滚动轴承故障的主要失效形式及原因

旋转机械是设备故障诊断工作的重点，而旋转机械的故障有相当大的比例与滚动轴承有关。滚动轴承是机器的易损件之一，据不完全统计，旋转机械的故障约有30％是因滚动轴承引起的，由此可见 故障诊断工作的重要性。

最初的轴承故障诊断是利用听棒，靠听觉来判断。这种方法至今仍然在沿用，其中的一部分已改进为电子听诊器，训练有素的人凭经验能判断出刚刚发生的疲劳剥落，有时甚至能辨别出损伤的位置，但毕竟影响因素较多，可靠性差。

后来出现了各种测振仪，用振动位移、速度和加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这样减少了监测人员对经验的依赖性，提高了监测诊断的准确性，但仍然很难在故障初期及时作出诊断。

1966年，全球主要滚动轴承生产商之一，瑞典SKF公司发明了冲击脉冲仪（Shock Pulse Meter），将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。

    1976年，日本新日铁株式会社研制了MCV系列机器检测仪（Machine Checker），可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。同时推出的还有油膜检查仪，利用超声波或高频电流对轴承的润滑状态进行监测，探测油膜是否破裂，是否发生金属间直接接触。

    随着对滚动轴承的运动学、动力学的深入研究，对于轴承振动信号中的频率成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解。加之快速傅里叶变换技术的发展，开创了用频域分析方法来检测和诊断轴承故障的新领域。其中最具有代表性的有对钢球共振频率的研究，对轴承圈自由共振频率的研究，对滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间关系的研究。许多信号分析处理技术也用于滚动轴承的状态监测与故障诊断，使滚动轴承的故障诊断技术不断向前发展。

典型的滚动轴承的结构主要由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，如图1所示。在多数情况下是内圈随轴旋转而外圈不动，但也有外圈旋转、内圈不转或内外圈分别按不同转速旋转等使用情况。

http://s6/small/001pYIdWzy6F8sC0Na595&690

图1. 典型滚动轴承的结构

滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。滚动轴承的主要故障形式与原因如下。

1．疲劳剥落

    滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既要承受载荷又有相对运动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。

    疲劳剥落会造成运转时的冲击载荷，振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指的轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试验就是疲劳试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0.5mm2的疲劳剥落坑就认为轴承寿命的终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍乃至上百倍，这也从另一个角度说明了滚动轴承故障监测的重要性。

2．磨损

    由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。

此外，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动体和滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振纹状的磨痕。

3．塑性变形

    当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。

4．锈蚀

    锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度的轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。

5．断裂

过高的载荷可能会引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。

6．胶合

在润滑不良、高速重载的情况下工作时，由于磨擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合就是指一个零件表面上的金属粘附到另一个零部件表面上的现象。

7．保持架损坏

由于装配或使用不当，可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的磨擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生磨擦等。这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致造成损坏。