李旭1 李华城2 王璐3
内蒙古工业大学 010080
摘要：滚动轴承应用广泛，旋转精度高，传动性能好。滚动轴承的故障诊断和疲劳寿命预测能有效降低故障概率，缩短检修和维护时间，提高生产效率和工作可靠性。基于此，本文从滚动轴承故障诊断方法和疲劳寿命分析两个方面入手，对故障类型、监测系统、故障诊断、故障分析和疲劳寿命展开综述，旨在推动滚动轴承故障诊断和寿命延长的发展，具有深远意义。
关键词：滚动轴承；故障诊断；疲劳寿命
滚动轴承结构包含四个部分，分别是内圈、外圈、滚动体和保持架，目前已标准化。由于载荷分布不均，滚动轴承内外圈接触应力不同，且滚动体抗冲击能力差，易发生塑性变形，随着使用次数的累积，滚动轴承会发生故障，导致使用寿命缩短，甚至损坏或失效。本文围绕滚动轴承的故障诊断方法和疲劳寿命进行分析综述，目的是为滚动轴承维护与检修领域研究提供新思路。
1.滚动轴承故障类型
因工况复杂，滚动轴承的故障类型种类繁多，主要包含以下五种：
（1）磨损——异物入侵、润滑不良和高负荷运转等所致，影响光滑度和旋转精度，多发生于滚动体与滚道之间，属于最常见的故障；
（2）疲劳——疲劳应力、冲击载荷和装配不当等所致，表现为脱皮或剥落；
（3）断裂——热处理、润滑不良和载荷冲击等所致，表现为麻点或凹坑；
（4）腐蚀——润滑液使用不当和电火花等所致，包括化学腐蚀、点腐蚀和微振腐蚀；
（5）胶合——异物入侵、润滑不良和冲击载荷等所致，表现为凹坑或局部熔合。
2.滚动轴承故障监测及设备
2.1监测方法
对于不同的故障类型，需采用相应的监测方法，主要包含以下四种：
（1）振动分析法——借由轴承座的振动传感器实现振动监测；
（2）声发射法——应力集中引起的塑性裂纹扩展，对释放的弹性波进行监测；
（3）磨损颗粒法——磨损颗粒计数，包括铁谱分析法和颗粒计数器法等；
（4）油膜电阻法——润滑不良会引起油膜破裂，导致内外圈电阻减小，实时监测电阻大小判断是否异常。
2.2监测系统和设备
监测系统工作时，轴承座上的传感器接收周期性脉冲信号，经放大和数模转换，将数字信号输出到计算机，然后使用时频域分析处理信息，并借助神经网络扫描，最终识别故障类型，其系统构成和信号采集流程如下图所示：
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图2信号采集过程中，由联轴器驱动滚动轴承，借助加速度传感器采集振动信号，经放大和数模转换，将数字信号输出到计算机系统以供识别。
随着科技的日益进步，滚动轴承监测设备均配备智能化和自动化系统，其组成部分包括：电机、联轴器、减速器和磁粉制动器等。
3.滚动轴承故障诊断
3.1故障诊断机理
故障诊断是在设备日常运行过程中，对其基本状态进行设别和监控，若发生异常状况，则采取相应的策略予以补救，以免造成更严重的后果。诊断过程的机理通常包含以下三种：
（1）经验模态分解——时域和频域处理方法，能过滤原始信号的杂质，分解得到内在模态函数，实现逐层分离处理，特点是筛选性能强，时频图准确，但内在模态函数分量选择要求高；
（2）经验小波变换——由小波和尺度函数重构而来，特点是形象直观，自适应性强，但信号的细节分析困难；
（3）短时傅里叶变换——基于傅里叶变换公式，可处理时域和频域信号，特点是输出可靠性高，但对时间分辨率和频率的兼容性差；
3.2故障诊断内容
故障诊断主要包含三个方面的内容，分别是检测、预警和追踪。通过采集并处理振动信号，选定故障特征，施行故障提取，根据故障类型确定成因，最后制定相应对策并实施。该过程主要包含以下五个环节：
（1）信息测取——挑选检测参数，采集特征信号；
（2）特征提取——分析特征信号，确定故障点；
（3）状态识别——初步辨识故障类型；
（4）诊断分析——确认故障类型，分析形成原因；
（5）决策干预——预测故障发展方向，拟定方案，进行修复和调整。
4.滚动轴承故障分析
4.1滚动轴承振动机理
引发滚动轴承振动的因素很多，内部因素包含工艺装配、结构组成和设计缺陷等，而外部因素则包含润滑条件和受力载荷等。
4.2故障分析方法
4.2.1时域分析法
时域分析法是在时间坐标轴内，分析并显示信号的组成与特征，包含统计分析和相关分析两种，前者利用幅值域统计指标，后者则利用二阶计量相关函数。该方法运算速度快、信息完整，但精度较低。
4.2.2频域分析法
频域分析法利用傅里叶变换公式，输出包含频率成分和各频段幅值的频谱图，适用于功率谱、包络谱和倒频谱分析。该方法精密度高、可改进，但易受噪音影响。
4.2.3时频域分析法
时频域分析法利用短时傅里叶变换和小波变换等方法，得到信号的时间与频率的关系，并提取局部特征信息。该方法应用范围广、分辨率高，但存在模式混叠问题。
5.滚动轴承故障疲劳寿命
5.1疲劳寿命概念
基本额定寿命：在相同工况下，一组近似相同的滚动轴承，可靠度为90%的寿命（即90%的滚动轴承未出现点蚀破坏前的总转数或小时数）。
5.2疲劳破坏机理
根据最大剪应力理论，滚动轴承发生疲劳失效主要包含两种情形：
（1）点蚀。在外界载荷作用下，滚动轴承表层出现小坑，随着崩裂口扩大，点蚀逐渐扩展，最终滚动轴承丧失工作能力；
（2）表层剥落。一般地，在数百万甚至数千万转后，会出现表层剥落现象，剥落深度极小，肉眼难以识别。
5.3疲劳寿命预测
5.3.1统计分析
基于可靠性理论，运用数理统计方法，确定批量轴承的疲劳寿命，该方法常用，但较为繁琐。
5.3.2L-P寿命模型
在刚性条件下，滚动轴承基本额定寿命满足以下公式：
式中：——额定动载荷；P——当量动载荷；——指数
通过该模型，查表确定当量动载荷与额定动载荷，代入求得基本额定寿命，从而定量衡量轴承的接触疲劳强度。
5.3.3其他寿命模型
除了最常用的L-P寿命模型之外，还有Ioannides-Harris寿命模型、Tallian寿命模型、Schlicht-FAG寿命模型和Keer-Bryant裂纹扩展寿命模型等。
结束语
综上所述，滚动轴承结构复杂，工况多变，运转过程可能出现多种问题，引发故障，造成轴承损坏或失效，导致机器无法正常工作。因此，需选择合适的监测方法和设备，出现异常时采集信号并处理，根据提取的故障特征，运用故障分析方法，制定应对策略。同时，结合滚动轴承疲劳寿命特点，最大程度延长轴承寿命，进而保障机器的持久稳定工作。
参考文献
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李旭，男，汉族，甘肃省庆阳市，1999.10.3，本科在读，职称无，内蒙古工业大学，机械自动化