轴承故障诊断原则研究

        由于设计、制造及使用等原因，生产实践中轴承发生故障的事件时有发生，轻则损坏设备、停工停产；重则酿成事故，甚至危及生命，直接影响到生产的安全性和经济性。如果能够通过对轴承的工作状况进行实时监测和故障诊断等手段，及早发现故障，并采取相应的措施，就可以避免恶性事故的发生。因此对轴承工作状况进行实时监测和故障诊断的研究，具有重大的经济意义和社会意义。   

        长期以来，国内外学者在轴承故障诊断方面进行了积极的探索，发展了多种信号获取和处理方法。这些方法对轴承故障诊断技术的发展起到了积极的推动作用，但也存在一定的局限性。从实用性出发，一方面要求信号的获取方法在现场简便易行；另一方面则要求能对信号进行实时处理，而且所提取的诊断参数简单、准确、可靠。因此本文在对轴承主要失效形式和失效机理分析的基础上，从实用性角度出发，提出轴承故障诊断的模型和诊断原则。
1  轴承的主要失效形式和失效机理
  这里所说的失效是指未达到设计寿命的提前失效。在复杂的负荷作用和恶劣的工作条件下，轴承的失效形式形形色色，失效机理错综复杂，下面就对其主要失效形式和失效机理进行简要分析。
1.1擦伤
    轴承与轴颈表面发生直接接触而产生的斑痕或严重擦痕称为擦伤。擦伤通常是由于瞬时缺乏润滑造成的。如果较长时间中断润滑或反复瞬时中断润滑，则会造成另外的损伤。
    造成擦伤的原因很多，如机械设备起动后立即转入高速，因为启动后需I5~ 20秒才会有充足的润滑油流经轴承。如果启动后立即转入高速，此时skf轴承中尚未形成油流，在轴承和轴颈表面的不平度处往往仅由几个分子层厚的润滑剂加以分隔，远小于规定的最小油膜安全限值。这种润滑状态就叫边界润滑状态。从液体润滑到边界润滑的过渡一般是逐渐发展的。开始时可能是二者的混合润滑状态，然后随二表面进一步移近，逐渐进入边界润滑状态。动压skf轴承在启动、停车、倒车或过载时都会出现边界润滑状态。由于skf轴承工作时转轴表面相对于轴承表面有滑移运动，因此，擦伤和磨损之类的损伤不可避免。而且，油膜太薄时也无法使润滑油中的细小异物通过油膜间隙，造成轴与瓦之间的接触摩擦或磨粒磨损，skf轴承就可能发生擦伤。另外，当润滑油面过低或油管破裂的情况下工作时，少量的空气会进入润滑系油道，造成瞬时断流，也可能引起擦伤。润滑油不清洁，其中金属或非金属磨料也可能引起擦伤。擦伤是过度磨损和疲劳剥落的前奏。
1.2过度磨损
    磨损是最常见的失效形式之一。当瞬时缺油反复出现时，skf轴承表面与轴颈相互频繁接触，虽然每次发生的金属间直接接触情况并不严重，持续时间也不长，但每次接触都或多或少地会使金属表面被磨掉，轴承间隙逐渐增大，当累计磨损量超过极限间隙时，润滑油不能保持，液体润滑条件被破坏。同时，由于摩擦副之间的相互作用不仅发生在粗糙不平的接触点上，而且也发生在邻近材料中。由于摩擦过程中两表面的变形、温度和环境等的影响，表层材料会发生机械的、物理或化学的变化，使材料表层发生如变形、氧化、强度减弱等现象，如塑性变形使金属冷作硬化而变脆，反复的弹性变形使金属发生疲劳；接触高温使表层金属退火软化，随后急剧冷却又导致材料重结晶和固溶体分解；环境介质在表层中扩散，造成氧化、腐蚀等，使表层性质发生变化，最终引起多种故障，如疲劳、点蚀、表面损坏与脱落等，这就是所谓的过度磨损。摩擦磨损产生的磨屑以及润滑油中的磨料还会造成磨粒磨损，即三体磨损。磨粒磨损同样会导致过度磨损。
1.3裂纹
    当轴承与轴颈表面相对滑动时，轴瓦较软表面的微凸体易于变形，并由于法向载荷和切向载荷（摩擦力）的反复作用，使有些微凸体被削掉，因而使软表面变成较光滑的平面。轴颈硬表面虽有磨损，但与软表面相比较小。这样，开始时峰顶与峰顶的接触就变成了硬表面的峰顶与软表面平面的接触。轴颈的凸体每划过一次就使轴瓦受到一次循环载荷。表面切向力的作用使软表面产生塑性变形，并不断积累，因而在金属表层内产生大量的位错。随着变形的不断积累，在表面下一定的深度出现位错堆积，加上材料内部存在杂质、空穴等缺陷，促使其形成裂纹。当载荷继续作用时，使裂纹延伸和扩张，并和邻近的裂纹连起来，形成一条平行于摩擦表面的裂纹。当裂纹扩展到一定长度时，表面材料被剪切而脱落，在轴与瓦的碾压作用下形成薄片状磨屑。
1.4疲劳
    在理想的液体摩擦状态下，所有的接触摩擦都可以避免，但疲劳失效却不能避免。由于内燃机轴承承受的是大小、方向随时间变化的交变载荷，在这种负荷的作用下，轴心和轴承中心存在相对运动；轴心径向迅速移动的挤压效应，使轴承表面上的油膜压力不断地脉动变化。计算表明，该油膜压力引起的轴承表面压力峰值处有很大的拉伸应力。当载荷超过一定作用次数后，使材料晶界遭到破坏，轴承合金的薄弱点处首先产生疲劳裂纹，然后随循环次数的增加，裂纹的数量和大小亦不断增加，同时垂直向合金层内部扩展，这种扩展由于油膜压力产生的楔入作用而加速，达到轴承合金层与钢背的结合层时，裂纹则又沿结合面向四周伸展，达到一定程度时发生合金层的剥落，最终导致磨粒磨损。
1.5腐蚀
    正常条件下轴承具有一定的抗腐蚀能力，但在高温高压下，轴承较易与周围的环境介质发生化学反应，在表面形成氧化膜和其它化学反应产物。润滑油中的残留酸如脂肪酸、乙醇、乙醛等和氧化而形成的酸性硫化物和过氧化物，都是腐蚀介质，使轴承合金发生腐蚀和质点剥落。腐蚀后轴承的工作表面呈天花状麻点，还会产生显微裂纹，使疲劳强度降低。轴承的深度磨损会增加对腐蚀作用的敏感性。
1.6粘着、咬和
    粘着、咬和是轴承的恶性故障，严重时会导致轴断裂。当润滑油膜被破坏时，轴颈与轴承表面局部发生接触，如果接触处局部压力很高，使表面微凸体变形产生高温而导致冷焊。在作相对滑动时，较弱的轴承表面被撕裂，撕下的金属粘附于轴的表面，并在轴承表面出现所谓的“涂抹”现象。如果随后的润滑状态良好，这种粘着现象不会进一步恶化，被破坏的表面会重新被磨光，轴承仍可继续工作。但当长时间缺乏润滑时，轴承的温度急剧上升，热量累积不能及时散发，产生“高热”，润滑油粘度下降，轴承和轴颈表面发生更严重的粘着，轴承与轴颈的合金表面发生局部熔化，轴与轴承粘结在一起，导致咬和。最严重的后果是轴颈的回转运动被卡死，或者轴颈产生深度热裂纹，裂纹不断扩展，最终使轴断裂。
    此外，还有穴蚀、脱壳、热脆失效、轴承瓦背的微动磨损等失效形式，在此不一一细述。
    从上述分析所得出结论是，各种故障发展至一定程度时都是导致轴承与轴颈产生接触摩擦或磨粒磨损、进一步发展就会导致轴承提前失效。因此，可将接触摩擦看作是各种形式的故障发展至一定程度时的必经之路和共同特征。