1、軸承故障的四個階段  

在振動領(lǐng)域，人們普遍認為軸承的剝落過程分為四個階段：從第一個微觀跡象到嚴重損壞的軸承。有些人將過程分為四個以上的階段，并且增量更細，但過程仍然是相同的。

這個過程開始得很慢；階段1和階段2所花費的時間相對于階段3尤其是階段4的時間較長，后期損傷過程速度加快。  

想象一下承載重載的軸承；軸承負載區(qū)域的表面必須長期承受巨大的應力。滾子軸承中滾子與外圈或內(nèi)圈之間的接觸線或球軸承中的接觸點的壓力非常高。軸承設(shè)計用于承受如此大的應力，但即使是新的、優(yōu)質(zhì)的軸承也存在表面缺陷，例如微觀裂紋。當滾動元件通過這些缺陷時產(chǎn)生的巨大壓力，向下壓潤滑介質(zhì)，有時會擴大這些微觀裂紋。當滾動元件軸承中的滾子經(jīng)過這些點時，加載/卸載力作用在這些裂紋區(qū)域上，金屬零件之間的摩擦（或裂紋區(qū)域零件之間的微觀表面接觸）會發(fā)出彈性波。這個過程會導致裂紋擴展。這是典型的第一階段和第二階段行為。    

在第3階段和第4階段，滾動體與松動部件的角部之間的碰撞較多。在第 4 階段，滾動體不再產(chǎn)生很多彈性波；當滾輪因舊的、磨損的剝落落入凹坑時，這更像是一種質(zhì)量的運動。

總結(jié)軸承失效不同階段的彈性波發(fā)射情況：在階段 1 和階段 2，彈性波主要由存在微觀裂紋區(qū)域的加載/卸載力產(chǎn)生。波的來源是剪切力產(chǎn)生的金屬部件的微觀碰撞。在第 3 階段，滾動元件與松散零件或新剝落中的角部之間存在更多實際碰撞。在第 4 階段，當滾動元件遵循損傷輪廓時，彈性波強度降低，而純振動信號增加。

軸承故障可能還有其他原因，例如潤滑介質(zhì)的污染、小污染物顆粒粘附在軸承表面上導致強彈性波的發(fā)射。軸承故障的另一個潛在原因是電蝕，放電在軸承表面上形成特征性的起伏圖案。在這種情況下，不會發(fā)射彈性波，只能在速度讀數(shù)中看到損壞。

2、基本物理原理      

當兩個金屬物體碰撞時，例如滾動軸承中的滾子撞擊滾道裂紋的角部，或者由于金屬部件受到剪切力而產(chǎn)生摩擦時，就會產(chǎn)生彈性波（或壓縮波）。這些波在鋼中的傳播速度通常為 6 000 m/s（20 000 英尺/秒）。空氣中的聲速為 340 m/s（1 100 英尺/s），比鋼中的波慢 18 倍。與源自不平衡、不對中、皮帶問題和齒輪嚙合的低頻信號相比，這些彈性波通常具有非常低的能量水平。彈性波跟隨機器結(jié)構(gòu)并被材料界面阻尼。    

相比之下，“正常”低頻振動信號更多的是質(zhì)量運動，并且具有明顯的方向性，而彈性波可以“在角落傳播”（即從非常寬的區(qū)域拾取聲音）。彈性波可以被視為材料中的“波紋”。在大多數(shù)現(xiàn)實世界的機器中，低頻信號和彈性波同時出現(xiàn)。

對這些彈性波的進一步研究表明，它們是上升和下降時間較短的瞬態(tài)信號，因此包含遠高于 40 kHz 的非常寬頻率范圍內(nèi)的能量。

3、振動能量分布  

想象一下，振動傳感器安裝在靠近軸承負載區(qū)域的位置（圖 4）。還想象一下，當滾動元件經(jīng)過外圈上的特定位置時，會對傳感器輸出信號進行頻譜分析。頻譜分析所依據(jù)的時間范圍非常短，僅捕獲一個滾動元件通過特定位置時的準確時刻。    

在健康的軸承中，信號通常完全由低頻信號主導，例如不平衡、皮帶振動、不對中和類似源。通常，滾動元件和外圈之間的材料界面也會產(chǎn)生極其微弱的信號。微小的（微觀的）表面凹凸碰撞并發(fā)出微弱的彈性波。這些彈性波比低頻信號弱幾個數(shù)量級。由于這些彈性波非常“尖銳”（上升和下降時間短），因此它們還包含頻譜高端的能量。可以說它就像頻譜中的“機械本底噪聲”。

下面的圖 5 顯示了當滾動元件靠近健康軸承中的振動傳感器時的頻譜“快照”。該模式通常完全由低頻信號（不平衡、未對準和表示為 1X、2X 的類似源）主導。非常弱的寬帶“機械本底噪聲”以紅色表示。“機械本底噪聲”取決于潤滑。

在第一階段軸承損壞中，當一個或多個微觀裂紋擴大時，加載和卸載過程（當滾動元件經(jīng)過具有微觀裂紋的區(qū)域時）會產(chǎn)生彈性波。這些波主要源自金屬部件相對移動時的小表面碰撞（見圖 3）。這些彈性波的能量含量在第一階段仍然很低，但可以測量。信號模式仍然完全由不平衡和類似來源（表示為 1X、2X）的低頻能量主導，見圖 6。    

在第二階段軸承損壞中，微觀裂紋已形成裂紋網(wǎng)絡(luò)。裝載/卸載過程會產(chǎn)生更強的彈性波，因為現(xiàn)在表面下有更多的半松散部分，并且相對運動更大。“機械本底噪聲”在頻譜中有所增長，但仍然很弱。在此階段，波浪的強度足以觸發(fā)軸承組件的固有頻率。軸承固有頻率取決于軸承的尺寸及其安裝方式。通常，固有頻率可以在 2-6 KHz 范圍內(nèi)找到。

在第三階段軸承損壞中，裂紋網(wǎng)絡(luò)導致了更大的松動或半松動零件。彈性波是由滾動元件和零件之間的碰撞產(chǎn)生的。軸承的固有頻率現(xiàn)在更強（因為彈性波包含更多能量），并且“機械本底噪聲”達到峰值，見圖 8。    

在第四階段，剝落已經(jīng)變成了大坑，在第四階段結(jié)束時，尖角已經(jīng)全部磨損。滾動元件部分遵循剝落的輪廓，因此產(chǎn)生振動（非彈性波），其頻率對應于軸承頻率（BPFO、BPFI、BS、FTF）。

參考圖 9 中代表軸承頻率的紅色頻譜線（BPFO、BPFI）：如果軸承頻率僅出現(xiàn)在第 4 階段的頻譜中，如何能夠檢測到第 1、2 和 3 階段的早期損壞？這是一個普遍的誤解。當滾動元件經(jīng)過第一階段的受損區(qū)域時，每次經(jīng)過該特定位置時，“機械本底噪聲”都會增加。通過查看例如 10 kHz 以上的頻率并測量升高的本底噪聲的出現(xiàn)頻率，可以顯示軸承頻率。另一種描述方式是機械本底噪聲由軸承頻率調(diào)制。

例如，以 1500 RPM 運行的機器的軸承 BPFO = 5.7。這意味著滾動體每秒會在外圈的一個位置上經(jīng)過 1500*5.7/60 = 142.5 次。這等于 142.5 Hz。下面的頻譜是典型的第 1 階段模式，其中紅色機械本底噪聲的強度每秒增加和減弱 142.5 次。142.5Hz是外圈信號的出現(xiàn)頻率。 

4、概括  

從歷史上看，在***好的情況下，使用標準速度讀數(shù)（即總體速度值）進行齒輪和軸承損壞檢測可以在非常晚的階段揭示嚴重損壞，從而導致規(guī)劃范圍非常有限。充其量，速度 RMS 值增加的趨勢可用于避免意外停止。

添加基于速度讀數(shù)的頻譜分析可以比在***后階段更早地揭示齒輪和軸承的損壞，但它仍然是一個相當粗糙的工具。

當振動包絡(luò)在幾十年前被引入時，可以比以前更早地檢測到損壞，然后就可以討論實際的預警時間。通過振動包絡(luò)，即使傳感器信號主要由通常源自不平衡力的低頻內(nèi)容主導，也可以提取來自齒輪或軸承的信息。