滾動軸承頻譜分析詳解

對於滾動軸承不能只依賴振動總量來精確評估滾動軸承的狀態，也不能完全依賴超聲頻帶測量：振動尖峰能量（Spike Energy）、高頻加速度（High FrequencyAcceleration-HFD）、衝擊脈衝（Shock Pules－SPM）。只有將超聲測量與振動特徵信號分析結合使用才是最好的評定軸承的狀態。

滾動軸承一旦產生故障，會產生以下四種類型頻率的每一種：隨機的超聲頻率：頻率範圍5000~60000HZ，測量使用方法：振動尖峰能量、高頻加速度、衝擊脈衝，這些用於檢測軸承的初始故障。

振動尖峰能量烈度圖：

高頻加速度和衝擊脈衝的比較烈度表：

軸承部件的自振頻率：頻率範圍500~2000HZ，軸承零部件受到衝擊時，以它們的自振頻率「瞬時擾動」。在滾動軸承中，滾動元件打擊內外環跑道上的缺陷的間斷的衝擊激起它們的自振頻率。但故障擴展到微觀大小時，它們開始激起這些軸承零部件的自振頻率，成為「第二個檢測症兆」。故障惡化時，可引起更大的衝擊，這些更大的衝擊產生更大的自振頻率尖峰響應。磨損嚴重時，在這些共振附近出現更多頻率分量，它們中許多是這些自振頻率的1X轉速的邊帶（往往，這些調製尖峰以軸承的故障頻率為間隔，而不是1X轉速頻率的邊帶）。軸承自振頻率與轉速無關，但它們的響應幅值與衝擊速度成正比，意味著轉速越高，響應幅值也越高。

旋轉軸承的故障頻率：

軸承零部件故障頻率與軸承的平均直徑-Pa、滾動體直徑-Ba、滾動體數目-Nb和接觸角-?有關。FTF-保持架故障頻率、BSF-滾動體故障頻率、BPOR-內環故障率、BPIR-外環故障頻率。

FTF、BSF、BPOR、BPIR簡易計算公式（可參考平台內前期文章介紹）。

軸承故障頻率都是轉速頻率的非整數倍（本人所遇確實如此，但曾看到過一篇文章說正好是轉速頻率整數倍）。

正常情況下滾動軸承故障頻率不應存在，當存在軸承故障頻率時，可以說明軸承至少發出初始故障信號。然而，應該明確一點：這些軸承故障頻率的出現未必意味著軸承內一定是軸承已損壞，由於軸承潤滑不佳，發生金屬對金屬的接觸，軸承承受不適當的負載（過大的壓配合-過盈配合偏大，對不承受軸向推力的軸承施加了軸向推力，推力軸承反向安裝等等），也將出現軸承的故障頻率。

無論是內環還是外環故障，都有1X轉速的邊帶，不轉的環邊帶要比轉動的環邊帶多。如果內環兩側被1X轉速邊帶族環繞時，說明損壞的程度更嚴重。

內環、外環故障頻率的相對幅值：外環故障頻率的幅值高於內環故障頻率的幅值，只要是感測器靠近外環的原因。

軸承故障頻率通常出現的次序：通常軸承故障的順序軸承內和外環→滾動體和保持架。此後，保持架故障頻率以基頻或以其它頻率的邊帶形式出現。滾動體故障頻率有時以邊帶形式出現在軸承內環/外環故障頻率的左右側。

軸承保持架故障頻率出現的位置：傳統上認為滾動軸承的故障頻率都是高頻故障，但是軸承保持架的故障頻率並非如此，一般在0.33X~0.48X範圍，精確的範圍在0.35X~0.45X之間。通常保持架故障頻率不以基頻出現，往往以邊帶形式出現在BSF兩側，或以差頻形式出現在BPOR、BPIR兩側。

滾珠或滾棒產生的故障頻率：當出現BSF時，一般也會有FTF出現。軸承保持架斷裂時，可能出現滾動體旋轉故障頻率，但此時滾動體未必出現故障，因為可能是保持架鉚接處斷裂，滾動體正在強烈推動保持架。

滾動體故障時會產生Nb×X頻率（無論多少個滾動體產生的故障）。軸承故障頻率允許的振動：對於這個沒有絕對的答案，與轉速、機器、振動傳遞的通道有關。如果轉速低，即使故障頻率的幅值很低，都可能損壞很嚴重了。

對於前面兩種情況，僅針對存在單個故障頻率（沒有某個故障頻率的諧波分量）。對於BPIR、BPOR存在故障頻率的諧波，同時有1X邊帶或其它故障頻率的邊帶，說明軸承潛在嚴重故障。

指示軸承磨損嚴重的最重要的東西就是存在軸承故障頻率的諧波頻率，尤其是伴有1X轉速邊帶或軸承其它故障頻率的邊帶，它與幅值無關，對於這種軸承應儘快更換掉。

評定轉速低於250RPM機器的軸承狀態：目前已經成功地評定轉速低達1.5RPM的滾動軸承，主要取決於分析儀和感測器。對於轉速在120RPM以下的頻率不能把振動加速度信號積分到振動速度，否則會對振動幅值有較大的壓縮。加速度一次積分為速度，速度一次積分為位移。目前最通用的加速度計的響應頻率約在5~10000HZ。對於不同級別的轉速規定振動幅值的報警值是不一樣的，例如120RPM和1200RPM，因為在大型低速機器上1X轉速頻率和軸承故障頻率本身的幅值比較小，引起1X頻率的不平衡力隨轉速的平方變化，所以1X頻率幅值也比較小。因此對於低速機器規定頻譜報警帶，必須把他們規定得比高級別轉速1200RPM的機器的報警幅值低，最好的辦法就是捕捉實際數據，並進行總量和各頻率帶的幅值的統計分析來確定。在轉速20~100RPM是可以使用FFT和時域波形來分辨故障，時域波形更清晰反映故障。當轉速為1~20RPM時，FFT基本上檢測不到故障信號，而時域波形仍然能夠反映軸承故障。最佳採樣時間的確定，如果1秒/轉，為採集到軸承的故障頻率，應規定採樣時間2~4秒的採樣時間tMAX，除採集FFT譜之外，還應採集時域信號。如果機器以10轉/分（6秒/轉）的轉速轉動，則應採用約12~24秒的採樣時間（tMAX），則採用時間應設置得比較長，而且採樣為800條譜線的FFT譜，而不是400線FFT譜。

檢測軸承故障頻率，感測器的位置應放置在何處：儘可能靠近軸承的承載區，尤其是承受徑向載荷的軸承（滾珠、棍棒），否則其信號強度的影響可達100%。

不合適的軸承載荷和安裝的檢測：軸承與軸承座過盈配合，滾子擠壓內外環，產生內外環故障頻率。推力軸承反向安裝會產生內外環故障頻率，且幅值較高，甚至更高。

不良的軸承潤滑產生的頻率：其頻率範圍為900~1600HZ，這個頻率範圍是軸承的自振頻率範圍。在5000~8000RPM頻率範圍是用來檢查潤滑好壞的頻率範圍，在同一軸承座上測得高的振動尖峰能量（或相當的量）的話，如果在支承這同一根軸的其它軸承上既不存在高的振動尖峰能量值，也沒有這些頻率分量的頻譜，則更充分證明潤滑不良的故障。可以加大潤滑，12~24小時後檢查這些超聲能量是否消失，若消失則更能證明這一點。

電機內軸承中由電氣引起的槽的故障：在實驗中，發現僅0.4~0.5V電壓通過軸承，便可產生明顯的損壞。另外，有電氣的槽的故障時「一個出現在40000~60000RPM之間的與任何軸承故障頻率不匹配的尖峰，往往已經有最大缺陷的軸承內環或軸承外環的邊帶伴隨在這個尖峰的兩側。這是我們日常可以識別電氣的槽的故障的一種方法，除此之外可以通過空載或正常負荷聽聲音來判斷軸承惡化，聲音變大，並變得深沉」。高頻信號一般不易傳遞，所以在採集時盡量靠近軸承。解決槽故障的方法是採用絕緣套或安裝碳刷。

和頻和差頻：

和頻和差頻：一個部件故障→故障惡化→引起其它部件故障→其它部件故障頻率出現。頻率之間相互加和減，絕不會只產生某個故障頻率的基頻。故障出現時，這個故障頻率可能成為其它已經存在頻率的邊帶形式出現。例如，軸承保持架故障頻率-FTF，通常不會以約0.35X~0.45X轉速頻率的基頻出現，而是BSF、BPOR、BPIR故障頻率的邊帶，甚至可以與其它振源調製成新的頻率。以下是和頻和差頻一些重要的因素和特徵：

BSF一般不以基頻或諧波出現，而以其它頻率的邊帶出現。

如果在軸承外環或軸承內環上存在一個單一的故障，則將只出現一個單一的軸承外環或軸承內環故障頻率（BPOR 或BPIR），如果其周圍出現多個故障時，將出現這個軸承外環或軸承內環故障頻率（BPOR或BPIR）的許多諧波頻率。

隨著軸承內環和外環故障的擴展，其故障惡化較好的指標是軸承故障頻率的諧波頻率的數目以及出現軸承外環或軸承內環故障頻率兩側的1X轉速頻率的邊帶，尤其是外環的邊帶。

在滾動軸承故障頻率分析中，強調的不是幅值而是頻譜中的頻率成份。實際上在軸承狀態惡化時其軸承故障頻率的幅值開始下降，尤其在軸承內環或軸承外環缺陷開始擴展時。此時要重視軸承故障頻率的諧波頻率數目，且伴有1X邊帶。

軸承故障繼續惡化，調製繼續，影響愈來愈大，直至頻譜變為1X轉速頻率的諧波頻率。

對於有擺動滾動體的自位雙列軸承可產生兩組軸承故障頻率（a）僅內環或外環的一側，用單列的滾子計算故障頻率，（b）如果缺陷出現在軸承外環或軸承內環的兩側，則用滾動體總數目來計算故障頻率。

僅從頻譜中難以診斷一個滾動體在軸承內環上一個單個故障，因為其幅值往往非常小，並且在計算的故障頻率處看不到離散的譜線，為此除了振動頻譜本身之外，還應研究時域波形。

在滾動軸承中，存在轉速諧波頻率時，它們可能是軸承在軸上鬆動或在軸承座中鬆動的信號，或者更重要的是它們可能是軸承在軸上旋轉或在軸承座中旋轉的信號。