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第二章 滚动轴承的故障特征分析

2.3 滚动轴承的主要失效形式及原因

由于滚动轴承的材料缺陷，加工或装配不当，润滑不良，水份和异物侵入，腐蚀以及过载等原因都可能导致早期损坏。当然，即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象影响机器的正常工作。概括起来滚动轴承的主要故障形式有:

1. 塑性变形

轴承转速n?1rmin时，其损坏形式主要失效形式是塑性变形，这与接触表面的最大挤压应力有关（如工作负荷过重，热变形影响，过大的冲击载荷等）。按弹性理论分析，接触表面的最大挤压应力发生在受力最大的一个滚动体与轴承内圈的接触点处，其损坏的特征是滚道上形成一个个小圆穴（凹痕），使轴承在运转时产生很大的振动和噪声。

2. 疲劳剥落

滚动体在滚道上由于反复承受载荷，工作到一定时间后，首先在接触表面一定深度处形成裂纹（该处的切应力最大），然后逐渐发展到接触表面，使表层金属呈片状剥落下来，形成剥落凹坑，即形成疲劳剥落。疲劳剥落使轴承在工作时发生冲击性振动。在正常工作条件下，疲劳剥落是轴承的主要失效形式。

3. 磨损或擦伤

滚动体与滚道之间的相对运动以及外界污物的侵入，是轴承工作表面产生磨损的直接原因。润滑不良，装配不正确均会加剧磨损或擦伤。磨损量较大时，轴承游隙增大，不仅降低了轴承的运转精度，也会带来机器的振动和噪声，对精密机械用的轴承，磨损量就成为决定轴承使用寿命的主要因素。

4. 锈蚀和电蚀

锈蚀是由于空气中或外界的水分带入轴承中，或者机器在腐蚀性介质中工作，轴承密封不严，从而引起化学腐蚀。锈蚀产生的锈斑使轴承工作表面产生早期剥落，而端面生锈则会引起保持架磨损。电蚀主要是转子带电，在一定条件下，电流击穿油膜产生电火花放电，使轴承工作表面形成密集的电流凹坑。

5. 断裂

轴承零件的裂纹和断裂是最危险的一种失效形式，这主要是由于轴承超负荷运行、金属材料有缺陷和热处理不良引起的。转速越高，润滑不良，轴承在轴上压配过盈量太大以及过大的热应力会引起裂纹和断裂。

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6. 胶合

胶合指滚道和滚动体表面由于受热而局部融合在一起的现象。常发生在润滑不良、高速、重载、高温、起动加速度过大等情况下。由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面灼伤，或某处表面上的金属粘附到另一表面上。

7. 保持架损坏

通常，由于装配或使用不当而引起保持架发生变形，从而就可能增加保持架与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死而不能滚动，或者由于保持架与内外滚道发生摩擦等均可能引发保持架损坏，导致振动、噪声与发热增加。

2.4 滚动轴承的几何参数

图2 滚动轴承结构尺寸图

Fig2 the construction and size diagram of rolling element bearings

图2-2所示滚动轴承的几何参数主要有：

轴承节圆直径D：轴承滚动体中心所在的圆的直径，m； 滚动体直径d：滚动体的平均直径，m； 内圈滚道半径r1：内圈滚道的平均半径，m 外圈滚道半径r2：外圈滚道的平均半径，m；

接触角?：滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角，rad或（°）； 滚动体个数z：滚珠或滚子的数目。

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2.5 滚动轴承的特征频率

为分析滚动轴承各元件的运动参数，先做如下假设： 1. 滚道与滚动体之间无相对滑动； 2. 承受径向、轴向载荷时各部分无变形； 3. 径向、轴向游隙为零； 4. 内圈滚道转速频率为ft； 5. 外圈滚道转速频率为fe；

6. 保持架转速频率（即滚动体公转频率）为fc。

如图2所示，滚动轴承工作时内、外圈滚道上分别只有一接触点A和B，则A点和B点的圆周速度分别为

ve?2?fer2 …………………………………(2-1) vi?2?fir1 …………………………………(2-2)

式中 ve、vi——外圈、内圈滚道接触点处的圆周速度，ms。 由图2可以推导出

r2?r1?1?D?dcos?? 21?D?dcos?? 2又上面两式得外圈、内圈滚道上一点速度为

ve??fe?D?dcos??……………………………(2-3) vi??fi?D?dcos??……………………………(2-4)

滚动体围绕轴承中心线的公转线速度是ve和vi速度的平均值，即

vc?1?ve?vi???fcD……………………………(2-5) 2由式（2-3）、（2-4）、（2-5）得保持架转速频率

fc?ve?vi1??dd???????1?cos??fe??1?cos??fi? …………(2-6) 2?D2??D??D??外圈相对于保持架的转速频率

fec?fe?fc?1d??fe?fi?1?cos?? …………………(2-7) 2?D? - 9 -

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内圈相对于保持架的转速频率

fic?fi?fc?1d??fi?fe?1?cos?? …………………(2-8) 2?D?以固定在保持架上的动坐标系来看，滚动体与外圈作纯滚动，它们之间的转速频率之比与直径成反比，即

f0c2r2D?dcos?D?d?????1?cos?? ………………(2-9) fecddd?D?由式（2-7）、（2-9）得滚动体相对于保持架的转速频率（即滚动体的自转频率）

f0c??d?2?D2?fe?fi?1???cos?? ……………………(2-10) 2d????D??绝大多数滚动轴承在实际应用中总是保持外圈静止，内圈与轴一起旋转，当轴的转速频率为f时，则

fe?0 fi?f

所以，外圈相对于保持架的转速频率

fec?内圈相对于保持架的转速频率

1?d??1?cos??f ………………………(2-11) 2?D?fic?1?d??1?cos??f ……………………… (2-12) 2?D?滚动体相对于保持架的转速频率（即滚动体的自转频率）

f0cD?2d??d?2?2?1???cos??f………………………(2-13) ??D????保持架转速频率

fc?1?d?1?cos??f…………………………(2-14) ?2?D?2.6 滚动轴承的振动特性

滚动轴承的振动，原则上分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型。前者不论轴承正常或异常，振动都要发生，它虽与轴承异常无关，但却决定了振动系统的传递特性；后者则反映了轴承的损伤状况。

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2.6.1 滚动轴承的固有振动

1. 套筒的固有振动

套筒的固有振动主要表现在外圈上，因为一般轴承中外圈与轴承壳体为动配合，外圈在壳体内可以自由活动，因此轴承上收到任何冲击性的激励力，均可激起外圈产生固有频率的振动。内圈因为与轴为静配合，固有振动频率较高，振动相对要小。外圈径向弯曲振动的固有频率可近似地按下式计算

fen?4n?n2?1?2?Dt2EIg ?Hz?……………………(2-15)

2?An?1式中 E——材料的弹性模量，Pa，钢材为210GPa；

图3 滚动轴承径向弯曲振动振型示意图

Fig3 the reduced diagram of the vibration mode sketch map

of radial bend in rolling element bearings

4I——套筒横向截面的惯性矩，m；

g——重力加速度，ms2，一般取9.8ms2；

?——材料密度，kgm3，钢材为7.86?103kgm3；

A——套筒横向截面面积，A?bh，m2；

h——套筒厚度，m； b——套筒宽度，m；

Dt——套筒中性轴直径，m；

n——振动阶数[见图3所示]。

n?2

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