滚动轴承故障分析的重要性（滚动轴承的噪声分析）

一、噪声产生的机理

从物理上来讲，噪声指的是强度和频率都是没有规律、杂乱无章变化的声音，主要通过对噪声的强弱和频谱分析来进行度量。球轴承的噪声是在内圈旋转外圈固定的条件下，通过声级计所测量的声压级别来进行评定。物体振动会发出噪声，而机械噪声来源于机械部件之间的交变作用力。根据力的传递方式和作用，这些交变力一般可分为周期性作用力、撞击力和摩擦力三个种类。

周期性的作用力会激起机械零部件的稳态振动，同时产生噪声，并以声波形式向四周辐射能量。从原理上说这种稳态振动是很难完全消除的，要控制这种噪声，最根本的办法是消除或减小引起振动的力。

很多机械的噪声主要都来源于机械零部件间的相互撞击，要降低这种噪声首先要减小振动的水平或增加阻尼。摩擦噪声是由于物体之间的摩擦所引起的噪声。产生摩擦时摩擦力大，则振动幅值大。所以减小摩擦噪声的有效方法是减小摩擦力。由以上噪声的分类及其激励表现形式，可将轴承噪声分为∶轴承固有噪声、因设计和工艺加工误差而形成的噪声以及伤痕和夹杂物引起的噪声。

滚动轴承发出噪声的主要原因是由于滚动轴承在转动过程中，在负载作用下，滚动轴承产生变形引起振动而发出的。

二、噪声的分类与产生的原因

1.滚动轴承的固有噪声

假如轴承的各种控制尺寸均为理想尺寸（即内、外滚道和滚动体均为圆，有游隙）并且不存在任何误差，当轴承旋转时也会产生固有噪声，对滚动轴承而言这是其本身固有的一种噪声，是不可避免的。

这种噪声是由于轴承旋转而发生的一种平稳、连续的噪声，它是一个基本噪声。该噪声是由弹性套圈弯曲的固有振动引起的。这种振动在径向和轴向方向上都存在。在数学上可以用卷积分来描述∶设弹性交变力为F（t），系统的阻尼为c，系统质量为m，系统弹簧刚度为k，则系统数学方程为∶

从微分方程的解中可以看出，固有振动引起的噪声的显著特点是：即使回转速度发生变化，但噪声的主频率几乎不变，即主频率与转速无关，但声压级随着转速的提高而增加。可以通过提高套圈端面的平面度、增加套圈厚度等方法使固有噪声得到改善。

2.由设计、加工引起的噪声

这种的噪声是由轴承设计或工艺制造误差造成的。它主要包含以下5种噪声。

（1）滚道噪声

即使使用最先进的加工技术及最精密的加工仪器来加工滚道或滚动体表面，也不可能制作出绝对理想的圆形。即在滚道和滚动体表面总是存在着任意的微小的形状误差，这种误差在宏观上表现为形位误差，在微观上表现为波纹度和粗糙度。由波纹度和粗糙度产生的振动包括一系列的随机脉冲，当轴承旋转时，这些脉冲将引起轴承的"滚道噪声"，这种噪声构成了轴承噪声的主要成分。其实滚道声所激发的声能是有限的，如在正常情况下，优质的6203轴承滚道声为25~27dB。

滚道噪声的特点如下∶

①噪声、振动具有随机性;

②振动频率在1kHz以上;

③不论转速如何变化，噪声主频率几乎不变而声压级则随转速增加而提高;

④当径向游隙增大时，声压级急剧增加;

⑤轴承座刚性增大，总声压级降低，即使转速升高，其总声压级也增加不大;

⑥润滑剂黏度越高，声压级越低，但对于脂润滑，其黏度、皂纤维的形状大小也会影响噪声值。

严格控制套圈滚道和滚动体的圆度、波纹度、粗糙度和滚动体的加工精度，可以显著降低滚道噪声。

（2）滚动体噪声

滚动体噪声是指滚动体相对于滚动面回转、滑动、摩擦及撞击时产生的噪声。该噪声主要发生在滚动体进入和退出载荷区的时刻。当轴承在承受径向载荷的条件下运转时，在轴承内存在载荷区和非载荷区。由于轴承具有一定的径向游隙，所以非载荷区的滚动体与内滚道不接触，但由于离心力的作用其可能与外圈接触。为此，在低转速下，当离心力小于滚动体自重时，滚动体就会下落从而与内滚道或保持架发生碰撞并激发轴承的固有振动而引起噪声。

滚动体噪声的特点如下∶

①使用润滑油润滑时不易产生噪声，使用脂润滑时容易产生，使用劣质润滑脂更易产生噪声；

②常常冬季发生；

③只承受径向载荷且径向游隙较大时也易产生，实际上滚子轴承最容易产生滚动嗓声；

④在某特定范围内也会产生，并且不同尺寸的轴承其速度范围也不同;

⑤可能是连续声亦可能是断续声；

⑥该强迫振动常激发外圈的二阶、三阶弯曲固有振动，从而发出噪声。

（3）保持架噪声

保持架噪声是轴承在旋转过程中保持架的自由振动以及保持架与滚动体或套圈相撞击而发出的。一般情况下这种噪声是由于滚动体和保持架、保持架与引导面之间的滑动摩擦而引起的。保持架和滚动体发生相互撞击而发出的声音具有周期性。当采用滚动体引导保持架时，这种运动的不稳定性较为严重。深沟球轴承的冲压保持架较薄，在径向和轴向平面内的弯曲刚度较低，整体稳定性差，轴承高速旋转时就会因弯曲变形而产生自激振动，从而引起"蜂鸣声"。保持架噪声特点如下∶

①冲压保持架及塑料保持架均可产生；

②不论是稀油还是脂润滑均会出现；

③当外圈承受弯矩时最容易发生；

④径向游隙大时容易出现。

防止保持架噪声措施如下∶

①为使保持架公转运动稳定，应尽量采用套圈引导方式并注意给予引导面充分的润滑。对在高速运转条件下的圆锥滚子轴承的结构给予改进，将滚子引导的L型冲压保持架改为套圈挡边引导的Z型保持架；

②轴承高速旋转时，兜孔间隙（保持架放置滚珠的孔与滚珠之间的间隙）大的轴承其保持架振动振幅远大于兜孔间隙小的保持架振动振幅，所以兜孔间隙取值尤为重要；

③要注意尽量减小径向游隙；

④尽量提高保持架制造精度，改善保持架表面质量，将有利于减小滚动体与保持架发生碰撞与摩擦，从而减小噪声；

⑤积极采用先进的清洗技术，对零配件和合套后的成品进行有效、彻底的清洗，提高轴承的洁净度。

（4）轴承圈的噪声

滚动轴承噪声基本上是由轴承圈的振动引起。其中轴承圈的结构、刚度、制造精度、安装条件、使用情况等因数对其振动影响较大。如果轴承内圈滚道上的径向波纹较大，当滚珠轴承的内圈转动到此处时，滚珠将都处在波峰峰顶，不仅会引起外圈的径向振动，而且还将引起外圈的轴向振动。

（5）尖鸣噪声

该噪声是金属间产生相当剧烈的滑动摩擦时发出的尖叫声，尽管此时轴承温升不高，对轴承寿命和润滑脂寿命也无多大影响也不影响旋转，但其不悦耳声令人不安。承受径向载荷的大型短圆柱滚子轴承常有此噪声。这种噪声可采用减小轴承径向游隙和采用浅度外圈滚道结构来防止。尖鸣噪声特点为∶

①轴承径向游隙大时易产生；

②通常出现在脂润滑中，油润滑则较罕见；

③随着轴承尺寸增大而减小并且常在某转速范围内出现；

④冬季时常出现；

⑤它的出现是无规则、不可预知的，并且与填脂量及脂的性能、轴承安装运转条件有关。

3.由伤痕及夹杂物引起的噪声

该类噪声主要是由不文明生产导致的碰伤、卡伤或由于发生疲劳剥落、锈蚀斑痕以及夹杂物进入轴承工作面引起的。

（1）伤痕噪声

当滚动表面具有裂纹、碰伤、压坑和锈斑时，就会产生周期性的振动和噪声，当转速一定时，其周期保持不变，随着转速的降低，其周期将变长。若滚道有损伤，则会发出连续的声音;若滚动体有损伤，则会发出若有若无的声音，但该声音必定是周期性出现的，其周期与轴承规格、转速及损伤位置有关。该类噪声具有频谱范围宽和能量大的特点，很容易利用FFT（傅立叶快速变换法）技术进行在线监测，到目前为止对该方面的研究比较透彻。近年来，小波变换技术（Wavelet Transform）被广泛地应用到振动频谱的分析工作中，其中心就是浓缩信息，从大量的信息当中提取出弱信号，进行早期诊断。小波变换技术增强了对这种周期性损伤噪声振动的监测和辨别能力。

（2）摩擦噪声

摩擦噪声是指滚珠轴承上的异常噪声，通常出现在较大型的轴承上，特别是采用脂润滑的轴承，当润滑性能不好时更容易发生。此外轴承在只承受径向载荷而径向间隙又比较大时也容易产生摩擦声。摩擦声的发生是不稳定的，有时连续发生，有时间歇发生，而且随转速的变化而不同。并且该噪声只发生在一定的转速范围内，而该转速范围因轴承型号不同而不同。实验研究表明，滚动轴承摩擦声的产生不仅与润滑油性质有直接关系而且与轴承外滚道的加工质量也有关系。

滚动轴承产生机械振动和噪声的原因除上述分析的几种情况外，还与轴承环的几何形状、波纹度、偏心量、滚道的振摆以及滚动体的圆度及几何形状等因素有关。当滚动轴承滚道表面或滚动体上出现毛刺伤痕、锈斑等缺陷时，轴承在运转过程中将产生应力变化，从而引起高频振动。这些缺陷如果出现在滚道上，产生的噪声往往是连续的;如发生在滚动体上，噪声则是周期性的时有时无的。滚动轴承中如落入杂质和颗粒状灰尘，也可能使其发出不稳定的噪声。轴承的径向间隙也是引起噪声的因素。实践表明∶间隙过小会发出音调较高的噪声，间隙过大则会产生较大的轰鸣声。对于高速旋转的轴承来说，保持架周围的空气扰动对噪声影响较大，设计时应重点考虑。

（3）夹杂物噪声

夹杂物噪声是指在轴承的运转过程中由于各种灰尘、铁屑等杂质侵入轴承工作面而造成的非周期性的振动和噪声，具有随机性。尤其是小型和微型轴承对它十分敏感。当有污物存在时，不仅会损伤滚动面，而且还会降低轴承使用寿命。

防止污染物噪声措施如下∶

①采用高纯净度润滑剂；

②改进清洗方法，提高轴承洁净度；

③提高轴承部件密封性能等措施予以防止；

④加强文明生产及轴承的保养。

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