1、軸承故障的四個(gè)階段  

在振動(dòng)領(lǐng)域，人們普遍認(rèn)為軸承的剝落過(guò)程分為四個(gè)階段：從第一個(gè)微觀跡象到嚴(yán)重?fù)p壞的軸承。有些人將過(guò)程分為四個(gè)以上的階段，并且增量更細(xì)，但過(guò)程仍然是相同的。

這個(gè)過(guò)程開始得很慢；階段1和階段2所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)于階段3尤其是階段4的時(shí)間較長(zhǎng)，后期損傷過(guò)程速度加快。  

想象一下承載重載的軸承；軸承負(fù)載區(qū)域的表面必須長(zhǎng)期承受巨大的應(yīng)力。滾子軸承中滾子與外圈或內(nèi)圈之間的接觸線或球軸承中的接觸點(diǎn)的壓力非常高。軸承設(shè)計(jì)用于承受如此大的應(yīng)力，但即使是新的、優(yōu)質(zhì)的軸承也存在表面缺陷，例如微觀裂紋。當(dāng)滾動(dòng)元件通過(guò)這些缺陷時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力，向下壓潤(rùn)滑介質(zhì)，有時(shí)會(huì)擴(kuò)大這些微觀裂紋。當(dāng)滾動(dòng)元件軸承中的滾子經(jīng)過(guò)這些點(diǎn)時(shí)，加載/卸載力作用在這些裂紋區(qū)域上，金屬零件之間的摩擦（或裂紋區(qū)域零件之間的微觀表面接觸）會(huì)發(fā)出彈性波。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。這是典型的第一階段和第二階段行為。    

在第3階段和第4階段，滾動(dòng)體與松動(dòng)部件的角部之間的碰撞較多。在第 4 階段，滾動(dòng)體不再產(chǎn)生很多彈性波；當(dāng)滾輪因舊的、磨損的剝落落入凹坑時(shí)，這更像是一種質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。

總結(jié)軸承失效不同階段的彈性波發(fā)射情況：在階段 1 和階段 2，彈性波主要由存在微觀裂紋區(qū)域的加載/卸載力產(chǎn)生。波的來(lái)源是剪切力產(chǎn)生的金屬部件的微觀碰撞。在第 3 階段，滾動(dòng)元件與松散零件或新剝落中的角部之間存在更多實(shí)際碰撞。在第 4 階段，當(dāng)滾動(dòng)元件遵循損傷輪廓時(shí)，彈性波強(qiáng)度降低，而純振動(dòng)信號(hào)增加。

軸承故障可能還有其他原因，例如潤(rùn)滑介質(zhì)的污染、小污染物顆粒粘附在軸承表面上導(dǎo)致強(qiáng)彈性波的發(fā)射。軸承故障的另一個(gè)潛在原因是電蝕，放電在軸承表面上形成特征性的起伏圖案。在這種情況下，不會(huì)發(fā)射彈性波，只能在速度讀數(shù)中看到損壞。

2、基本物理原理      

當(dāng)兩個(gè)金屬物體碰撞時(shí)，例如滾動(dòng)軸承中的滾子撞擊滾道裂紋的角部，或者由于金屬部件受到剪切力而產(chǎn)生摩擦?xí)r，就會(huì)產(chǎn)生彈性波（或壓縮波）。這些波在鋼中的傳播速度通常為 6 000 m/s（20 000 英尺/秒）?？諝庵械穆曀贋?340 m/s（1 100 英尺/s），比鋼中的波慢 18 倍。與源自不平衡、不對(duì)中、皮帶問(wèn)題和齒輪嚙合的低頻信號(hào)相比，這些彈性波通常具有非常低的能量水平。彈性波跟隨機(jī)器結(jié)構(gòu)并被材料界面阻尼。    

相比之下，“正常”低頻振動(dòng)信號(hào)更多的是質(zhì)量運(yùn)動(dòng)，并且具有明顯的方向性，而彈性波可以“在角落傳播”（即從非常寬的區(qū)域拾取聲音）。彈性波可以被視為材料中的“波紋”。在大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的機(jī)器中，低頻信號(hào)和彈性波同時(shí)出現(xiàn)。

對(duì)這些彈性波的進(jìn)一步研究表明，它們是上升和下降時(shí)間較短的瞬態(tài)信號(hào)，因此包含遠(yuǎn)高于 40 kHz 的非常寬頻率范圍內(nèi)的能量。

3、振動(dòng)能量分布  

想象一下，振動(dòng)傳感器安裝在靠近軸承負(fù)載區(qū)域的位置（圖 4）。還想象一下，當(dāng)滾動(dòng)元件經(jīng)過(guò)外圈上的特定位置時(shí)，會(huì)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。頻譜分析所依據(jù)的時(shí)間范圍非常短，僅捕獲一個(gè)滾動(dòng)元件通過(guò)特定位置時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)刻。    

在健康的軸承中，信號(hào)通常完全由低頻信號(hào)主導(dǎo)，例如不平衡、皮帶振動(dòng)、不對(duì)中和類似源。通常，滾動(dòng)元件和外圈之間的材料界面也會(huì)產(chǎn)生極其微弱的信號(hào)。微小的（微觀的）表面凹凸碰撞并發(fā)出微弱的彈性波。這些彈性波比低頻信號(hào)弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于這些彈性波非?！凹怃J”（上升和下降時(shí)間短），因此它們還包含頻譜高端的能量?？梢哉f(shuō)它就像頻譜中的“機(jī)械本底噪聲”。

下面的圖 5 顯示了當(dāng)滾動(dòng)元件靠近健康軸承中的振動(dòng)傳感器時(shí)的頻譜“快照”。該模式通常完全由低頻信號(hào)（不平衡、未對(duì)準(zhǔn)和表示為 1X、2X 的類似源）主導(dǎo)。非常弱的寬帶“機(jī)械本底噪聲”以紅色表示?！皺C(jī)械本底噪聲”取決于潤(rùn)滑。

在第一階段軸承損壞中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)微觀裂紋擴(kuò)大時(shí)，加載和卸載過(guò)程（當(dāng)滾動(dòng)元件經(jīng)過(guò)具有微觀裂紋的區(qū)域時(shí)）會(huì)產(chǎn)生彈性波。這些波主要源自金屬部件相對(duì)移動(dòng)時(shí)的小表面碰撞（見(jiàn)圖 3）。這些彈性波的能量含量在第一階段仍然很低，但可以測(cè)量。信號(hào)模式仍然完全由不平衡和類似來(lái)源（表示為 1X、2X）的低頻能量主導(dǎo)，見(jiàn)圖 6。    

在第二階段軸承損壞中，微觀裂紋已形成裂紋網(wǎng)絡(luò)。裝載/卸載過(guò)程會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的彈性波，因?yàn)楝F(xiàn)在表面下有更多的半松散部分，并且相對(duì)運(yùn)動(dòng)更大?！皺C(jī)械本底噪聲”在頻譜中有所增長(zhǎng)，但仍然很弱。在此階段，波浪的強(qiáng)度足以觸發(fā)軸承組件的固有頻率。軸承固有頻率取決于軸承的尺寸及其安裝方式。通常，固有頻率可以在 2-6 KHz 范圍內(nèi)找到。

在第三階段軸承損壞中，裂紋網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致了更大的松動(dòng)或半松動(dòng)零件。彈性波是由滾動(dòng)元件和零件之間的碰撞產(chǎn)生的。軸承的固有頻率現(xiàn)在更強(qiáng)（因?yàn)閺椥圆ò嗄芰浚?，并且“機(jī)械本底噪聲”達(dá)到峰值，見(jiàn)圖 8。    

在第四階段，剝落已經(jīng)變成了大坑，在第四階段結(jié)束時(shí)，尖角已經(jīng)全部磨損。滾動(dòng)元件部分遵循剝落的輪廓，因此產(chǎn)生振動(dòng)（非彈性波），其頻率對(duì)應(yīng)于軸承頻率（BPFO、BPFI、BS、FTF）。

參考圖 9 中代表軸承頻率的紅色頻譜線（BPFO、BPFI）：如果軸承頻率僅出現(xiàn)在第 4 階段的頻譜中，如何能夠檢測(cè)到第 1、2 和 3 階段的早期損壞？這是一個(gè)普遍的誤解。當(dāng)滾動(dòng)元件經(jīng)過(guò)第一階段的受損區(qū)域時(shí)，每次經(jīng)過(guò)該特定位置時(shí)，“機(jī)械本底噪聲”都會(huì)增加。通過(guò)查看例如 10 kHz 以上的頻率并測(cè)量升高的本底噪聲的出現(xiàn)頻率，可以顯示軸承頻率。另一種描述方式是機(jī)械本底噪聲由軸承頻率調(diào)制。

例如，以 1500 RPM 運(yùn)行的機(jī)器的軸承 BPFO = 5.7。這意味著滾動(dòng)體每秒會(huì)在外圈的一個(gè)位置上經(jīng)過(guò) 1500*5.7/60 = 142.5 次。這等于 142.5 Hz。下面的頻譜是典型的第 1 階段模式，其中紅色機(jī)械本底噪聲的強(qiáng)度每秒增加和減弱 142.5 次。142.5Hz是外圈信號(hào)的出現(xiàn)頻率。 

4、概括  

從歷史上看，在***好的情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)速度讀數(shù)（即總體速度值）進(jìn)行齒輪和軸承損壞檢測(cè)可以在非常晚的階段揭示嚴(yán)重?fù)p壞，從而導(dǎo)致規(guī)劃范圍非常有限。充其量，速度 RMS 值增加的趨勢(shì)可用于避免意外停止。

添加基于速度讀數(shù)的頻譜分析可以比在***后階段更早地揭示齒輪和軸承的損壞，但它仍然是一個(gè)相當(dāng)粗糙的工具。

當(dāng)振動(dòng)包絡(luò)在幾十年前被引入時(shí)，可以比以前更早地檢測(cè)到損壞，然后就可以討論實(shí)際的預(yù)警時(shí)間。通過(guò)振動(dòng)包絡(luò)，即使傳感器信號(hào)主要由通常源自不平衡力的低頻內(nèi)容主導(dǎo)，也可以提取來(lái)自齒輪或軸承的信息。