尺寸
c.常用的軸承安裝方法有冷裝，熱裝，液壓裝配等。軸承的安裝一定要嚴格按照標準程序和檢查清單，使用正確的工具，否則會導致軸承失效。裝配問題包括裝配時損傷到軸承內部運動部件，部件配合過鬆，軸向或徑向預應力過大等。軸向的預應力過大（過於緊配合）會使得軸承運行時的噪聲很大，內外圈的溫差加大。
研究表明16%的軸承的提前失效是由於裝配不當（用力過大）或不會正確使用工具導致。例如熱裝時加熱不均，加熱溫度過高，軸承的膨脹係數為12.5*10-6 ，一般要求低於100degC，80-90度較好，以免軸承局部過熱退火，因為軸承的硬度因過熱而有降低的風險; 安裝之前應該確定軸心，軸承座的配合麵是否有撞傷或突起等，確保軸承安裝到位，有時軸承端麵於軸肩之間可能會產生間隙，需要熱裝冷卻時作用一個軸向力；安裝過程中對內圈施力，切勿對外圈作用力；另外裝配時，應使軸承和軸肩靠緊，圓錐滾子軸承和向心推力軸承與軸肩的間隙不得大於0.05mm，其它軸承不得大於0.1mm。
三、滾動軸承的失效形式
1.常見的軸承失效有磨損失效，疲勞失效，腐蝕失效，斷裂失效，電腐蝕，壓痕失效等。生產維修中，常說的軸承剝落，常指的是乐鱼官网看到的現象，軸承剝落可能有疲勞，磨損，腐蝕等導致。
（1）磨損失效Wear
外界進入的顆粒物質（軟性/中性/硬性物質）或潤滑不足時會將原本光滑的接觸麵磨損出凹槽，嚴重的甚至能改變溝道的形狀和滾子的外觀和直徑。軸承運動部件的間隙增大而產生嚴重的晃動，摩擦力急劇增大，最終導致軸承損毀。
需要注意的是異物導致的軸承失效，逐漸發展為軸承的疲勞損傷，也就是軸承出現故障後，如不及時查找原因，那麽運行一段時間後就會導致二次損傷從而覆蓋了初始損傷的原因。
（2）疲勞損傷Fatigue Damage
疲勞損傷產生於軸承中運動部件接觸麵內部或外部，最初形態為細小的內部裂紋。之後慢慢向表麵延伸，最終導致接觸麵的破損。對應的軸承的故障可以表現為滾道或滾子的凹痕、破裂、剝離，時域波形常表現為周期性。
（3）潤滑不好
潤滑不好回導致軸承內部出現金屬碰金屬的現象，導致局部出現鏡摩擦，軸承溫度升高進而導致部件之間間隙變大。
（4）裂紋
內環或外環裂開，可能原因是軸承受到的了衝擊。保持架出現裂紋可能是內外環的對中安裝不好或高負荷高振動導致的。
(5)電腐蝕Electrical corrossion
當軸承隔離不好時，存在靜電，那麽就會在軸承間隙小處進行釋放，局部產生上千度的高溫導致金屬表麵融化，產生電腐蝕和高溫的痕跡（注意軸承缺油脂潤滑不好時也會產生高溫的痕跡）。
2.通過以上的陳述，乐鱼官网了解了軸承的多種失效形式及表現，那麽引起這些失效的原因是什麽呢？
36%的軸承失效是由於潤滑不當導致的，過多或過少潤滑脂，選擇了錯誤的潤滑脂，舊潤滑脂未能及時排出等。
可能有些人會對滾動軸承有誤解，認為滾珠和內外環是直接接觸的，其實它們之間也是有一定油膜的，油膜的作用：-減小摩擦，降低摩擦熱，增大接觸麵積減小接觸應力，防塵防鏽防腐蝕等作用。
滾動軸承可以考慮使用油潤滑（高速和高負荷的軸承），脂潤滑（低速，中速和中溫軸承）和固體潤滑（高速和高溫，二硫化鉬及石墨粉）。潤滑脂有有機脂和無機脂兩類，其中有機脂又包含礦物油的皂基脂+添加劑和合成油的皂基脂。另外在一些特殊場合乐鱼官网也會用到固體潤滑劑（軟金屬/金屬的化合物/其它有機或無機物質）。潤滑脂是由基油70%，稠化劑5-30%和添加劑所組成的半固體狀的潤滑劑，及少量的添加劑。稠化劑包括鋰基（ZL）,鈣基（ZG）,鈉基（ZN），鋁基等。
潤滑劑用量要合適，太多太好都不好，太多會產生大量的攪拌熱量，導致軸承溫度升高，加快潤滑劑的老化；太少會導致油膜不能形成金屬碰金屬，導致出現幹摩擦。不同設備的添加頻率不同，應根據設備的結構形式，轉速和載荷等分別對待，目前常用的兩種策略：-A，對於低速低載荷的設備，可以考慮按月或季度添加，目的是加新潤滑脂的同時可以將舊油脂擠壓出來；B,對於高速高載荷的設備，考慮到潤滑脂對其的影響敏感，采取少量多次的原則，或使用自動加脂機。
在維修中，外殼內的潤滑脂充填量隨外殼的結構和容積而有所不同，一般充填至容積的1/3～1/2為宜/充填量過多時，潤滑脂因攪拌發熱發生變質，老化及軟化，應加以注意。但用於低速軸承，為防止異物侵入，有時也充填至容積的2/3～1/2。
14%的軸承失效是由於軸承和潤滑脂受到汙染導致的，或軸承的密封效果不好；如下圖所示，軸承潤滑脂中進入異物，導致軸承滾道出現磨損，進而導致軸承失效產生材料剝落。
軸承滾動體和滾道在潤滑脂油膜作用下有0.0005mm的作用距離，不是直接接觸的。
34%的軸承失效是由於疲勞導致的，如果設備受到過載，使用或維護不當都會導致，例如軸承常年運行溫度過高，那麽軸承使用壽命就會縮短，產生疲勞失效；
16%的失效是由於裝配不當（通常是由於用力過大，裝配不到位，配合尺寸偏差，跳動大等）和不會正確使用裝配工具造成的。
4 滾動軸承的保管
1） 備用軸承的存放，應該平放，存放在冷涼通風的場所，防鏽油在50-60度就會流出來。不同儲存周期的軸承會使用不同類型的防鏽油，需要多加注意。另外若儲存軸承周期超過預定時間，應提前更換防鏽油重新做軸承防護。
2） 另需要強調的一點：-如今市場上產品質量良莠不齊，仿製品很多，產生了很多因為軸承質量問題而導致的設備停產檢修，所以必須從正規渠道購買軸承。另除了正規的第三方進行軸承質量的認定外，作為設備維修人員在安裝軸承之前，應對軸承有初步的判斷，主要通過查看軸承：-外包裝是否清晰；鋼印字是否清晰；軸承手動旋轉是否有異響；表麵的防鏽油是否均勻是否有異味；倒角是否均勻等外觀來判斷；也可通過軸承的尺寸是否有偏差，遊隙是否與規定相吻合來進一步判斷。
5 滾動軸承的故障診斷及案例分析
如何預測軸承的壽命和進行故障診斷，與生產的可靠性息息相關。軸承作為成熟的產品，在生產中乐鱼官网有很多中乐鱼官网有很多監測和故障診斷的方法---通過軸承溫度，振動，聲音，油/潤滑脂顏色和油樣分析等來監測；通過振動或聲音頻譜分析，脈衝測量，超聲波，熱成像等進行故障分析。
故障診斷表可以給乐鱼官网指引判斷方向，但切記照搬原樣，具體問題還需要具體分；通過軸承失效表乐鱼官网可以知道軸承出現運行報警後，可能很快就會出現軸承失效，因此正確的判斷和計劃性維修至關重要。
表5 滾動軸承故障診斷表
表6 滾動軸承失效的時間表
方法總總，道路條條，但找到適合自己的故障診斷方法至關重要，需要案例與理論知識的反複驗證。以下介紹故障診斷中時域與頻域分析的應用和案例分析。
a)條件允許的情況下，對滾動軸承的頻譜分析，作者認為較為準確，經得住實戰的考驗。如乐鱼官网所知滾動軸承是標準設計部件，其各部件（內外環，保持架，滾動體）在某一轉速下，分別對應固定的頻率。各部件的固有頻率計算可以使用SKF軸承APP軟件輸入軸承型號和轉速就能計算出來；或根據常用的經驗公式來進行計算，經驗值為內圈運行頻率為0.6X*滾珠數，外圈為0.4X*滾珠數。
滾動軸承故障特征頻率（外圈靜止）式中：Z--滾動體個數；fr--轉頻（Hz）；D--軸承節徑（mm）；d--滾動體直徑（mm）；α--接觸角。
滾動軸承內圈故障特征頻率：-
正常運行的軸承其頻譜僅顯示為1倍頻且值在允許範圍之內（頻譜較幹淨），那麽若出現內環或外環出現損傷，其對應的頻率就會被激發出來，利用這一原理乐鱼官网就可以精確的知道軸承是否存在故障及故障程度，從而製定維修計劃做到預知性維修（不同於故障維修和預防性維修，預知性維修是那壞修那，避免了故障維修導致的生產損失，同時也避免了預防性維修導致的殺敵一千自損八百），軸承各部件的頻率計算可參考例1；
b) 條件不允許的情況下，即現場沒有頻譜儀，那麽乐鱼官网也有手段進行故障診斷，可以結合時域波形，現場聲音，速度和加速度值或脈衝Q值來綜合判斷。幾點強調如下：-
加速度對作用力敏感，更能查找軸承的早期故障，目前還沒有規範定義軸承的加速度值標準，根據運營經驗，建議周期性的測量加速度值，判斷其是否增加；例如正常軸承5-20g/s2, 軸承出現異常時能超過100g/s2. 但存在明顯的不足，加速度值高了也可能是潤滑油，軸係不對中，軸承潤滑不良，潤滑油汙染等造成的。任何金屬劃擦，磨碰或撞擊都會產生衝擊脈衝，都會幹擾軸承的衝擊信號。不能立刻決定就更換軸承，那麽此時如果手邊沒有頻譜儀，建議加潤滑脂來進行判斷，加完後可能會出現如下情況：-
加潤滑脂後衝擊值馬上降低，但幾個小時後又升高，那麽可以判斷是軸承本身有損傷；
加潤滑脂後若衝擊值馬上降低並保持低位，那麽可以判斷是軸承潤滑不良或油液中有顆粒導致的；
加潤滑脂後若衝擊值沒有變化，那麽可以判斷衝擊值高的原因可能是軸承與軸/軸承座配合問題，或是有其它幹擾或臨近軸承的串音幹擾。
經典時域波形如下
圖（左）振動的時域波形，若發現時域波形存在明顯的周期性，那麽根據時域波形的周期性乐鱼官网就可以計算得出其對應的頻譜f=1/T,進而知道是那個部件發生了故障；
圖（右）滾動軸承如果存在潤滑不良造成的幹摩擦，那麽在時域波形中乐鱼官网就會發現削波現象。
例1）滾動軸承基於頻譜分析的故障診斷
某工廠工藝氧泵使用單泵運行，如果此泵發生故障就會導致整套空分設備的跳車，因此其運行可靠性至關重要。為保障其運行可靠性，團隊製定了嚴格的檢測手段，利用頻譜測量設備DCX定期測量該泵電機的頻譜。運行一段時間後發現頻譜中有9X頻譜的出現和升高，如下圖所示。
該軸承型號為7226BCBM，已知軸承的運行速度，可以通過軸承設計軟件計算出軸承內圈，外圈，保持環，滾珠對應的運行頻率（擾動頻率）。經驗公式為內圈頻率為0.6X*滾珠數，外圈為0.4X*滾珠數。
正常軸承運行顯示1倍頻，如果出現其它部件的運行頻率，多為高倍頻，那麽極有可能此部件出現了問題。
例如本案例出現了軸承的9X，正好對應於軸承的內圈頻率，考慮到此值在逐步升高，現場團隊作了計劃性的維修工作，最後拆開軸承後發現軸承內圈出現疲勞損傷，從而避免了一次軸承故障引起的非計劃性停車。
例2）滾動軸承基於頻譜分析的故障診斷
如下圖所示，某電機振動（紅色線所示）突然之間波動範圍增大，在1.2—3.0mm/s之間波動，雖然最高振動值並不高且與跳車值9.1mm/s有很大的距離，但發現現場噪音增加同時現場測量其加速度值由10g/s2逐步增加到300g/s2，脈衝測振顯示Q值也超出了標準。現場加潤滑脂發現軸承噪音和振動沒有改善。
團隊判斷軸承存在問題，做了計劃性維修，拆建發現軸的絕緣層發生脫落，且碎片進入軸承內部，導致軸承內圈和一個滾珠發生磨損，及時的維修更換避免了故障進一步的惡化，避免了非計劃性停機。
由本例可知加速度或脈衝測振可以發現軸承的早期故障，但需要注意潤滑脂不足時也會導致加速度和脈衝值升高，需要加脂進行排除。
[1] SKF bearing failure&causes.
[2] SKF bearing maintenance handbook.
[3] NSK new bearing doctor.
[4]軸承潤滑技術