第1章 绪论
1.1 滚动轴承基础知识
1.1.1 滚动轴承的特点与重要性
滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，特殊情况下可以无内圈或外圈，由相配的主机零件或轴承座代替。起支撑作用的滚动体在套圈滚道上滚动，实现轴与座机的相对旋转、摆动或往复直线运动，减小了支承摩擦。保持架将滚动体均匀地隔开，并对滚动体的运动起引导作用。分离型轴承的保持架将滚动体结合成一个组件，既便于安装，又能防止严格分组的滚动体相互混淆。
滚动轴承适用于不同的工作环境[1]，例如，高档数控机床电主轴的高速运行环境；炼钢设备中的高载荷、高温和粉尘环境；土方工程和农业机械中的易脏环境；性命攸关的航空动力传输系统；深空极端高-低温和真空环境等。在以上领域中，滚动轴承均得到了很好的应用。滚动轴承与滑动轴承相比，有如下优点：
(1)摩擦力矩小，摩擦损耗低，启动摩擦力矩略高于旋转摩擦(动摩擦)力矩。
(2)在一定范围内，载荷、转速和工作温度的改变并不影响滚动轴承良好的性能。
(3)润滑和维护保养容易，可以省去昂贵的润滑系统。某些滚动轴承还具有长寿命、自润滑的功能。
(4)大多数滚动轴承能同时承受径向和轴向联合载荷。
(5)滚动轴承的轴向尺寸小于流体动压轴承的轴向尺寸。
(6)滚动轴承外形尺寸已国际标准化，互换性好，替换方便。
(7)滚动轴承易实现专业化大规模生产，生产成本低。
滚动轴承作为*重要的承力传动部件，广泛应用于军事国防、交通运输、民生作业等旋转机械设备中。在很多应用场景中，工况复杂、载荷多变、滚动轴承润滑条件变化、装配及材料和结构尺寸误差等不确定因素，使得轴承故障敏感多发和失效形式复杂多样，特别是在某些极端工况下，主要失效形式包括疲劳剥落、裂纹、点蚀、断裂、磨损、擦伤、胶合、烧伤、腐蚀、压痕以及打滑等。据统计，旋转机械中30%的故障是由轴承故障引起的，而滚动轴承故障中有超过90%是由内圈和外圈故障引起的[2]。究其根源是轴承元件在苛刻的运转工况下表现出来的动态不稳定性，如保持架涡动、滚动体打滑和歪斜等，使得轴承在运转过程中剧烈发热和产生较大的磨损，进而会给整个转子系统带来额外的不确定性振动，然后反过来会加速轴承的损坏，严重影响设备的寿命和可靠性[3-5]。
汽车工业集中了各种新材料、新技术和新设备等先进技术，代表了一个国家制造业发展的水平，对国家的总体经济发展有重要的战略意义[6]。汽车可以看成由多个子系统组成的一个复杂振动系统，包括发动机、变速箱、传动系统、悬架等，其中传动系统占据很重要的位置，它在汽车中可能贯穿底盘前后，对整车的影响很大。在传动系统中，滚动轴承作为关键支承轴部件，对减速器、差速器和半轴总成等的寿命、传动平稳性以及噪声起决定性作用。特别是在变速箱中，轴承更是承担着不可替代的支承作用。在工况恶劣时，轴承滚动体常出现打滑、歪斜、与滚道或保持架发生剧烈撞击等现象，加剧滚动轴承的磨损，导致轴承过早失效，引发一系列的连带问题，并*终影响整个系统的正常运行[7-10]。
在航空领域中，航空发动机很容易发生故障，主要是因为它的机械结构复杂、转速高、传递动力大，加之气流变化及飞行调整造成的工况多变性，一旦航空发动机出现故障，就会对飞机的正常运行带来巨大的问题，轻则损坏飞机影响飞机的正常运行，重则机毁人亡。特别地，如果是在军事领域中，会对军队战斗力的提升造成很大的影响。轴承作为发动机的关键承载部件，在高速、重载、高温、冲击、振动等因素作用下，容易发生轴承疲劳剥落、磨损、内/外圈擦伤、烧伤、保持架断裂等故障[11]。例如，在高速运转状态下，滚动体除了承受滚动力矩，还承受附加陀螺力矩，使得滚动体产生强自旋运动，导致其容易与沟道产生剥落故障；在轴向载荷不足、径向游隙过小、滚动体与非承力内圈接触残余间歇为零或负值时，容易产生磨损故障；此外，加工缺陷、装配不当、润滑不良等也可能造成点蚀、剥落、擦伤、烧伤、磨损、断裂等故障，严重的甚至会带来抱轴和断轴等灾难性破坏[3，4， 12-15]。主轴轴承发生故障时，会使得航空发动机整机振动加剧，影响航空发动机的动力性能和稳定安全运行。1985年6月20日，泛美航空公司的一架波音747客机轴承损坏引起发动机短舱失火。美国装有TF41发动机的A-7飞机，由发动机故障引起的18起坠机事故，有5起是由滚动轴承损坏所引起的。在我国，航空发动机轴承曾发生断裂失效导致的事故有22起。某型发动机在研制实验过程中出现了十几起轴承故障，其中2起导致发动机整机毁坏。可见，滚动轴承故障严重威胁飞行安全。
因此，对滚动轴承状态进行监控分析，尽早地检测、识别出异常运行状态或潜在的早期故障行为(早期损伤)，估计轴承的当前状态和演化趋势，采取合理的控制措施和适当的维修策略，能有效防止状态恶化和避免事故发生，对生命安全和财产安全能够起到很好的保护作用。为了实现滚动轴承故障诊断，首先，需要进行滚动轴承的故障动力学仿真分析，揭示其故障机理，阐明其故障动态响应，为轴承故障诊断提供指导[16-20]；然后，研究复杂工况和强干扰下故障特征提取方法，从监测信号中获取准确的故障特征；*后，实现变工况下滚动轴承故障的智能诊断。本书将围绕以上几个方面展开介绍，其主要内容对实现机械设备的安全运行具有重要的科学意义和工程价值。
1.1.2 滚动轴承的主要类型
1)按结构类型分类
滚动轴承有很多种分类方法[21]，按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同，可分为以下几种。
(1)向心轴承：主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角为0°～45°。按公称接触角的不同，又可分为公称接触角为0°的径向接触轴承(图1-1(a))和公称接触角大于0°但小于45°的角接触向心轴承(图1-1(b))。
(2)推力轴承：主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角为45°～90°。按公称接触角的不同，又可分为公称接触角为90°的轴向接触轴承(图1-1(c))和公称接触角大于45°但小于90°的角接触推力轴承。
图1-1 轴承示意图(按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同分类)
滚动轴承按滚动体的种类，可分为以下几种。
(1)球轴承：滚动体为球。
(2)滚子轴承：按滚子的种类，又可分为圆柱滚子轴承、滚针轴承(图1-2(a))、圆锥滚子轴承(图1-2(b))、调心滚子轴承(图1-2(c))。
图1-2 轴承示意图(按滚动体的种类分类)
滚动轴承按滚动体的调心功能，可分为以下几种。
(1)调心轴承：滚道是球面形，能适应两滚道轴心间的角偏差及角运动的轴承。
(2)非调心轴承(刚性轴承)：能阻抗滚道间轴心线角偏移的轴承。
滚动轴承按滚动体列数，可分为以下几种。
(1)单列轴承：具有一列滚动体的轴承。
(2)双列轴承：具有两列滚动体的轴承。
(3)多列轴承：具有大于两列滚动体并承受同一方向力的轴承，如三列轴承、四列轴承。
按轴承的结构形状，如有无装填槽、有无内/外圈、套圈的形状、挡边的结构、有无保持架等，还可以分为多种结构类型。
2)按公称外径尺寸大小分类
滚动轴承按其公称外径尺寸的大小，可分为以下几种。
(1)微型轴承：公称外径尺寸D≤26mm的轴承。
(2)小型轴承：公称外径尺寸26mm＜D＜60mm的轴承。
(3)中小型轴承：公称外径尺寸60mm≤D＜120mm的轴承。
(4)中大型轴承：公称外径尺寸120mm≤D＜200mm的轴承。
(5)大型轴承：公称外径尺寸200mm≤D＜440mm的轴承。
(6)特大型轴承：公称外径尺寸D≥440mm的轴承。
1.1.3 滚动轴承的典型失效形式
1)磨损失效
磨损失效是滚动轴承*常见的一种失效形式，如图1-3所示。在滚动轴承运转过程中，滚动体和套圈之间均存在滑动，这些滑动会引起零件接触面的磨损，尤其当轴承中进入金属粉末、氧化物以及其他硬质颗粒时，会造成严重的磨料磨损，使磨损更为加剧。另外，由于振动和磨料的共同作用，处在非旋转状态下的滚动轴承会在套圈上形成与钢球节距相等的凹坑，即摩擦腐蚀现象。若轴承与孔座或轴颈配合太松，则在运行中引起的相对运动又会造成轴承座孔或轴颈的磨损。当磨损量较大时，轴承便产生游隙噪声，使其振动增大。
图1-3 磨损失效
2)疲劳失效
在滚动轴承中，滚动体或套圈滚动表面接触载荷反复作用，表层由反复的弹性变形导致冷作硬化，下层的材料应力与表层出现断层状分布，导致从表面下形成细小裂纹，在载荷的持续作用下，裂纹逐步发展到表面，致使材料表面的裂纹相互贯通，直至金属表层产生片状或点坑状剥落，如图1-4所示。轴承的这种失效形式称为疲劳失效，其主要是由疲劳应力造成的，有时是由润滑不良或强迫安装所引起的。随着滚动轴承的继续运转，损坏逐步增大，脱落的碎片被滚压在其余部分滚道上，造成局部超载，进一步使滚道损坏。发生疲劳剥落后，轴承的振动和噪声将急剧增大。
图1-4 疲劳剥落
3)腐蚀失效
轴承零件表面的腐蚀分为三种类型：①化学腐蚀，即当水、酸等进入轴承或使用含酸的润滑剂时，都会产生这种腐蚀；②电腐蚀，即轴承表面之间有较大的电流通过，使表面产生点蚀；③微振腐蚀，是由轴承套圈在机座座孔中或轴颈上的微小相对运动引起的。腐蚀结果使套圈表面产生红色或黑色的锈斑，轴承的腐蚀斑则是以后损坏的起点，如图1-5所示。
图1-5 腐蚀失效
4)表面塑性变形失效
表面塑性变形主要是指零件表面由压力作用形成的机械损伤，如图1 6所示。在接触表面上，当滑动速度比滚动速度小得多时，会产生表面塑性变形。表面塑性变形可分为一般表面塑性变形和局部表面塑性变形两类。
图1-6 表面塑性变形
(1)一般表面塑性变形：是由粗糙表面互相滚动和滑动及滚动体与粗糙表面不断产生塑性碰撞所造成的，其结果会形成冷轧表面。从外观上看，这种冷轧表面已被辗光，但是若辗光现象比较严重，则在冷轧表面上容易形成大量浅裂纹，浅裂纹进一步发展可能(在粗糙表面区域)导致显微剥落。需要注意的是，这种剥落很浅，只有几微米，但它能够覆盖很宽的接触表面。根据弹性流体动压润滑理论，一般表面塑性变形产生的原因是两个粗糙表面直接接触，它们之间没有形成承载的弹性流体动压润滑膜，因此当油膜润滑参数小于一定值时，将产生一般表面塑性变形。一般油膜润滑参数值越小，表面塑性变形越严重。
(2)局部表面塑性变形：发生在摩擦表面的原有缺陷附近，*常见的原有缺陷有压坑(痕)、磕碰伤、擦伤等。
①压坑(痕)：是在压力作用下硬质固体物侵入零件表面产生的凹坑(痕)现象。压坑(痕)的形态特征是形状和大小不一，有一定深度，压坑(痕)边缘有轻微凸起，边缘较光滑。硬质固体来源于轴承零件在运转中产生的金属颗粒、密封不良造成轴承外部的杂质侵入等。压坑(痕)产生的部位主要在零件的工作表面上。预防压坑(痕)的措施主要有提高零件的加工精度和轴承的清洁度、改善润滑性能、提高密封质量等。
②磕碰伤：是由两个硬质固体相互撞击形成的凹坑现象。磕碰伤的形态与两物体形状和相互撞击力有关，并在其边缘处常有突起。磕碰伤主要是由操作不当引起的，产生部位可以在零件的所有表面上。预防磕碰伤的措施主要有提高操作者的责任心、规范操作、改进产品容器的结构和增加零件的保护措施等。
③擦伤：是两个相互接触的运动零件在较大压力作用下，由滑动摩擦产生的金属迁移现象，严重时可能伴随烧伤的出现。擦伤的形状不确定，有一定的长度和宽度，深度一般较浅，并沿滑动(或运动)方向由深而浅。擦伤可能在轴承制造过程中产生，也可能在使用过程
展开
