1、轴承故障的四个阶段
在振动领域，人们普遍认为轴承的剥落过程分为四个阶段：从第一个微观迹象到严重损坏的轴承。有些人将过程分为四个以上的阶段，并且增量更细，但过程仍然是相同的。
图 1 轴承失效过程分为四个阶段
这个过程开始得很慢；阶段1和阶段2所花费的时间相对于阶段3尤其是阶段4的时间较长，后期损伤过程速度加快。
想象一下承载重载的轴承；轴承负载区域的表面必须长期承受巨大的应力。滚子轴承中滚子与外圈或内圈之间的接触线或球轴承中的接触点的压力非常高。轴承设计用于承受如此大的应力，但即使是新的、优质的轴承也存在表面缺陷，例如微观裂纹。当滚动元件通过这些缺陷时产生的巨大压力，向下压润滑介质，有时会扩大这些微观裂纹。当滚动元件轴承中的滚子经过这些点时，加载/卸载力作用在这些裂纹区域上，金属零件之间的摩擦（或裂纹区域零件之间的微观表面接触）会发出弹性波。这个过程会导致裂纹扩展。这是典型的第一阶段和第二阶段行为。
图 2 第 1、2 阶段早期轴承失效
在第3阶段和第4阶段，滚动体与松动部件的角部之间的碰撞较多。在第 4 阶段，滚动体不再产生很多弹性波；当滚轮因旧的、磨损的剥落落入凹坑时，这更像是一种质量的运动。
总结轴承失效不同阶段的弹性波发射情况：在阶段 1 和阶段 2，弹性波主要由存在微观裂纹区域的加载/卸载力产生。波的来源是剪切力产生的金属部件的微观碰撞。在第 3 阶段，滚动元件与松散零件或新剥落中的角部之间存在更多实际碰撞。在第 4 阶段，当滚动元件遵循损伤轮廓时，弹性波强度降低，而纯振动信号增加。
轴承故障可能还有其他原因，例如润滑介质的污染、小污染物颗粒粘附在轴承表面上导致强弹性波的发射。轴承故障的另一个潜在原因是电蚀，放电在轴承表面上形成特征性的起伏图案。在这种情况下，不会发射弹性波，只能在速度读数中看到损坏。
2、基本物理原理
当两个金属物体碰撞时，例如滚动轴承中的滚子撞击滚道裂纹的角部，或者由于金属部件受到剪切力而产生摩擦时，就会产生弹性波（或压缩波）。这些波在钢中的传播速度通常为 6 000 m/s（20 000 英尺/秒）。空气中的声速为 340 m/s（1 100 英尺/s），比钢中的波慢 18 倍。与源自不平衡、不对中、皮带问题和齿轮啮合的低频信号相比，这些弹性波通常具有非常低的能量水平。弹性波跟随机器结构并被材料界面阻尼。
相比之下，“正常”低频振动信号更多的是质量运动，并且具有明显的方向性，而弹性波可以“在角落传播”（即从非常宽的区域拾取声音）。弹性波可以被视为材料中的“波纹”。在大多数现实世界的机器中，低频信号和弹性波同时出现。
图 3 撞击产生全向弹性波。
对这些弹性波的进一步研究表明，它们是上升和下降时间较短的瞬态信号，因此包含远高于 40 kHz 的非常宽频率范围内的能量。
3、振动能量分布
想象一下，振动传感器安装在靠近轴承负载区域的位置（图 4）。还想象一下，当滚动元件经过外圈上的特定位置时，会对传感器输出信号进行频谱分析。频谱分析所依据的时间范围非常短，仅捕获一个滚动元件通过特定位置时的准确时刻。
图 4 安装在轴承负载区附近的振动传感器。
在健康的轴承中，信号通常完全由低频信号主导，例如不平衡、皮带振动、不对中和类似源。通常，滚动元件和外圈之间的材料界面也会产生极其微弱的信号。微小的（微观的）表面凹凸碰撞并发出微弱的弹性波。这些弹性波比低频信号弱几个数量级。由于这些弹性波非常“尖锐”（上升和下降时间短），因此它们还包含频谱高端的能量。可以说它就像频谱中的“机械本底噪声”。
下面的图 5 显示了当滚动元件靠近健康轴承中的振动传感器时的频谱“快照”。该模式通常完全由低频信号（不平衡、未对准和表示为 1X、2X 的类似源）主导。非常弱的宽带“机械本底噪声”以红色表示。“机械本底噪声”取决于润滑。
图 5 健康轴承频谱
在第一阶段轴承损坏中，当一个或多个微观裂纹扩大时，加载和卸载过程（当滚动元件经过具有微观裂纹的区域时）会产生弹性波。这些波主要源自金属部件相对移动时的小表面碰撞（见图 3）。这些弹性波的能量含量在第一阶段仍然很低，但可以测量。信号模式仍然完全由不平衡和类似来源（表示为 1X、2X）的低频能量主导，见图 6。
图 6 第一阶段频谱
在第二阶段轴承损坏中，微观裂纹已形成裂纹网络。装载/卸载过程会产生更强的弹性波，因为现在表面下有更多的半松散部分，并且相对运动更大。“机械本底噪声”在频谱中有所增长，但仍然很弱。在此阶段，波浪的强度足以触发轴承组件的固有频率。轴承固有频率取决于轴承的尺寸及其安装方式。通常，固有频率可以在 2-6 KHz 范围内找到。
图 7 第 2 阶段频谱
在第三阶段轴承损坏中，裂纹网络导致了更大的松动或半松动零件。弹性波是由滚动元件和零件之间的碰撞产生的。轴承的固有频率现在更强（因为弹性波包含更多能量），并且“机械本底噪声”达到峰值，见图 8。
图 8 第 3 阶段频谱
在第四阶段，剥落已经变成了大坑，在第四阶段结束时，尖角已经全部磨损。滚动元件部分遵循剥落的轮廓，因此产生振动（非弹性波），其频率对应于轴承频率（BPFO、BPFI、BS、FTF）。
图 9 第 4 阶段频谱
参考图 9 中代表轴承频率的红色频谱线（BPFO、BPFI）：如果轴承频率仅出现在第 4 阶段的频谱中，如何能够检测到第 1、2 和 3 阶段的早期损坏？这是一个普遍的误解。当滚动元件经过第一阶段的受损区域时，每次经过该特定位置时，“机械本底噪声”都会增加。通过查看例如 10 kHz 以上的频率并测量升高的本底噪声的出现频率，可以显示轴承频率。另一种描述方式是机械本底噪声由轴承频率调制。
例如，以 1500 RPM 运行的机器的轴承 BPFO = 5.7。这意味着滚动体每秒会在外圈的一个位置上经过 1500*5.7/60 = 142.5 次。这等于 142.5 Hz。下面的频谱是典型的第 1 阶段模式，其中红色机械本底噪声的强度每秒增加和减弱 142.5 次。142.5Hz是外圈信号的出现频率。
图 10 第 1 阶段噪声调制
4、概括
从历史上看，在最好的情况下，使用标准速度读数（即总体速度值）进行齿轮和轴承损坏检测可以在非常晚的阶段揭示严重损坏，从而导致规划范围非常有限。充其量，速度 RMS 值增加的趋势可用于避免意外停止。
添加基于速度读数的频谱分析可以比在最后阶段更早地揭示齿轮和轴承的损坏，但它仍然是一个相当粗糙的工具。
当振动包络在几十年前被引入时，可以比以前更早地检测到损坏，然后就可以讨论实际的预警时间。通过振动包络，即使传感器信号主要由通常源自不平衡力的低频内容主导，也可以提取来自齿轮或轴承的信息。
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