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摘要：在当代电力机械设备中，滚动轴承是其中一项不可或缺的重要组成部分，它支撑着设备中的旋转结构，它的运行状态将决定转动部件的效率和安全，因此机械设备运行中要对滚动轴承进行故障诊断分析若有故障要及时维修或更换，这样可以避免系统工作过程中关键部件损坏。通过对滚动轴承的振动信号特征进行分析以此诊断出滚动轴承的故障，这样有助支撑于实现滚动轴承的故障预先判断。
关键词：滚动轴承；故障
1滚动轴承的组成
从滚动轴组织结构来看，主要是由外圈、内圈、保持架以及滚动体四部分共同组成，其主要优点：摩擦阻力小、启动快、效率高；安装简单、维修难度低；制造成本低。在滚动轴承实际运行过程中，受内外各种因素影响如润滑不良、异物或水份侵入、装配不当以及部件腐蚀等现象时有发生，极大的削弱了轴承运行效应。一般情况下，即使润滑、安装、使用与维护等部分能够按照常规条件运行，但随着应用时长的累积轴承运行产生怠倦及磨损等现象，影响机械设备的正常运转。
2滚动轴承故障及特征频率
2.1滚动轴承发生的故障
目前，滚动轴承应用过程中磨损及损伤两种故障形式较为常见，而从产生原因来看两者存在较大区别，具体差异如下：
一方面，磨损故障。通常，当轴承零部件遭受磨损其后果将直接导致整个设备磨损现象的产生。其主要特点为振动波形变化无一定规律，极强的随机性，但对于磨损程度的判断，往往以频带振动幅值变化为依据，具体表现形式为两者间隙不断增大，振动增强；
另一方面，损伤故障。这一故障的形成主要集中在轴承元件表面，当损伤故障产生时引发突发性冲击脉冲力的可能性较高，引起轴承和设备共振，表现形式为滚珠、滚道等表面点蚀，金属剩落或擦伤。、
与其他故障类型不同，磨损故障的形成与发展是一个不断累积的过程，可根据规定时间内所检测到的轴承总量作为主要分析及预测标准，且由于损伤类故障的较强的突发性，同时危险等级较高，早期症状很难识别，因此我们对故障诊断要更加重视。
2.2滚动轴承故障特征频率
在滚动轴承的实际运行过程中，受轴承元件表面损伤点对相邻元件表面反复撞击的影响，形成了极富周期性质的振动冲击，一般冲击性振动所产生频率保持在1KHz以下。而在精确计算内、外圈旋转和固定等特征时，需严格遵循相关计算公式。具体如表1所示。式中：fr为轴旋转频率；N为滚子个数；d为滚子直径；D为轴承节径；α为轴承的压力角。
表1滚动轴承故障率计算公式
3滚动轴承的振动信号特征
3.1正常滚动轴承的振动信号特征
当滚动轴承处于正常工作运转情况时，一旦承载结构产生周期性变化或者误差频繁等现象，将在某种程度上增加振动和噪声的复杂性故障的产生几率。而当滚动轴承所处位置不同，其所能够承载的滚子数量不同，从而引起轴心的反复波动，此时振动期率为Nfoc；倘若轴承间存在过大偏心或者间隙过大时，轴承振动将成为必然，其频率为nfr（n＝1，2，3…）；若滚子大小不均匀时，将对轴心造成严重刺激，引发其周期性摆动，其振动频率为fcc和nfcc±fr（n＝1，2，3…）。在滚动轴承正常工作过程中，因振动能量小的缘故，其受振动能量影响的可能性相对较小。
3.2故障滚动轴承的振动信号特征
发生磨损故障的滚动轴承随着动轴承各部件逐步磨损，滚动轴承元件振动加速度峰值及其均方根值会缓慢上升，发生振动的信号出现较强的随机性。若滚动轴承不产生疲劳剥落则随着其磨损的加剧，振动信号的幅值将在原来基础上不断成倍提升。
发生损伤故障的滚动轴承：滚动轴承零件表面若产生疲劳剥落坑，这时周期性冲击脉将滚动轴承激烈撞击条件下形成，且容易在在碰撞发生位置形成快速的冲击力，从某种程度上来看看，碰撞点加速大小将随着滚动轴承疲劳损伤程度增加或降低，同时滚动轴承构件变形将产生自由衰减振动，振动频率为构件固有频率。在剥落坑处发生严重碰撞时，滚动轴承所产生的冲击脉冲通常宽度相对较小，但频谐宽度却很宽。因此，即使在滚动轴承处于疲劳损伤状态时，仍有较为宽泛的频率范围，能够自主产生对滚动轴承和传感器系统之间固有振动的有效刺激。
滚动轴承疲劳剥落损伤故障有着十分典型的振动信号，一般情况下碰频率可以与滚道上通过频率fic（内圈）或foc（外圈），或滚动体自转频率fbc划等号。这样就可以给出滚动轴承局部损伤故障的数学模型。如内圈滚道点蚀故障可以用简单的数学模型表示：
Sb（t）＝sin（2πfict）[1＋Asin（2πfr）]
式中：（1＋Asin（2πfr））为轴旋转振动对故障信号的调制。
4滚动轴承振动信号的频谱结构分析
在滚动轴承运转过程中，若在各部分元件发生损伤故障时，引发周期性脉冲击力的可能性将不断增大，其脉冲响成是一宽频带信号，将激起高频区加速计以及其他机械结构较大的谐振频率。通过对共振解调方法的有效应用，可实现对滚动轴承故障率信号的有效解调，使其朝着规定方向发展，进而从根本上促进和推动滚动抽成故障信号就信噪比的全面提升。滚动轴承按照振动频率主要可以分成三部分。
低频段频谱（1KHz以下）。经过对滚动轴承低频振动频率的深入分析得知，轴承故障和加工误差是引起振动频率的两种主要影响因素。在对滚动轴承进行监测时，可充分借助低频段的谱线进行综合诊断。但在其具体应用过程中，易受外界因素影响，如，机械零件、其他结构等等，在故障首次发生后，其对局部损伤故障信息反映的特征频率成分及信号能量相对较小，难以覆盖因磨损所产生的噪音，因此对于滚动轴承早期故障的监测及诊断，低频段频谱效果不明显。但在深入分析低频段频谱后，可对滚动轴承其他故障进行有效检测，如，装配不对中、保持架变形等等。
中频段频谱（1KHz～20KHz）。低中频振动频率在滚动轴承中表现主要集中因轴承元件表面磨损或损伤所导致的一系列股固有件振动频率。在这一频段内对振动信号分析可以较好地诊断出滚动轴承的局部损伤故障。一般用共振解调技术获得信噪比比较高的振动信号来分析滚动轴承故障。
高频段频谱（20KHz以上）。若运用40KHz以上谐振频率加速度传感器对滚动轴承振动信号进行测量，且因滚动轴承损伤所引起的20KHz以上的损伤冲击频率同样可完成能量分布，所以在信号测量过程中可检测到20KHz以上的高频成分。针对性的分析高频信号，实现对滚动轴承相应故障的深度诊断与监测。在诊断滚动轴承故障时，频谱分析法的应用频率相对较高，且由于滚动轴承异常复杂的振动频率，除涉及低频成分外，还在某种程度上受高频成分影响，不同故障所对应频率成分差异明显。因此，在频谱分析工作实际开展前，应采用更加科学、合理的信号处理方法，确保不同频率成分的相互分离，并深入分析其频率，进行对信号的特征频率进行有效整理与总结，实现对滚动轴承故障位置、原因及类别的综合判断。
作者简介：
史学家（1995.11—），男，汉族，河南平顶山人，技术员，学士，主要从事机械设备运行管理。
史思思（1988.7—），女，汉族，河南平顶山人，技术员，学士，主要从事机械设计制造行业。