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軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會由于疲勞的原因慢慢的劣化。如圖1 所示，滾動軸承的劣化發(fā)展不是一個(gè)線性過程，而是一個(gè)指數(shù)過程。在不同的劣化階段，故障信息出現(xiàn)在不同的頻帶范圍內(nèi)，所以要采用不同的故障檢測方法。目前工業(yè)領(lǐng)域普遍認(rèn)為滾動軸承的劣化歷程可以分為四個(gè)階段。
圖1 典型的軸承故障發(fā)展歷程
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第一階段，軸承失效初期，如圖2所示。
這個(gè)階段軸承最先在次表面形成微觀裂紋或晶格的錯(cuò)位，而軸承表面則看不到裂紋或者微小剝落，在振動信號的低頻段不會形成比較明顯的沖擊信號，用傳統(tǒng)的加速度傳感器不能拾取到故障信號，但是次表面的微觀裂紋或者晶格的錯(cuò)位會產(chǎn)生聲發(fā)射信號或者應(yīng)力波信號。因此，在這個(gè)階段軸承的故障特征主要體現(xiàn)在超聲頻率段，可以通過聲發(fā)射傳感器或者基于共振的加速度傳感器進(jìn)行拾取，其主要表現(xiàn)為測得的信號峰值或者能量值變大。
圖2 軸承劣化第一階段的振動信號的特征
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第二階段，軸承失效發(fā)展期，如圖3所示。
在這個(gè)階段軸承的微觀劣化開始由次表面向表面擴(kuò)展，并在軸承的接觸表面產(chǎn)生裂紋或微小剝落等損傷點(diǎn)。當(dāng)軸承元件表面與這些損傷點(diǎn)接觸時(shí)，就會形成一定頻率的沖擊脈沖，根據(jù)傅里葉變換可知，短時(shí)的沖擊信號在頻域上是一個(gè)寬頻信號，所以這個(gè)沖擊信號必然會激起軸承零部件的高頻固有頻率發(fā)生共振，從而使得其振動加強(qiáng)，通過加速度傳感器便能將這部分信號拾取到，再利用包絡(luò)解調(diào)技術(shù)便能觀察到軸承的故障特征頻率，到了第二階段的末期還能觀察到故障特征頻率的倍頻。
在這個(gè)階段，軸承的故障特征頻率暫時(shí)被淹沒在低頻段較高的噪音當(dāng)中，因此在故障特征頻率段觀察不到很清晰的故障特征頻率。
圖3 軸承劣化第二階段的振動信號的特征
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第三階段，軸承失效快速發(fā)展期，如圖4所示。
在這個(gè)階段，隨著軸承損傷的加速發(fā)展，損傷點(diǎn)對軸承接觸面的沖擊越來越強(qiáng)烈，在共振頻率段解調(diào)出來的軸承故障特征頻率的倍頻越來越多，而且其周期性沖擊的能量大小已經(jīng)足以直接通過振動信號的功率譜觀察出來，這個(gè)時(shí)候可以直接在振動信號的功率譜上清晰的看到軸承的故障特征頻率，并且其倍頻有越來越多的趨勢。
圖4 軸承劣化第三階段的振動信號的特征
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第四階段，軸承失效末期，如圖5所示。
在這個(gè)階段，滾動軸承已經(jīng)快達(dá)到壽命的終點(diǎn)，損傷點(diǎn)可以通過肉眼觀察到，軸承運(yùn)動的噪音變得特別大，溫度急速的升高。此時(shí)直接功率譜上不僅可以清晰的看到軸承的故障特征頻率及其倍頻，如果損傷點(diǎn)交替的進(jìn)入載荷區(qū)的話，還能在故障特征頻率旁邊看到明顯的調(diào)制邊頻。在第四階段的末期，頻譜上譜線變得不是很清晰，在功率譜上會形成凸出的“茅草堆”，另外高頻振動的能量在這時(shí)還可能不升反降，如果發(fā)現(xiàn)高頻的監(jiān)測量開始下降，不是表面軸承狀態(tài)變好，而是說明軸承已經(jīng)快到壽命的終點(diǎn)。
圖5 軸承劣化第四階段的振動信號的特征
綜上所述，從軸承劣化的四個(gè)階段可以看出，軸承故障特征頻率出現(xiàn)的頻率段以及故障特征頻率是否出現(xiàn)倍頻、是否出現(xiàn)邊頻都一定程度反應(yīng)了軸承的劣化信息，從頻率和時(shí)間的關(guān)系來看軸承的劣化有從高頻到低頻移動的趨勢，先是超聲頻率段測得的信號產(chǎn)生變化，隨著軸承劣化的發(fā)展，共振頻率段的信號通過一定的分析方法可以觀察到軸承的故障特征頻率，最后在 1KHz 以內(nèi)的低頻段信號的功率譜上觀察到故障特征頻率。這說明隨著軸承故障的發(fā)展，其故障特征將逐漸從高頻段到低頻段移動。
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