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本帖最后由 迷你猫 于 2017-3-23 01:02 编辑
本文的大部分内容都是个人主观臆断，其中观点仅供参考切不可运用到实际中以防出事。若是能对大家有所帮助那是最好的事，也希望并请求各位坛友在往后的工作中碰到或是怀疑是润滑不良的设备，请把详细资料发到这个帖子里以便学习总结和归纳。
润滑不良故障的定义 润滑学告诉我们无论油润滑还是脂润滑，在轴承里起到实际润滑作用的只有滚道和滚动体之间一层微米级的薄油膜，剩下的脂/油作为储备只在油膜的油量损耗后起到补充的作用。因此评价轴承的润滑状态就要看油膜是否能够隔开滚道和滚动体。为了表述润滑油膜隔开滚动接触表面的程度，一般使用最小油膜厚度和接触表面综合粗糙度的比值，即膜厚比λ这一概念来确定润滑状态。 故从我们状态监测的角度而言，润滑不良应是指：在轴承运行过程中，由于某些原因使得滚动体-滚道接触面（以下简称轴承接触副）之间的润滑油膜厚度不足以完全隔开滚动体和滚道表面微观凸点，进而这些轴承不同部件表面的微观凸点穿透油膜互相接触发生碰擦现象，并引发轴承异常振动和噪声的情况。
润滑不良的形成原因 很多人潜意识中润滑不良=润滑油/脂量不足，实际上润滑不良的原因非常的多，而且很多故障都会伴随着润滑不良现象。由上面我们知道润滑不良和膜厚比λ过小有着直接联系，因此结合膜厚比公式我们知道任何能造成油膜厚度不足或粗糙度过高的因素都有可能导致润滑不良。 a油膜厚度的影响因素 a1在供油充足的情况下，公认的影响油膜厚度的因素有3个：转速，润滑油/脂的粘度，载荷。前人根据理论研究和实验提出了如下的滚动轴承最小油膜厚度ho的计算公式(不同资料中该公式大体类同只是系数不一样)。 由此我们可以得到：轴承转速过低（如调速马达低速运转或启动时），油/脂粘度过低（如油脂劣化，温度过高导致粘度下降），载荷过大（如轴承异常受力）为润滑充足情况下导致润滑不良的基本因素，这三者都会导致油膜厚度下降。三者中卷吸速度和粘度对油膜厚度的影响力度远大于载荷。
a2在供油不足即乏油状态下，滚道上的油膜消耗后得不到充足的补充，进入接触面的油量补充不足以支撑形成完整油膜，此时接触副之间的截面积不变而油量的总体积下降，直接结果就是油膜厚度下降，油膜的实际厚度要在上面的公式基础上在乘以一个乏油系数。乏油系数的计算较为复杂，有兴趣的可以查阅<贫油润滑下深沟球轴承的摩擦磨损研究>或<滚动轴承分析.第2卷>。 b粗糙度过高 粗糙度一般是指加工表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。而在振动学上的粗糙度有着更严格的定义即波长小于或约等于hertz接触宽度的表面特征称为粗糙度，波长大于接触宽度的称为波纹度。 深沟球轴承的滚动体和滚道接触过程中，两者的接触面因弹性变形整体呈椭圆平面，变形的这部分区域在润滑上成为hertz接触区。上面左图中a,b分别为Hertz接触区的短轴和长轴，外侧实线的椭圆区为产生接触压力的区域。滚动体公转过程可以形象的理解成这个椭圆平面沿着滚道表面公转的过程。 轴承接触副表面粗糙度过高除去轴承质量问题外大多都是轴承早期缺陷或是接触副表面因某种意外导致损伤所致，如安装不当或设备运输过程中的振动，都会使接触副之间产生微动导致表面划伤或压痕等。 表面粗糙度过高所带来的负面影响不只是体现在润滑上，即便是在润滑油膜足够厚的情况下，在接触表面较高的凸点位置会因出现油膜压力波峰进而影响轴承的使用寿命。此外现今大量的研究表明对轴承而言表面粗糙度过小并不是一件好事，一定量的粗糙度可以使接触表面形成储油区，可以有效的提升润滑的效果。实际上国内外也做过在轴承部件表面加工出规律排列的微坑的试验。
润滑不良故障的频谱特征 润滑不良引发的异常振动应当属于随机激励的强迫振动，主要激励源是大量无序随机的凸点碰擦现象，对于滚动体-滚道的接触副而言系统给与的响应表现为无序碰擦现象形成的随机激励频率。目前从状态监测的角度分析凸点碰擦现象-随机激励频率之间关系的文献较少，但大部分查阅到的文献以及相当多的案例都表明金属微凸体的振动激励作用是宽频带的“白噪声”激励，类似于锤击效应。因此，我们通过仪器测到的接触副振动响应的主体也应该是“白噪声”。 由于凸点振动激励频带极宽，往往都会引发接触副固有频率的共振现象。需要注意的是，接触副的固有频率是由弹性变形的hertz接触刚度和油膜刚度共同组成的。在润滑不良时，接触刚度受凸点碰擦时接触副等效质量变化而波动，同时油膜刚度受油膜厚度变化也会有所波动，两者共同作用进而使接触副固有频率在一定范围内波动。 此外虽然碰擦现象在接触椭圆内是无序随机的，但受润滑不良形成的原因所致，油膜可能只在特定位置或状态时厚度过低（如载荷力过大时，油膜只在载荷最大的位置过低的情况），即只在特定位置出现凸点碰擦现象，此时需要考虑特定情况对振动频率的调制现象（典型故障如轴承咬入打滑）。载波常见为瞬时固有频率或瞬时激励频率，调制频率则多种多样，根据碰擦发生位置而定。
总结如下图：
最终我们在频谱上可以得到3种响应频率：随机激励形成的噪声，被激发的固有频率，固有频率或激励频率的调制现象，在某些情况下也可以得到调制频率本身。
a微观凸点碰擦引发的随机激励 接触副表面凸点的随机碰擦现象对接触副本身产生随机激励。如上文所言随机激励频率的具体计算方法和形成过程目前并无文献介绍。不过即便如此我们也依旧可以对随机激励频率进行一定的分析。 当发生凸峰碰擦现象时，部分凸峰划破油膜互相接触，此时载荷力量由油膜和接触的凸峰共同承担，接触副的等效刚度自然会发生变化。接触副中瞬时碰擦的凸峰数量和碰擦强度都在不断变化，这使得等效刚度也随之随机变化/波动。其中刚度变化的频率就是激励频率（激励频率是刚度的变化频率而非刚度本身）。 在λ值一定时受表面凸点分布影响变化的区间保持在一个近乎稳定的极宽区间，其和滚道形成的接触副在瞬时里碰擦的次数和强度在一极宽范围内随机变化的，由此得出形成的激励频率和振幅也保持在一定的区间里随机变化。故反应到实际频谱上表现为高频区上宽频率范围的振动，同时由于能量分散，所以该区段的整体地脚会有明显提升，即典型的白噪声，形状类似草堆。 现今加工技术的进步，使得接触副表面凸点分布较为规律。润滑不良时的碰擦随然随机，但总体还是会保持一定的规律性，从这点考虑，随机激励频率在有一个极宽区间的同时，能量会趋向于保持在一个较小范围内，形状可能会有正太分布的趋向。 以上总结开来，凸峰碰擦现象本身带来的随机激励所产生的频谱特征如下所示：
b固有频率振动 由于随机激励的响应频宽极大，一般大都可以激发固有频率振动。润滑不良情况下最终结果一般是在频谱的某些位置出现一定地脚且振幅较大的谱线。出现地脚的原因是因为接触副在润滑不良状态下润滑油膜刚化效应的影响，这会使得接触副的等效刚度在某一范围内以极快的速度轻微变化，因此激励频率激发的固有频率本身会稍有变动。谱线出现的位置一般都处在激励频率所形成的噪声频带之中，因此往往会被噪声掩盖而不可见，最终演变成噪声能量的一部分而提高了该部分噪声的振动幅值。同时被激发的固有频率可能不会只有一个，可能会出现多个固有频率的谱线或草堆有多个隆起。 以上总结： c润滑不良故障的发生位置 润滑不良的形成原因我们知道影响润滑不良的几大因素：卷吸速度，载荷，粘度，乏油，微观凸峰。这几类因素有时会对凸峰碰擦的发生位置有着明显影响进而造成振动频谱特征有较大差别。我们将按照这些因素是否会造成局部点位置发生碰擦现象的分类方式来介绍。 在设备润滑良好的时候，设备至承受正常载荷时，油膜的厚度只受载荷影响，在承载区载荷最大位置的油膜厚度稍薄于其他位置，整体上可将整个承载区得到润滑油膜厚度看作不变。
c1接触副整体都发生润滑不良 当整个接触副所有位置都发生碰擦现象，不在某一单独点位置出现润滑故障时，润滑不良故障的频谱特征不会受到明显影响，形成的频谱如上一节中所介绍的那样，会形成干草堆也会出现单独的固有频率谱线。也由于摩擦现象整个滚道都有出现，所以碰擦现象所造成的瞬时激励频率所携带的能量较高（整个滚道不停的处在随机碰擦现象），所以频谱上干草堆占了主要部分。 检索几个因素可以发现设备低速运转，整个滚道承受异常载荷（如轴承承受异常轴向力），油粘度过低，特殊的乏油情况，微观凸峰整体性平均的上升（如轴承磨损或大面积的分布性故障如锈蚀）等都对整个滚道造成影响。 总结以上：整体性润滑不良所造成的频谱特征如之前段落总结的一样，没有太大区别。
c2接触副局部/点位置发生润滑不良 当凸峰碰擦现象只出现在特定位置时，因引发碰擦现象的原因会出现不同的调制频率对固有频率的调制现象。此种模式下最常见的故障就是轴承打滑。我们以轴承外圈承载区局部出现早期缺陷为例概括性的介绍当轴轴承外圈承载区局部出现较小的早期缺陷时，我们可以把缺陷区域当作表面粗糙度过大来处理。单个滚动体经过缺陷区的时候，凸峰过高出现碰擦现象。当滚动体不再缺陷区的时候，表面粗糙度正常，不会出现碰擦现象。因此对整个轴承而言，每一个滚珠通过缺陷区的时候都会稳定的出现碰擦现象，在机理上形成了轴承外圈缺陷频率BPFO（外圈通过频率）。振动的主体为被BPFO调制的激励频率；当冲击引发设备固有频率振动后，则转变为固有频率被BPFO调制的现象。但因为每一个滚珠尺寸和表面粗糙度都有一定差别，受润滑状态和实际承载的影响形成的时域图会有一定的变形或是随机性，有时润滑良好则不会出现碰擦现象。 由于碰擦现象仅在滚动体通过缺陷点时出现，所以相对而言其携带的总能量不高使得频谱上的干草堆较小；而轴承缺陷所引发的冲击一般都会引发轴承固有频率的振动，所以可以频谱上往往表现为一个较小的干草堆以及固有频率被故障频率调制；由此也可以推测出加速包络谱上除了抬升的地脚外还会出现少量不明显调制频率。 随机激励频率表现为噪声，因此对其的调制现象最终结果还是噪声。所以一般情况下我们能在频谱上观察到的调制现象都是对固有频率的调至，因为固有频率最终表现的频带范围比较窄。调制频率往往都是由故障源导致的，因此判断调制频率成分可以告诉我们故障的根本所在。 总结以上： 润滑不良发生后一般都会造成多种衍生效应，常见如打滑，滚道损伤，保持架卡涩等。这些衍生效应也会对振动频谱产生影响。总的归结起来可以归类到“局部位置润滑不良”中去。很多案例表明此时频谱上会出现轴承故障频率，且只需要解决润滑问题后频谱上的故障频率都会消失。由于此类衍生效应实在太多无法一一说明，下文会针对以滚动体打滑为例专门介绍。 d总结 润滑不良直接表现为凸峰碰擦现象，由于粗糙凸峰（微米级）和hertz接触区（毫米级）的尺寸差别极大同时凸峰分布的不规律，使得凸峰碰擦现象有着随机特性，这些共通导致接触副的等效刚度随机变动，引发异常振动。而刚度随机变动的频率即为激励频率。 不同的故障引发的润滑不良形式有所区别，局部位置发生润滑不良会对激励频率产生一定的调制作用，产生的频谱构型也会有所变化。 总的说：频谱高频区的地脚噪声是必然出现的现象，因此高频区是否有地脚为判断是否发生润滑不良的标准。而地脚噪声之上是否有异常的谱线，异常谱线是否有一定规律是分析润滑不良形成原因的主要途径。 滚动轴承体系内高频区异常的概念衍生 润滑不良的频谱特征如上面所说的表现在高频区异常地脚噪声和谱线上，实际上日常工作中我们经常会在采集到的频谱里发现高频区有各式各样的异常频谱特征，这种情况对故障判断相对要难一些。我们知道采集到的频谱本质是系统对激励的响应，激励源和系统的响应决定了频谱的构成，所以分析高频区异常频谱特征所代表的激励形式对我们判断故障所在有着相当大的指导意义。 一般情况下高频区异常频谱特征表现为异常的波峰群，地脚噪声亦或者两者兼而有之。高频区的地脚噪声一般都代表激励频率大范围波动变化，在滚动轴承体系里一般都可以解释为凸峰碰擦现象在此不做继续讨论，典型故障如润滑不良；仅存在波峰群且没有地脚噪声代表激励频率精确且稳定，大部分情况下都与轴承的分布性损伤或固有频率有关，典型故障如电蚀（fluting）和压痕；当两者都存在时说明故障本身即有一定规律性的同时也会引发润滑不良，典型故障如轴承打滑（bearing skidding）。
高频区存在异常的波峰群 高频异常波峰群的来源在轴承接触副中并不多，常见为轴承部件分布式缺陷或者被激发的固有频率。分布式缺陷在高频区常常表现为某个轴承转频或部件故障频率，甚至是这些频率的某种组和的高倍率谐波。而当谐波本身和固有频率接近的时候则表现为被激发的固有频率。 当缺陷分布呈现固定规律时其机理可以用波纹度故障来理解，典型的故障为电蚀。我们以电蚀故障来分析高频区波峰群频谱特征的构成原因。典型的电蚀谱其实可以理解成外圈表面波纹度引发振动的衍生，电蚀在滚道上造成的损伤整体和加工波纹损伤差不多，分布规律且受伤程度接近，滚动体通过的时候引发的激励频率是固定且稳定的，并不像润滑不良那样形成随机噪声的激励。激励频率大小计算方法参考波纹度振动频率的计算方法， 一般为轴承部件故障频率的整数倍。以电蚀发生在外圈为例，假设外圈滚道上均匀分布电蚀形成的缺陷。相邻的2个滚动体之间的缺陷数量一般为n或n±1个，故可推算当一个滚动体公转到下一个滚动体之前所在位置时，其引发的冲击次数/频率Fe=n/n±1 × Fo（外圈通过频率）。故可知电蚀故障时，振动激励频率为外圈通过频率的n或n±1倍，也就是整数倍。由于电蚀故障的特性导致n的数值一般都很高（常见范围10-30），所以Fe的值也很高，一般出现在高频率区域。同时也因为滚动体之间的缺陷数量会有变化，以及缺陷所处位置引发冲击力大小变化的原因，Fe周围会有Fo的调制现象。
当缺陷分布不规律的时，典型故障为随机性压痕。最终频谱结果还是表现为缺陷发生部件的故障频率，频谱构成和单个缺陷形成的频谱并不一样的是随机压痕会对故障频率有一定的抑制性，最终频谱上会出现某一个故障频率的倍频为主导的情况。
总而言之，发现高频区存在异常波峰谱线后，首先要做的是确定谱线自身是否为某一低频的谐波，简单的通过谱线频率除以怀疑的低频频率的结果是否为整数倍即可。排除所有可能后，确定谱线并非低频的高次谐波，那剩下的最大可能则为固有频率。 当存在多个幅值较高的异常波峰时，说明缺陷分布规律的不止一个，可能有多组分布单一的缺陷或者是不同部件上有多组缺陷。此时需要对每一个异常波峰构成进行单独分析，以便确定故障所在。
异常的波峰群和噪声地脚同时存在时 当频谱高频区即存在异常波峰群也有地脚噪声的情况，表明故障本身即有一定规律性的同时也会引发润滑不良，典型故障如轴承打滑（bearing skidding），本节以打滑为例来专门说明。
左图为教材中提供的打滑典型频谱，实际上这个谱是针对打滑中比较常见的一种形式“滚动体咬入打滑”。
事先声明：本节的大部分内容以及理论依据来源于<滚动轴承打滑动力学模型及振动噪声特征研究-涂文兵>一文，受限于篇幅和介绍方向不会太详尽的说明原论文中的很多内容，建议各位仔细阅读该论文，酌情学习。
滚动轴承打滑其实指的是滚动体的自转速度不能满足公转速度的情况，或是滚动的自转速度低于或高于理论计算速度的情况。我们在计算滚动轴承部件故障频率的时候，都是以假定轴承部件处于纯滚动状态，且忽视轴承游隙，不考虑接触变形和润滑油膜作用。如下以外圈固定内圈转动的深沟球轴承为例： 此时我们可以通过简单计算得到滚动体理论公转角速度ωc和自转角速度ωr： 在滚动轴承体系内，滚动体自转的动力是由内外圈的接触摩擦力提供的，由于游隙的存在滚动体在承载区和非承载区受力不同，内外圈对滚动体自转的摩擦力大小也有着明显的不一样。 承载区中内外圈提供的驱动力要明显大于非承载区中由离心力提供的驱动力。 原论文中通过理论分析和实际情况确定了一个基本事实：滚动体在非承载区因驱动力不足，其自转速度是不断下降，低于我们计算的理论值。而在承载区时其自转速度则基本符合我们计算的理论值。因此滚动体在从非承载区进入承载区的过程中，其自转速度必然会有一个加速阶段。 位置P1表示滚动体处在非承载区，P2表示滚动体正好处在承载区和非承载区的分界点上，P3表示滚动体处在承载区内。内、外圈之间的间距在位置P1时大于滚动体直径，在位置P2时刚好等于滚动体直径，而在位置P3时小于滚动体直径。也就是说，滚动体从非承载区进入承载区是从相对开阔的空间进入狭小空间的过程，形象的称之为咬入过程。也因此我们将滚动体在P2位置开始自转加速的过程称为滚动体咬入打滑。
从理论上说，滚动体咬入打滑在承受径向载荷或是存在非承载区的轴承中几乎是无法避免的。请注意是径向载荷，承担轴向载荷的轴承如推力轴承，受力方式不一样，不存在承载区非承载区的分别，整个滚道上滚动体的理论受力是差不多的，因此不存在咬入打滑。
下图为通过论文中以6304轴承为例进行理论建模分析计算得到的最终结果 从图a可以明显的看到在从B点进入承载区后滚动的自转速度在B-D阶段几乎不变，直到D点开始的D-E阶段急剧加速至理论转速。图b可以看出从B点开始滚动体的实际公转速度要低于理论公转速度，这表明从此时开始滚动体公转速度低于保持架，因此在初入承载区的过程中，保持架会推动滚动体前进一直到滚动体公转速度在E点达到理论转速后，滚动体才会反过来推动保持架转动。 这一个过程其实很好理解，因为我们知道滚动体的自转动力在承载区来自于内外圈滚道给与的摩擦力Fi和Fo，而摩擦力的大小受载荷力Ni和No的影响。 参考上面的受力示意图即为No和Ni足够大的情况下，给与滚动体的驱动摩擦力Fo和Fi才足够大到克服保持架给与的摩擦阻力Fc。 图c中B-D-E-C这条线为轴承承载区载荷分布示意图，B-C的过程中载荷越来越大，No和Ni越来越大。最终在D点这个位置点驱动摩擦力大于摩擦阻力，滚动体自转开始加速。
从论文中看这一过程具有普遍性，大部分轴承的滚动体的自转都有类似这样的过程。滚动体始终会在进入承载区后某一个力平衡点急速加速自转至理论速度。在B-E的过程中滚动体的实际自转速度低于理论转速的这一过程被我们称之为滚动体咬入打滑。
接着我们在上面的基础上引入油膜厚度公式，分析下B-E程中油膜厚度分布。 公式的3个变量中，滚动体实际承受载荷Q不断上升，而卷吸U速度受自转速度下降的影响在B-D阶段低于理论速度。所以在B-D阶段里滚动体和滚道之间的油膜厚度不断下降。而在D点，理论油膜厚度达到了最小值。D点开始因自转急剧加速，虽然载荷仍有上升但是油膜总体厚度缓慢上升。
由上面你可以看出在B-D阶段，滚动体和滚道之间就有可能会因油膜厚度不足出现润滑不良的凸峰碰擦现象。而当润滑不良发生时，其形成的频谱特征可以参考上面局部点位置发生润滑不良时的分析过程。其最终结果就如前面所提供的bearing skidding那样。 高频区存在隆起的同时存在一些间隔为BPFO的波峰谱线，注意这些波峰谱线并不是BPFO的高阶谐波，而是针对瞬时激励频率/固有频率的调制现象。 同时由于每个滚动体的表面粗糙度不会绝对一样，其进入承载区时的转速可能会有差别，设备状况等因素的影响，会使得滚珠之间的打滑位置并不是精确相等。同时其调制的载波频率也不一定会精确相等，这些综合作用使得间隔为BPFO的谱线并不是一根单一的谱线，而是一系列谱线共同构成的谱线组。借用下面会介绍的打滑案例的图说明：
注意：打滑是只发生在外圈滚道的B-D某个点，机理上可以形成的是外圈故障频率BPFO，所以高频区的波峰群间隔应当为BPFO。高频区的波峰群实际上是一种调制现象，BPFO调制瞬时激励频率或固有频率。同时地脚噪声的发生位置不一定如上图所示在10-20倍转频，常见在2000-5000Hz之间。高速轻载，轴承游隙控制不当或是缺油等情况常常都会造成打滑。
总结的总结： 润滑不良是一种常见现象，诸如如轴承早期缺陷，打滑等等形式的故障都可以归类到润滑不良中来。 润滑不良的根本是凸峰碰擦现象，这会在加速度谱高频区形成地脚噪声。 润滑不良按照形成原因，在频谱高频区除去地脚外还会有一些异常的谱线，解读这些谱线组成的规律是判断故障源的有效手段。 润滑不良在现象上常伴随激烈的肉耳可听的噪音。 润滑不良一般只会造成加速度和包络值过高，速度和位移值几乎不受影响。 轴承缺陷按照大小可分为粗糙度级，波纹度级，肉眼可见级。 粗糙度级轴承缺陷会对加速度值和谱有显著影响，对速度谱和值影响较小，且往往表现为润滑不良 波纹度级轴承缺陷对速度谱和加速度谱，以及振动值产生影响。
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发表于 2017-3-23 01:02
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发表于 2017-3-23 14:15
