电机轴承机械和电气振动测试

序言

绝大多数旋转设备都需要依靠滚动体轴承（REB）才能继续成功运行。 滚动体轴承的功能是承受轴的载荷，对轴进行内部定位，并将旋转部件与非旋转部件分开。

在滚动体轴承故障扰乱运行或影响产品质量之前对其进行识别，是大多数预测性维护计划的基础。 通过定期对设备运行结果进行调查和评估，可以在轴承故障演变成灾难性故障之前发现它们。

多年来，这些调查通常都是通过机械振动分析 (MVA) 非常可靠地进行的。 目前有多种方法可用于识别滚动体轴承的故障。 本文将尝试从机械振动分析到电气信号分析 (ESA) 来确定这些方法。

简介

本文介绍了大多数滚动体轴承在典型疲劳失效过程中经历的 4 个失效阶段。 报告还讨论了如何利用振动分析、信号包络、超声波检测和电特征分析来识别滚动轴承的故障阶段。

由于滚动轴承的成本相对较低，可靠性高，因此是工业中最常用的类型。 然而，由于间隙很近，表面抛光程度很高，轴承故障时有发生。 对这些故障的纠正几乎总是完全更换故障轴承。

轴承制造商提供了非常详细的维护、润滑和操作程序，以最大限度地延长这些非常重要的机器部件的使用寿命。 遵循这些做法可以延长轴承寿命。 此外，”精密维护 “实践证明，延长轴承寿命是可能的。 与过去相比，精密维护只需很少的额外工作，就能将轴承寿命延长 5 到 10 倍。

然而，由于运行环境、非精密公差、装配错误甚至设备本身的运行，这些轴承确实会出现故障。 如果故障在完全失效前被发现，所造成的损坏和维修通常很小，仅限于更换轴承本身。

最终的结果是一个或多个主要轴承部件因疲劳而失效。

轴承故障的原因

据一家大型轴承制造商估计，约有 16% 的轴承故障是由不当处理造成的。 这是由于轴承储存、运输或安装不当造成的。 其余 84% 的滚动轴承在安装时没有缺陷。 在此阶段，没有轴承故障的迹象。 如果在轴承初始运行时出现故障指示器，通常是轴承配合或装配问题。

36% 的 REB 故障是由于润滑不良、润滑过度、润滑不足、润滑剂错误、润滑剂混合或润滑油膜太薄造成的，通常是由于轴运动（振动）过度引起的。

34% 的 REB 更换是由于运行、不平衡、不对中造成的，在某些情况下，轴承的更换是由于其他维护要求，如预防性维护计划。

最后 14% 因污染而失败。

更换轴承

与滚动体轴承故障相关的主要问题是：”何时应该更换轴承？

这只能由工厂来决定。 故障是否会影响产品质量？ 是否会影响工厂运行？ 替换轴承的供应情况如何？ 为了更准确地评估轴承的状况以及更换轴承的最佳时机，了解轴承故障的各个阶段非常重要。

轴承故障阶段

为了更好地了解轴承故障，一家大型轴承制造商开展了轴承故障原因研究。 他们的研究表明，滚动体轴承在其使用寿命中大约有 80% 的时间是无缺陷的。 当故障发生时，一般会有 4 个不同的故障阶段。

第 1 阶段：滚动体轴承故障通常发生在表面以下。 它们通常从滚道表面下千分之 4 至千分之 5 英寸（0.1 至 0.125 毫米）处开始。 此时，估计轴承的剩余寿命为 10%至 20%。

第 2 阶段：随着故障的发展，故障部件表面会出现微小凹坑（< 40 微米）。 这被认为是第二阶段，估计轴承寿命还剩 5% 到 10%。

第 3 阶段：故障进一步发展导致最初的剥落、开裂和/或剥落，这通常与滚动体轴承故障有关。 轴承寿命还剩 1 到 5%。

第 4 阶段：当出现多处裂缝、过度剥落或剥落时，这是轴承故障的第 4 阶段，也是最后阶段。 通常情况下，滚动体开始变形，保持架可能会解体或断裂。 轴承寿命还剩 1%至 1 转。

大多数维修人员选择在第 3 阶段更换轴承。 虽然故障很明显，但损坏仍局限于轴承本身。 在第 1 阶段，几乎不可能识别出缺陷，因为缺陷在表层下。 在第二阶段，肉眼看不到缺陷，需要放大镜等放大设备，甚至可能需要显微镜才能识别缺陷。

如果轴承达到第 4 阶段，则应立即停止机器运转并更换轴承。 继续运行机器最终会导致轴承完全失效。 这类故障会导致机器停用，并发生灾难性故障，通常会对机器造成过度损坏。

为什么需要对滚动体轴承故障进行预测性维护

预测性维护计划是根据研究得出的，89% 的故障是随机发生的，68% 的故障是在安装或维修后立即发生的。 一般来说，这意味着通过执行日常预防性维护检查和任务，发生故障的概率实际上会增加。

有效的预测性维护计划利用机器的运行状况来确定何时需要进行维护。 最有效的计划能够识别预测性维护的三个阶段：检测、分析和纠正。

检测阶段：检测阶段是最重要的阶段，因为它用于识别机械故障。 有效的预测性维护计划可以在故障发生之前，在有足够的剩余时间维修或更换轴承的情况下识别这些故障。 检测阶段的理念是快速调查尽可能多的机器。 检测阶段可识别任何潜在的轴承故障。 这些调查进行得越快，就能调查更多的机器，从而使计划更加有效。

注：大多数成熟的预测性维护计划在每次调查中能发现 1% 至 2% 的新问题。 也就是说，如果对 300 台机器进行调查，只能发现 3 到 6 个新问题。

分析阶段：分析阶段可能需要额外的测试，甚至需要另一种技术来确定故障的严重程度和原因。 这通常是预测性维护计划中最耗时的部分。 如果在检测阶段采集不到足够的数据来进行准确分析，就会在检测过程中浪费宝贵的时间。 这实际上减少了能够进行勘测的机器数量，或增加了执行任务所需的人力。 这就降低了 PdM 计划的有效性。 也就是说，检测阶段的理念是快速调查尽可能多的机器。

修正阶段：校正阶段要求更换或修复故障，并验证校正结果。 这也是纠正故障原因的理想时机。

预测性维护仪器

有效的 PdM 仪器应便于携带、重量轻，并能进行可重复的非破坏性测试。 有许多不同的技术和仪器可以完成这一非常重要的过程。 然而，目前还没有一种测量方法或技术能对滚动轴承故障提供 100% 的洞察力。 此外，现有的许多技术都能很好地检测滚动体故障，但在识别机器组内的其他故障方面能力有限。

电特征分析

事实证明，在预测性维护计划中非常重要的检测阶段，电气信号分析 (ESA) 是识别轴承初期故障的非常有效的工具。 此外，ESA 还能检测电机系统内无法用机械检测方法检测到的故障。 本报告将尝试在滚动轴承故障分析过程中准确定位ESA。

确定轴承缺陷的严重程度

与大多数其他机械振动故障不同，故障频率处的频谱峰值振幅并不能准确显示轴承故障的严重程度。 光谱峰的振幅会根据缺陷的位置、平衡或对齐条件以及缺陷的大小和类型而变化。 此外，机械信号还可以通过共振进行放大。 在许多情况下，频谱峰值的振幅实际上会随着故障的恶化而减小。

有资料表明，确定滚动轴承故障严重程度的最有效方法是确定故障产生的信号频率。

滚动体轴承故障频率

每个转子和轴承的组合都是一个独特的系统；因此，要精确确定每个轴承故障阶段所产生的频率极为困难。 每个转子轴承系统的独特性不仅在于轴承的几何形状和间隙，还在于轴和轴承以及轴承座之间的机械配合。 轴的直线度或锥度以及轴和轴承座的同心度可能会在早期阶段改变轴承的故障响应频率。

以下是各轴承故障阶段的故障以及各阶段故障产生的频率范围。 我们将关注目前可用的各种测量和信号处理技术，以帮助在每个故障阶段识别这些故障。

第 1 阶段：（剩余寿命为 10 – 20）

承载断层第一阶段发生的地表下开裂会产生 300 至 500 kHz 范围内的低振幅应力波。 事实证明，专用传感器和信号处理技术可以在第一阶段就成功识别故障。 然而，在大多数应用中，这只是故障过程的早期阶段，对轴承内部故障进行物理验证极为困难。

这也是一种需要专业技术的专门技术，回报有限。 据估计，当出现第 1 阶段故障时，轴承大约 80% 的使用寿命已经耗尽。

注：一旦表面下开裂开始，故障就已经开始，轴承的完整性就会受到影响。 从这一点来看，唯一的结果就是轴承完全失效。 请记住，轴承 “不会自行修复”，而且故障总是越来越严重

第 2 阶段：（剩余寿命为 5 – 10%）

随着故障的恶化，表层下的裂纹开始向表面迁移，并在故障部件的表面造成微观点蚀

在第 2 阶段故障的早期阶段，微小凹坑产生的冲击会导致轴承部件以其固有频率振动。 这些自然频率在 30 至 60 千赫范围内。

冲击脉冲监测、尖峰能量和其他超声波技术等专业测量技术依靠振动传感器的固有频率产生共鸣。 在共振状态下操作换能器可将这些极小的缺陷信号放大到可用范围。

共振常常被误解为机械系统的一种特性。

自然频率：所有弹簧系统都有自然频率。 系统的自然频率是系统受到冲击时的振动频率。 一次撞击将导致系统以其固有频率振荡，然后衰减。 冲击力会导致质量块偏转，而弹簧会使其回到原来的位置。 这种振荡的频率由弹簧系统的质量（m）和弹簧（k）关系决定。

如果对频率接近弹簧系统固有频率的弹簧系统施加重复力，那么每次振荡时，力的作用方向将与运动方向相同。 这将导致在对质量施加每个周期的力时，系统运动都会增加。

这种情况通常被称为共振。 共振条件的结果是，所产生的运动将比施加不接近固有频率的力时放大 10 到 15 倍。

随着故障的发展，部件的刚度会减小，从而降低部件的固有频率。 这使得信号频率更接近传感器的固有频率（25 千赫）。 随着故障频率越来越接近固有频率，传感器的输出会进一步增加。 事实证明，这些方法非常有效，当轴承开始出现故障时，这些数值就会发生变化，但机器系统内的其他故障也会导致这些频率的增减。

还开发了其他信号处理技术，如加速包络、ESP 和峰值检测，以便在早期阶段更精确地识别轴承故障。 事实证明，这些方法非常有效，但在检测其他类型故障方面的能力也很有限。

当信号出现在 30 至 60 kHz 频率范围内时，轴承就属于早期第二阶段缺陷。

随着第 2 阶段故障的发展，信号强度会增加。 这种较强的信号会激发系统的固有频率。 系统固有频率包括轴和轴承系统。 系统和轴承固有频率与机器速度无关，但受转子和轴承支撑质量和刚度的影响。 质量的增加导致系统固有频率低于轴承部件的固有频率。 系统固有频率一般在 500 赫兹到 2000 赫兹之间。 信号的强弱取决于旋转轴的平衡或对齐状况，以及故障与传感器之间的位置关系。 在许多情况下，这些信号被掩盖在机器的背景振动中。

电气信号分析 (ESA) 通常能在此阶段识别轴承故障；在某些情况下，ESA 甚至能比某些专业机械技术更早识别故障。

欧空局通常在第 2 阶段就能发现潜在的轴承故障。 ESA 通过定位中心频率周围线路频率（通常为 50 或 60 赫兹）的频谱峰值来识别机器故障。 电流频谱中出现但电压频谱中没有的线路频率边带表明故障来自机器或流程。 在某些情况下，在大多数标准机械监测方法显示出问题之前，这些信号就已经出现在电气特征中了。

该频谱显示轴承故障频率约为 2500 赫兹。 它出现在电流频谱中，但不出现在电压频谱中，这表明能量是从电机系统或被驱动机器中增加的。

当信号出现在 500 到 2000 Hz 范围内时，轴承就属于第二阶段后期缺陷。

第 3 阶段：（1- 5%剩余寿命）

随着轴承故障的恶化，故障部件表面会出现裂纹、剥落、剥落、孔洞或其他缺陷。 这些都是大多数维修人员所熟悉的缺陷。 这是在目测轴承时首先能目测到缺陷的情况。 在这个阶段，可以听到轴承发出噪音。

这些故障会导致信号强度足够强，从而在振动频谱中产生通常称为轴承缺陷频率 (BDF) 的信号。 这是在故障范围内，通过振动标准速度或加速度测量可首次确定轴承缺陷的点。 如前所述，”如果出现这些信号，说明轴承有缺陷”。

轴承缺陷频率取决于轴承的几何形状。 其中，如果问题出现在外侧滚道上，则缺陷会产生信号 BPFI 来自内侧滚道 BSF 是滚动体频率 FTF 是基本列车频率；这是保持架组件的旋转速度。

轴承缺陷频率的产生

当轴旋转时，会使内滚道与轴一起旋转，保持架组件（FTF）以小于轴旋转速度的速度绕轴旋转。

当外滚道出现故障时，每次滚动体在缺陷上滚动时都会产生冲击。 缺陷造成的冲击将导致轴承以轴承部件的固有频率（30 至 60 kHz）或轴承系统的固有频率（500 至 2000 Hz）振动。

在滚动轴承分析中，撞击频率被称为轴承重复率，或更常见的轴承缺陷频率 BDF。 外滚道频率通常称为 BPFO，即滚珠通过频率（Ball Pass Frequency Outer race）。 信号的振幅不仅取决于缺陷的大小，还取决于缺陷与传感器位置的关系、轴承配合的松紧度以及机器的平衡和/或校准状况。 换句话说，与平衡状况较好的机器相比，不平衡程度较高的机器会产生较大的冲击力。

如果故障发生在内滚道上，它就会随着轴的旋转在负载区内滚进滚出。 当冲击发生在负载区时，信号强度将大于故障发生在负载区对面时的信号强度。 请注意，响应频率将是轴承的固有频率，而冲击频率将是 BPFI 球通过内圈的频率。

冲击振动与强制振动：

强迫振动是指先向一个方向施加力，然后立即向相反方向施加力。 然后不断重复这个循环。 系统对强迫振动的响应是与外加力频率相同的运动。 通过识别作用力的频率，就能确定力的来源。 例如，如果一台机器的振动速度与轴的旋转速度相同，那么就很容易确定振动力的来源是轴。

当施加一个力（如冲击力）时，就会产生冲击振动，然后在下一次冲击之前出现一个时间间隔。 对冲击力的振动响应会导致质量以其固有频率振动。 在冲击型振动力中，运动频率并不能确定振动源，因为它是以其固有频率振动的。 要确定影响的来源，就必须确定影响的频率。 频谱显示的是响应频率，而不是冲击频率。

了解轴承缺陷频率

轴承缺陷频率取决于轴承的几何形状：Pd 是间距直径。 测量方法是从一个滚动体的中心线到正对面滚动体的中心线。

Bd 代表球直径

Nb 代表滚动体数量

接触角(Ø) 是指内滚道与外滚道之间的关系。 深沟球轴承的接触角始终为 0 度，推力球轴承的接触角为 90 度，角接触球轴承、调心滚子轴承和类似类型轴承的接触角因轴承设计而异。

这些信号产生的频率取决于轴承的几何形状和轴速。 轴承和仪器制造商发布的表格中列出了这些预期或（计算）频率。 这些频率非常精确，通常精确到 1/100 转轴。 即 BPFO = 4.68 倍，BPFI 7.32 倍运行速度。

1) 它们通常是转速的非整数倍。 这对于将它们与其他机械故障区分开来非常重要，因为其他机械故障总是以运行速度的精确倍数发生。

2) 计算出的缺陷频率通常并不精确。 计算公式基于滚动体绕轴滚动 360 度这一事实。 然而，经验表明，滚动体在载荷区滚动，但往往会在载荷区外打滑。 因此，计算出的频率通常会与测量频率不同。 实际缺陷频率的差异一般在计算频率的 5% 到 10% 之间。

3) 如果将 BPFO 和 BPFI 频率相加，它们总是等于滚动体的数量。 即 BPFO 4.68 倍，BPFI 7.32 倍，Nb 等于 12。 根据经验，BPFO 约等于 Nb X 0.4，BPFI 则为 Nb X 0.6。

4) 信号的振幅并不表示轴承故障的严重程度，更重要的是表示故障发生的频率。

欧空局频谱中产生的 BDF 频率通常与机械频谱中的频率相同。 不过，这些频率在欧空局频谱中出现的时间往往早于机械频谱。 这是因为电机转子位置的微小变化也会导致电机电流的变化。 转子位置的这些微小变化可能不会导致轴承支撑系统振动。 这种振动需要振动测量系统来检测。

当信号出现在 BDF 或 2 倍 BDF 或 3 倍 BDF 等倍率处时，轴承即为早期 3 级缺陷。

在第 3 阶段，随着缺陷继续恶化，缺陷频率的振幅将开始调制或截断。 这将导致频谱在 BDF 附近产生边带或 BDF 的谐波

当 BDF 周围出现边带或出现一系列谐波时，轴承就属于第三阶段后期缺陷。 建议拆卸轴承。

使用 ESA 检测第 3 阶段滚动体轴承缺陷的规则与振动分析相同。 最重要的是，它们是缺陷频率，如果存在缺陷频率，轴承就有缺陷。

第 4 阶段：（剩余寿命的 1% – 1 次革命）

随着缺陷的恶化，会出现多处裂缝、剥落孔洞或剥落。 滚动体可能会变形，保持架可能会解体。 在这一阶段，大部分（如果不是全部）轴承故障迹象都会消失：BDF 频谱峰值、边带和谐波。

但是，由于轴在轴承内移动的自由度更大，因此运行速度（1X）力会增加。 此外，由于生成的频率不再以完全相同的时间间隔出现，整个频谱的本底噪声可能会增加。

当先前的频率消失，频谱的本底噪声或 1 倍运行速度下的信号增加时，建议立即将机器停用，因为轴承随时可能完全失效。

电子信号分析在检测滚动体轴承故障中的作用

大多数滚动体轴承故障可在第 2 阶段通过电气信号分析发现。

ESA 使用电机气隙中的磁通量变化作为传感器。 在许多情况下，ESA 早在第二阶段就能发现滚动轴承故障。 这些故障已通过加速包络法得到确认。 欧空局频谱中的频率与使用加速包络法时的频率相同。

ESA 通过定位中心频率周围线路频率（通常为 50 或 60 赫兹）的频谱峰值来识别机器故障。 电流频谱中存在但电压频谱中不存在的线路频率边带表明故障来自机器或过程。

出现在 ESA 频谱中的轴承缺陷频率谱峰将与振动频谱中的频率相同。 此外，BDF 信号出现在电子频谱中的时间与出现在振动频谱中的时间大致相同。 在这两种情况下，轴承都出现了第 3 阶段故障。

在这个欧空局电流频谱中，第 3 阶段缺陷出现在 35374 的 BPFI 处，边带为 3000 CPM（50 赫兹）。 在系统 70748 CPM ≈1179.13 Hz 附近，它还会以 2 倍于其 BPFI 的线频（50 Hz）边带出现。

50 赫兹边带也有次同步边带，这表明故障发生在第三阶段后期。

此外，请注意频谱峰值的宽基底，这表明每个样本的测量频率并不完全相同，这也是第 3 阶段后期故障的迹象。 通过振动速度测量验证了这一故障。 振动频谱中的频率与电流频谱中的频率相同。

请注意顶部频谱中电流频谱的频谱峰值；这些峰值在下面的电压频谱中并不存在。 这表明故障来自电机或负载。

随着缺陷的发展，会在 BPFO 或 BPFI 周围出现线频边带。

总结

滚动轴承故障的识别是任何包含旋转设备的工厂成功运行的关键过程。 电气信号分析为工厂提供了额外的工具，不仅能快速识别电机内部故障，还能及早发现滚动轴承故障。

电特征分析（概述）

电气信号分析 (ESA) 是一种在线测试方法，在电机系统运行时捕捉电压和电流波形，然后通过快速傅立叶变换 (FFT) 由提供的软件进行频谱分析。 通过该 FFT，可检测出与输入电源、控制电路、电机本身和驱动负载有关的故障，并可对其进行趋势分析，以实现基于状态的维护/预测性维护的目的。

ESA 测试可为交流感应和直流电机、发电机、绕线转子电机、同步电机、机床电机等提供有价值的信息。 由于 ESA 对许多人来说都很陌生，下图说明了 ESA 对交流感应电机系统内主要组件的评估。

简历

William Kruger 从事预测性维护工作已近 40 年。 他毕业于美国海军核动力学校，并获得圣地亚哥州立大学学士学位。 他第一次接触预测性维护是在一艘 SSBN 潜艇上操作振动程序时。 他在圣地亚哥天然气和电力公司工作了 10 年，并在那里启动了预测性维护计划。 之后，他在 Spectral Dynamics 公司的 DYMAC 分部担任应用工程师。

过去 20 年来，Kruger 先生一直专注于预测性维护领域的培训。 他曾是 Update International 的高级讲师。 Kruger 先生曾在六大洲举办过培训课程，以其实用的机械分析方法和以通俗易懂的原理和演示介绍复杂技术材料的能力而闻名于世。

Kruger 先生目前是 ALL-TEST Pro 的技术支持和培训经理。 他撰写了多篇技术论文，并在各种会议上发表演讲，包括振动研究所、EPRI、加拿大纸浆和造纸博览会以及国际维护会议。 他是 ASME、振动学会、ANST、电气和电子工程师学会以及许多其他专业组织的成员。