第1章 绪论
　　1.1 滚动轴承故障诊断概述
　　轴承被称为 “工业的关节”，是机器中用来支承轴的一种关键基础件，用于支承轴及轴上零件，传递力和运动，确保轴的空间位置和旋转精度，并可减小轴与支承之间相对运动时的摩擦、磨损。滚动轴承摩擦阻力小、启动快、效率高、旋转精度高，标准化、产业化程度高，广泛应用于液体火箭发动机、航空发动机、高速列车、风力发电机等重大装备。《中国制造 2025》提出的10个重点发展领域中有8个领域需要大量的高端滚动轴承作为配套。滚动轴承对整个装备制造业的发展水平有着举足轻重的作用，是我国工业领域的迫切需求和未来高科技领域发展的重要保障。
　　滚动轴承作为重大装备的关键基础件，其健康服役是装备整机运行安全的重要保障。在极端服役工况和环境下，由滚动体打滑、疲劳剥落和摩擦磨损引起的滚动轴承失效经常发生，直接导致装备运行精度降低、振动加剧，严重时可造成巨大的损失。例如，我国研制的某型高压补燃循环液氧煤油发动机在某次地面热试车时，球轴承表面剥落形成多余物进入泵腔碰摩起火，导致爆炸的灾难性后果。同时，由于重大装备服役环境日益苛刻、运行工况复杂多变，滚动轴承发生故障的概率越来越高，运行维护成本居高不下，严重影响装备的可靠性和经济性。分别以风电和高铁两个行业为例进行说明。风电轴承长期工作在转速波动、载荷交变、低速重载等服役环境下，故障多发、维护困难。目前我国高铁动车组轴承监测仍以温度为主，对早期故障不敏感，故障预警准确率低。由于缺乏有效的监测和诊断技术，高速列车轴承长期依赖定期检修，大量轴承未到使用寿命即被更换，造成巨大浪费和经济负担。由此可见，发展轴承状态监测与故障诊断技术势在必行，是行业的迫切需求。
　　滚动轴承故障诊断一直都是研究的热点，国内外学者在信号获取与传感技术、信号处理与诊断方法、智能决策与诊断、退化评估与剩余寿命预测等方面开展了大量的研究工作。然而，轴承内部非线性接触、滚动体与保持架之间的碰撞、离心力效应、热变形等因素导致滚动轴承的动力学特性非常复杂，再加上轴承运行工况多变、工作环境恶劣、信号传递路径长，导致故障激励和动态响应之间的映射关系不清晰、传递路径不明确，故障诊断困难重重。现阶段我国机械故障诊断基础研究对故障表象的研究较多，而对故障机理却研究不足 [1]，导致复杂机械系统响应信号、健康状态与内外激励之间的作用规律尚不明确，振动传递、故障溯源机理不清，难以为设备故障诊断提供科学依据。因此，对滚动轴承的故障机理进行深入分析，实现由表象研究到机理研究的突破已经成为滚动轴承故障诊断研究的关键问题。
　　故障机理是指通过理论或大量的试验分析，得到反映设备故障状态信号与设备系统参数联系的表达式，依之改变系统的参数可改变设备的状态信号 [2]。机理研究可以揭示故障萌生和演化的一般规律，建立故障与征兆之间的内在联系和映射关系 [3]。故障机理分析如同医学中的解剖学和病理学，针对轴承在不同的约束条件下所受的载荷、温度等物理量的作用，构建动力学模型并通过模型从原理上分析得到故障产生的响应信号及其在时域、频域或时频域中的表征，为故障诊断提供理论依据 [4]。在轴承故障机理分析的基础上，通过测量运行设备的动态响应物理量信号，如位移、速度、加速度、噪声、声发射、应力、应变、温度等，利用先进的信号处理技术提取反映轴承故障的征兆或特征，用于故障的定位和损伤严重程度的评估，为设备健康管理提供技术支撑，这对实现滚动轴承乃至整个机械设备故障的准确诊断均具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　1.2 滚动轴承失效的基本形式
　　1. 疲劳失效
　　疲劳失效指轴承工作 (接触) 表面受到交变应力的作用而产生的材料疲劳失效。典型的疲劳失效分为次表面起源型和表面起源型。赫兹接触理论认为，滚动接触处最大接触应力发生在表面下一定深度的位置，并称之为次表面。在最大接触应力的反复作用下，轴承钢中的非金属夹杂物、气隙、碳化物晶界等薄弱点处形成裂纹源，并逐步向表面扩展，形成不同的剥落形状，点状的称为点蚀或麻点剥落，小片状的称为浅层剥落。由于剥落面逐渐扩大，会慢慢向深层扩展，形成深层剥落，如图1-1 所示。表面起源型疲劳主要由接触表面处的微小擦伤或划伤引起，不良的润滑状态加剧滚动体与滚道之间的相对滑动，导致表面损伤处的微凸体根部产生微裂纹，裂纹扩展导致微凸体脱落或形成片状剥落区，如图1-2 所示。疲劳失效通常发生于轴承内、外滚道的接触面和滚动体表面等。疲劳剥落会造成轴承运行时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。
　　2. 磨损失效
　　磨损失效指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金属不断磨损而产生的失效。磨损失效按磨损形式通常可分为磨粒磨损和黏着磨损。磨粒磨损是指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子、硬质异物或金属表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造成犁沟状的擦伤，如图1-3 所示。黏着磨损是指摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦面受力不均，在润滑条件严重恶化时，因局部摩擦生热，出现摩擦面局部变形和摩擦显微焊合现象，如图1-4 所示。严重时表面金属可能局部熔化，作用力将接触面上局部摩擦焊接点从基体上撕裂而增大塑性变形。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失及其他问题。
　　图1-1 次表面起源型内滚道疲劳失效 [5]
　　图1-2 表面起源型滚道剥落损伤 [5]
　　图1-3 调心滚子轴承内圈磨粒磨损 [5]
　　图1-4 圆柱滚子轴承外滚道黏着磨损 [5]
　　3. 断裂失效
　　滚动轴承断裂失效的主要原因是载荷过大、疲劳、缺陷等。外加载荷超过材料强度极限而造成的零件断裂称为过载断裂，如图1-5 所示。疲劳断裂的起源是过度紧配合产生的装配应力与循环交变应力形成的疲劳屈服，装配应力、交变应力与屈服极限之间的平衡一旦打破，会沿套圈轴线方向产生断裂，如图1-6 所示。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、非金属夹杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。
　　图1-5 调心滚子轴承内圈过载断裂 [5]
　　图1-6 推力滚针轴承保持架疲劳断裂 [5]
　　4. 腐蚀失效
　　滚动轴承在实际运行中不可避免地接触到水、水汽以及腐蚀性介质，这些物质会引起滚动轴承的生锈和腐蚀，如图1-7 所示。轴承套圈在座孔中或轴颈上的微小相对运动使配合表面微凸体发生氧化并被磨去，发展成的粉状锈蚀称为微动腐蚀，如图1-8 所示。滚动轴承在运转过程中还会受到微电流和静电的作用，造成滚动轴承的电流腐蚀。腐蚀会造成套圈、滚动体表面的坑状锈、梨皮状锈及滚动体间隔相同的坑状锈、全面生锈及剥落，最终引起滚动轴承的失效。
　　图1-7 推力滚针轴承保持架及滚子湿度腐蚀 [5]
　　图1-8 滚子轴承外圈微动腐蚀 [5]
　　5. 塑性变形
　　塑性变形是指轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷或落入硬质颗粒等在滚道表面或滚动体上形成压痕或划伤而产生的永久性变形。塑性变形按产生原因可以分为过载变形和颗粒压痕。过载变形通常发生在静止轴承元件上，过大的静载荷或冲击载荷会使损伤元件表面产生与滚动体间隔相同的等距压痕，如图1-9 所示。当运行轴承中存在硬质颗粒时，会在套圈或滚动体上留下颗粒压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步使邻近表面剥落，如图1-10 所示。
　　图1-9 角接触球轴承内圈过载引起的塑性变形 [5]
　　图1-10 圆锥滚子轴承内滚道硬质颗粒引起的
　　塑性变形 [5]
　　6. 胶合失效
　　胶合发生在相互接触的两个表面，在润滑不良、高速重载等条件下摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤，或某处表面上的材料沿滑动方向撕脱并黏附在另一表面上，如图1-11 所示。若两接触面选用相同的材料，其发生胶合失效的概率较大。发生胶合时，轴承的摩擦系数和温度均会突然升高，表现为振动和噪声的增加。随着轴承的运转，黏附在表面上的材料从表面上脱落下来形成磨屑，引起轴承元件表面划伤和凹陷。
　　图1-11 胶合损伤表面形貌 [6]
　　(a) 50 倍；(b) 1000 倍；(c) 3000 倍
　　1.3 滚动轴承故障机理的研究现状与发展趋势
　　根据 1.2 节介绍可知，滚动轴承失效包括疲劳、磨损、断裂、腐蚀、塑形变形、胶合等几种典型形式。这些失效的外在表现形式虽然各有不同，但是大多会引起几何、物理参数的改变，进而引起异常振动、噪声等现象。对失效轴承进行故障机理分析，可以解释振动响应信号的产生机理及其在时域、频域或时频域中的表征规律，为故障诊断提供理论依据。目前有两种针对滚动轴承故障机理的分析方法，一种是从数学角度通过解析公式对故障产生的振动响应进行唯象建模；另一种是通过对轴承进行力学分析，建立轴承的动态响应分析模型，并将该模型与损伤故障模型进行融合后对故障轴承的振动响应进行分析。
　　1.3.1 基于解析公式的故障机理分析
　　基于解析公式的轴承故障模型由 McFadden 和 Smith[7] 在 1984 年提出。1985年 McFadden 等 [8] 将文献 [7] 中的模型进行了扩展，研究了滚动轴承内滚道多点损伤下的振动响应。基于 McFadden 等的开创性工作，有许多学者采用解析公式对故障轴承的振动响应进行了分析。2000 年，Brie[9] 通过实验观察发现，由局部损伤引起的冲击序列不是等间隔序列。Brie 认为这是轴承内部复杂的动力学问题导致的滚动体打滑或者接触角的瞬时改变所引起的。针对该问题，Brie 通过在等间隔序列中引入随机数构建了故障轴承的准周期冲击序列。2000 年，Ho 等 [10]也通过在等间隔冲击序列中引入随机数对冲击序列进行了模拟，发现由于冲击序列中存在随机扰动，相应的频谱和包络谱中都会出现频率污染问题。2002 年，Antoni 等 [11] 对故障轴承冲击序列的伪循环平稳特性进行了分析，并建立了相应的故障模型。2003 年，Antoni 等 [12] 提出了一个随机模型来仿真局部损伤作用下轴承的振动响应，该模型采用随机点过程对故障产生的脉冲力进行建模。2011年，Behzad 等 [13] 建立了一个随机激励模型以分析表面粗糙性对轴承振动的影响。2013 年，Cong 等 [14] 基于 McFadden 的冲击序列模型对轴承–转子系统在轴承故障情况下的振动响应进行了研究。2016 年，Khanam 等 [15] 将损伤与滚球碰撞的脉冲激励力与内圈的周期变化载荷合成，建立了多事件激励力模型用于仿真滚动轴承内圈损伤故障。2019 年，McBride 等 [16] 基于随机振动理论模拟了滚子轴承中分布式损伤产生的振动响应。
　　基于解析公式的故障机理方法通过观察含故障轴承的振动响应规律，构造数学表达式对信号进行拟合，是一种 “所见即所得” 的研究方法，对故障特征提取算法的开发和验证提供了一定的帮助。然而，该方法并未从物理的角度对故障轴承的振动响应进行分析，难以从本质上解释振动响应的产生机理。
　　1.3.2 基于动力学模型的故障机理分析
　　由于基于解析公式的分析方法无法从物理角度揭示损伤对轴承振动响应特性的影响，基于动力学模型的故障机理分析方法得到了更多关注。含故障轴承动力学模型的构建可分为如下 3 个步骤：.1 对轴承力学和几何学特性进行分析，建立正常轴承力学模型；.2 对轴承损伤进行数学描述和建模；.3 将表面损伤与轴承力学模型进行融合，得到含故障轴承的动力学模型，进行振动响应仿真。