频谱与包络分析
讲清时域与频域、分辨率、谐波边带、包络解调、相位和瀑布图的读法，以及常见的频谱误读。
轴承缺陷为什么会产生特定频率
滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。当滚道或滚动体表面出现剥落、裂纹、压痕等局部缺陷时，滚动体每经过一次缺陷就产生一次短促的冲击。由于轴承各部件之间的运动关系是确定的，冲击的重复频率也就由轴承几何尺寸和转速唯一确定，这就是轴承特征频率。它们一般不是转频的整数倍，这一点是把轴承故障与不平衡、不对中、松动等转频谐波类故障区分开的基础。
每次冲击的能量很小、持续时间很短，在低频段被转频及其谐波、叶片通过频率、啮合频率淹没；但冲击会激起轴承部件、轴承座和传感器安装系统的高频固有振动，形成一串串以缺陷频率重复的衰减振荡。早期诊断的关键，就是从高频段把这串冲击的重复节奏找出来。
内圈、外圈、滚动体和保持架特征频率
以外圈固定、内圈随轴旋转为例，记滚动体数为 n，滚动体直径为 d，节圆直径为 D，接触角为 α，轴的转频为 fr，各特征频率按下表计算。外圈旋转的场合，例如托辊和部分滚筒，要用内外圈的相对转速计算，调制关系也随之改变。
| 部件 | 特征频率 | 计算式 | 频谱中的典型表现 |
|---|---|---|---|
| 外圈 | 外圈故障频率 | n/2 × fr × (1 − d/D × cosα) | 缺陷频率及其谐波清晰，外圈固定在承载区时通常没有转频边带 |
| 内圈 | 内圈故障频率 | n/2 × fr × (1 + d/D × cosα) | 缺陷随轴转动、每转进出承载区一次，谐波两侧出现以转频为间隔的边带 |
| 滚动体 | 滚动体自转频率 | D/(2d) × fr × [1 − (d/D × cosα) 的平方] | 缺陷每自转一周撞击内外圈各一次，两倍自转频率常更突出，两侧有保持架频率边带 |
| 保持架 | 保持架频率 | 1/2 × fr × (1 − d/D × cosα) | 低于转频，常以调制边带形式出现在其他频率两侧，严重时本身及谐波可见 |
- 外圈与内圈故障频率之和等于滚动体数乘以转频，可用于核对计算
- 保持架频率乘以滚动体数等于外圈故障频率
- 滚动体存在打滑，实测频率会略偏离计算值，识别时要留出搜索范围
- 异步电机的实际转速低于同步转速，必须用实测转速计算
- 不知道轴承型号时，可以利用上述关系从实测谱反推
包络解调分析
包络解调的思路是：先用带通滤波器选出被冲击激起的高频共振频带，把低频的转频、谐波和其他机器成分滤掉；再对滤波后的信号求包络，得到冲击的重复节奏；最后对包络做频谱分析，包络谱上的谱峰就是冲击的重复频率及其谐波和边带。缺陷频率在原始频谱中看不出来、在包络谱中却很清楚，是早期轴承故障的典型情况。
滤波频带的选择直接决定结果。频带应高于机器主要的低频激励，避开齿轮啮合频率及其高阶谐波等强周期成分，并落在冲击能量明显抬高的区域；可以对比原始频谱中高频段的底噪隆起，或借助谱峭度等方法选择。传感器安装同样关键：螺栓或粘接安装的高频响应最好，磁座要吸在干净平整的金属面上，手持探针基本测不到可靠的高频冲击；测点应尽量靠近轴承承载区，减少中间的连接界面。
- 确定参数查明轴承型号与几何参数，测量实际转速，计算各特征频率及其谐波和边带位置。
- 安装传感器在轴承承载区附近牢固安装加速度传感器，记录安装方式。
- 选择频带观察原始频谱高频段，选择冲击能量集中、避开强周期成分的滤波频带。
- 计算包络谱设置足够的频率分辨率和平均次数，低速轴承延长采样时间。
- 识别与核对在包络谱中寻找缺陷频率、谐波和边带，与计算值和时间波形相互印证。
故障发展阶段
各阶段之间的发展速度没有固定规律，与载荷、转速、润滑和缺陷位置都有关系，有的轴承在发展期能运行很久，有的很快进入末期。因此判断检修时机不能只凭一次测量，而要看趋势：包络值和缺陷频率幅值稳定，可以继续观察；短时间内持续上升、出现新的谐波和边带，或者温度同步升高，就要提前安排更换。
| 阶段 | 振动表现 | 判断要点 |
|---|---|---|
| 初期 | 仅在很高频段出现微弱冲击或应力波，常规速度谱和包络谱几乎无变化 | 需要高频或超声手段才能察觉，一般只需纳入跟踪 |
| 发展期 | 包络谱出现清晰的缺陷频率，速度谱变化不明显 | 确认故障类型，缩短跟踪间隔，检查润滑 |
| 明显期 | 缺陷频率及其谐波和边带在加速度谱、速度谱中可见，冲击在时间波形中清楚 | 结合温度和噪声安排计划检修 |
| 末期 | 离散的缺陷频率变得模糊，转为宽带噪声和高频段的宽峰，一倍转频可能上升，温度和噪声明显 | 风险高，尽快停机更换；不要把离散谱峰消失误认为好转 |
润滑不良与安装问题的表现
并非所有轴承异常都是疲劳剥落。润滑和安装问题很常见，它们的振动表现与局部缺陷不同，判断清楚之后，处理方式也不一样：有的补充或更换润滑就能恢复，有的需要纠正安装才能避免新轴承很快再坏。
| 问题 | 振动表现 | 现场确认 |
|---|---|---|
| 润滑不足或润滑脂失效 | 高频底噪普遍抬高，没有明确的缺陷频率，加脂后暂时下降 | 检查润滑记录和油脂状态，加脂前后对比高频值 |
| 润滑脂过量或选用不当 | 振动变化不大，温度升高 | 检查加脂量和油脂型号，观察温度变化 |
| 润滑剂污染 | 不规则的随机冲击，与缺陷频率不对应 | 取样检查杂质和水分，检查密封 |
| 外圈歪斜或轴承座孔不同心 | 轴向一倍、二倍成分大，类似不对中，有时伴有外圈频率谐波 | 同一轴承座多点测轴向相位，拆检看磨损路径是否偏斜 |
| 配合过松 | 转频多阶谐波、相位不稳定，外圈可能跑圈 | 拆检查看外圈外圆和座孔是否磨亮，测量配合尺寸 |
| 配合过紧或游隙过小 | 温升快，高频成分升高 | 核对轴承游隙和配合，检查安装方式 |
| 安装冲击或静止时受振 | 新装或长期备用的轴承投运不久就出现缺陷频率 | 拆检看滚道上是否有按滚动体间距分布的压痕 |
| 电流通过轴承 | 高频段出现宽峰，常在外圈频率谐波附近，多见于变频电机 | 拆检看滚道是否有搓衣板状条纹，润滑脂是否发黑 |
常见误判
- 按名义转速计算特征频率，没有考虑实际转速和打滑，导致找错谱峰
- 把齿轮啮合频率、叶片通过频率的边带或谐波误认为轴承频率
- 末期离散谱峰消失、转为宽带噪声，被误判为故障减轻
- 包络滤波频带选在齿轮啮合或其他强周期激励范围内，包络谱被干扰
- 使用手持探针测量高频，冲击被安装系统衰减，漏判早期缺陷
- 把气蚀、气流冲击或电气干扰引起的高频成分当作轴承冲击
- 只看总振动值而不看频谱和包络趋势，错过最佳检修窗口
- 在一台设备上测到轴承频率，没有排除相邻设备经基础传过来的可能
多台设备共用底座或基础时，应在相邻设备的轴承座上同时测量，比较缺陷频率的幅值高低，确认缺陷所在的轴承。
拆检对照与复测
拆检是检验诊断结论最直接的方式，也是积累现场判断经验的来源。更换轴承时，应记录缺陷的位置、形态和范围，拍照并保留旧轴承，把拆检结果与更换前的频谱、包络谱和趋势逐项对照：外圈剥落是否在承载区，内圈缺陷与边带是否对应，滚动体或保持架损伤与相应频率是否一致。对照的结果可以用来修正对同类设备的判断。
如果拆检发现的损伤形态提示根源在润滑、安装、电流或外部载荷，单纯换新轴承并不能解决问题，需要同时消除根源；对损伤成因有疑问时，可以把旧轴承作为失效件做进一步分析，与振动结论相互印证。新轴承投运后，应在相同测点、相同工况下复测并建立新的基线，后续按趋势跟踪。
| 拆检所见 | 对应的振动特征 | 可能根源 |
|---|---|---|
| 外圈承载区剥落 | 外圈故障频率及其谐波 | 正常疲劳、过载或润滑不足 |
| 内圈剥落 | 内圈故障频率带转频边带 | 疲劳、配合过紧或过载 |
| 滚动体剥落或斑点 | 两倍滚动体自转频率带保持架频率边带 | 疲劳或杂质侵入 |
| 保持架磨损或断裂 | 保持架频率及其调制边带 | 润滑不良或冲击载荷 |
| 滚道上等间距压痕 | 投运初期即出现缺陷频率 | 安装冲击或静止时受振 |
| 滚道搓衣板状条纹 | 高频段宽峰 | 电流通过轴承 |
| 外圈外圆或座孔磨亮 | 多阶谐波、相位不稳定 | 配合过松，外圈跑圈 |
| 磨损路径偏向一侧或歪斜 | 轴向成分偏大 | 不对中、轴承歪斜或轴向载荷过大 |
现场测试怎么安排
现场测试由北京团队的工程师带仪器完成；测点方案、评价依据和报告形式在方案中与您确认。北京以外的项目按地点、测点数量和工期安排人员和仪器。需要配合材料检测或失效件分析的，可以与失效分析一并安排。
常见问题
不知道轴承型号还能诊断吗？
可以初步判断。非整数倍的成分、包络谱中的重复频率和边带结构都能提示故障类型，还可以利用外圈与内圈频率之和等于滚动体数乘以转频等关系反推。但有型号和几何参数时判断更可靠。
包络谱出现轴承频率，是否要立刻更换？
不一定。早期缺陷可能还能运行较长时间，关键看发展趋势、温度、噪声和设备的重要程度。应缩短跟踪间隔，结合润滑状态和生产安排确定检修时机。
加完润滑脂振动下降了，是否说明轴承没问题？
不能这样判断。润滑不良时加脂后高频噪声会下降，但已有剥落的轴承加脂后也会短暂好转，之后又回升。应在加脂后一段时间复测，观察缺陷频率是否仍然存在。
低速设备的轴承怎么测？
低速轴承冲击能量小、重复频率低，需要低频性能好的加速度传感器、牢固安装、较长采样时间和足够的频率分辨率，配合包络和时间波形分析，必要时辅以温度和超声检测。
变频电机的轴承为什么容易坏？
变频驱动可能在轴上感应出电压，电流经轴承放电形成电蚀，滚道出现搓衣板状条纹，振动上表现为高频段的宽峰。可以采用绝缘轴承、轴接地等措施，并在拆检时确认损伤形态。