定义：什么是轴承故障频率？

轴承故障频率 （也称为轴承缺陷频率或特征频率）是特定的 振动 当轴承中的滚动体（滚珠或滚子）经过轴承滚道或滚动体本身的裂纹、剥落、凹坑或表面疲劳等缺陷时产生的频率。根据轴承的内部几何形状和轴的旋转速度，这些频率在数学上是可以预测的，因此它们是早期检测以下故障的宝贵诊断指标 轴承缺陷.

通过以下方式理解和识别这些频率 振动分析 这样，维护人员就能在轴承问题通过温度升高、噪音或灾难性故障显现之前数月（有时甚至数年）发现问题。这样就可以有计划地进行维护，避免代价高昂的计划外停机、轴和轴承座的二次损坏以及潜在的安全事故。.

数学可预测性为何重要

与许多会产生不可预测频率的振动源不同，轴承故障频率可以通过轴承几何形状精确计算出来。这意味着分析人员可以知道 正是 在……中应关注哪些频率 光谱，从而消除猜测，并实现能够持续监测这些特定特征的自动化监控系统。

四种基本故障频率 - 深入浅出

每个滚动体轴承都有四种特征故障频率。每种频率对应于特定轴承部件上不同类型的缺陷。了解每种频率背后的物理机制对于准确诊断至关重要。.

1.BPFO - 滚珠通过频率，外圈

"(《世界人权宣言》) BPFO BPFO 表示滚动体通过外滚道固定点的速度。当外滚道表面存在缺陷时，每个滚动体通过时都会撞击缺陷，从而以可预测的频率产生重复撞击。.

物理机制

在大多数轴承安装中，外滚道是静止的（压入轴承座）。这意味着外滚道上的缺陷相对于载荷区（轴载荷通过滚动体传递的弧形区域）保持在一个固定位置。由于缺陷相对于负载的位置不会改变，因此每个滚动体通道上的冲击力保持相对恒定。这会产生干净、强烈的振动信号，通常是最容易检测的轴承缺陷。.

诊断特征

  • 典型范围 大多数标准轴承的 3-5 倍轴速
  • 振幅一致性： 振幅相对均匀，因为缺陷相对于负载区始终处于相同位置
  • 边带行为 最小 边带 在典型的安装情况下，如果外圈在轴承座内可以轻微转动（间隙较大），可能会出现1×边带
  • 和谐发展： 随着缺陷的增大，2×、3×、4× BPFO 谐波逐渐出现
  • 易于检测： 信号振幅一致，是四种故障类型中最容易检测的一种
实用窍门 - 外侧滚道载荷区

如果 BPFO 峰值存在但较弱，则缺陷可能位于主要载荷区之外。改变测量方向（如从垂直方向改为水平方向）或改变轴承上的载荷可使载荷区相对于缺陷移动，从而使缺陷在频谱中更加明显。.

2.BPFI - 滚珠通过频率，内齿圈

"(《世界人权宣言》) BPFI BPFI 表示滚动体经过内滚道上固定点的速度。由于内滚道随轴旋转，因此内滚道上的缺陷每转一圈都会进出载荷区--这是与外滚道缺陷的重要区别。.

物理机制

内滚道压装在轴上并随轴旋转。每个滚动体通过时都会撞击内滚道表面的剥落或凹坑，但与 BPFO 不同的是，撞击能量随缺陷在轴承的加载区和卸载区的移动而变化。当缺陷位于负荷区（水平轴轴承的底部）时，滚动体紧紧地压在两个滚道上，冲击力很强。当缺陷旋转到卸载区（顶部）时，滚动体几乎不与内滚道接触，冲击力可能很弱或根本没有。.

这种在 1 倍轴转速下的振幅调制是内滚道缺陷的显著特征，并在频谱中产生特征边带。.

诊断特征

  • 典型范围 5-7 倍轴速（对于相同轴承，始终高于 BPFO）
  • 调幅 当缺陷进入/离开负载区时，以轴转速（1×）调制信号振幅
  • 边带行为 几乎总是在 BPFI 周围显示 ±1×、±2× 边带 - 这是关键的诊断指标
  • 检测难度： 由于振幅不一，比 BPFO 更难检测；通常需要进行包络分析才能早期发现
  • 常见原因 轴 错位 产生不均匀应力、过紧配合不当、轴挠曲疲劳
关键区别 - BPFI 边带

在 BPFI 周围出现的 1× 边带通常比 BPFI 峰值本身更具诊断意义。在早期的内滚道缺陷中，边带可能比 BPFI 基频更突出。在调查内部滚道状况时，应始终检查边带系列。.

3.BSF - 球旋转频率

"(《世界人权宣言》) BSF BSF 表示滚动体（滚珠或滚子）沿自身轴线旋转的转速。当滚动体表面出现缺陷--凹坑、剥落或平点--时，它会在旋转过程中影响内外滚道，从而产生独特而复杂的振动模式。.

物理机制

轴承中的每个滚动体在围绕轴承中心旋转时，都会在自己的轴上旋转。旋转速度取决于节圆直径与滚珠直径之比以及轴的转速。滚动体上的缺陷朝外时每转一圈撞击一次外圈，朝内时每转一圈撞击一次内圈。这会产生 2×BSF 的撞击（缺陷元件每转一圈产生两次撞击）。此外，由于有缺陷的滚动体被保持架带着在轴承上滚动，其信号被保持架频率（FTF）调制。.

诊断特征

  • 典型范围 1.5-3 倍轴转速
  • 签名频率： 通常表现为 2× BSF 而不是 1× BSF（每转双倍冲击力）。
  • 边带行为 BSF 峰周围 FTF（笼式频率）间距的边带
  • 检测难度： 最难检测的轴承缺陷；滚动体可能出现平坦面，这些平坦面会通过重新抛光实现“自我修复”，从而导致间歇性故障
  • 发生率： 比种族缺陷少见；通常是制造或污染问题

4.FTF - 列车基本频率

"(《世界人权宣言》) 金融时报 FTF 表示轴承保持架（也称为保持架或分离器）的转速。保持架将滚动体以适当的间距固定在轴承周围，并以轴转速的一小部分旋转。.

物理机制

保持架的转速介于 0 和轴转速之间，通常约为 0.35-0.45 倍轴转速。保持架故障会产生亚同步振动，这种振动不稳定，很难与其他低频振动源区分开来。保持架问题通常源于润滑不足，导致保持架拖拽滚动体或滚道，造成磨损、变形或开裂。.

诊断特征

  • 典型范围 0.35-0.45× 轴速（亚同步）
  • 信号特征 通常不稳定、不重复，因此难以用标准 FFT 平均法检测到
  • 调制： 可能调制其他轴承频率 - 在 BPFO 或 BPFI 附近寻找 FTF 边带
  • 检测： 建议使用以下方式检测 时间波形 分析结合包络分析；也可能出现在轴向轨道模式中
  • 风险等级： 保持架故障可能是灾难性的，因为保持架碎片会卡住轴承，导致轴承突然卡死
保持架故障警告

与逐渐发展的竞赛缺陷不同，保持架故障可能会从轻微故障迅速升级为灾难性故障。如果检测到 FTF 活动，尤其是不稳定或宽带特性，强烈建议增加监测频率。保持架碎片会导致轴承突然卡住，可能导致轴损坏、设备损坏和安全隐患。.

公式变量和计算说明

故障频率公式使用轴承的内部几何参数。这些尺寸定义了轴旋转与每个轴承部件运动之间的关系：

可变 名称 说明 单位
否 滚动体数量 轴承中滚珠或滚子的总数量 —
n 轴旋转频率 内圈/轴的转速 赫兹或转速
屋宇署 滚珠/滚轴直径 一个滚动体的直径 毫米或英寸
钯 间距直径 通过所有滚动体中心的圆的直径 毫米或英寸
β 接触角 球滚子接触点连线与轴承径向平面之间的角度。深沟球轴承为 0°，角接触球轴承和圆锥滚子轴承为 15-40°。. 度
查找轴承几何数据

大多数振动分析软件都包含轴承数据库，其中包含所有主要制造商（SKF、FAG、NSK、NTN、Timken 等）数万种轴承型号的预计算参数。此外，制造商目录和在线工具还提供任何轴承型号的 Bd、Pd、N 和 β。对于非常旧或不常见的轴承，可以根据测量的外径、内孔和轴承宽度估算参数。.

简化估算规则

如果没有精确的轴承几何形状，这些近似值对于接触角 ≈ 0° 的大多数标准深沟球轴承来说都非常适用：

  • BPFO ≈ 0.4 × N × 轴速 - 对大多数轴承而言，在 ±5% 范围内都是可靠的
  • BPFI ≈ 0.6 × N × 轴速 - 在 ±5% 范围内可靠
  • FTF ≈ 0.4 × 轴速 - 在 ±10% 范围内可靠
  • BSF 各不相同 范围太广，没有几何图形无法估计

在没有轴承数据库的情况下，这些近似值可用于现场诊断，但在正式的分析报告和趋势程序中应始终使用精确计算。.

故障频率在振动频谱中的表现

了解轴承缺陷在频域中的表现对于准确诊断至关重要。随着缺陷在其生命周期中的发展，频谱模式会发生显著变化。.

基本光谱外观

当轴承出现局部缺陷（剥落、裂纹或凹坑）时，滚动体每次经过缺陷时都会产生短时冲击。这种冲击会激发轴承的自然共振频率（通常在 1-30 kHz 范围内），从而产生调制高频信号。在频谱中，表现为

  • 主峰： 在计算出的故障频率上有一个明显的峰值
  • 谐波： 在故障频率的 2 倍、3 倍、4 倍处出现附加峰值，随着缺陷的增加，附加峰值的数量也在增加
  • 侧边栏： 故障频率两侧的卫星峰，以调制频率间隔排列
  • 振幅增长： 随着缺陷面积增大，故障频率振幅逐渐增大

边带模式 - 关键诊断信号

边带是围绕主故障频率出现的次要峰值，其间隔由调制机制决定。它们为确认哪个轴承部件出现故障提供了重要信息：

  • 内滚道缺陷： BPFI 峰值在 ±1×、±2×、±3× 轴速时会出现边带。这是由于缺陷在每转一圈轴时都会旋转通过负载区，从而调节了冲击能量。.
  • 外侧滚道缺陷： 在正常安装的轴承中，BPFO 峰值通常没有边带。如果在 BPFO 周围出现 1 倍轴速的边带，则可能表明外圈可以在轴承座中轻微旋转（松动状态）。.
  • 滚动体缺陷 BSF 峰值（通常为 2 倍 BSF），边带间隔为 FTF（保持架频率）。保持架带着缺陷元件绕轴承旋转，使缺陷相对于负载区的位置随保持架的旋转速率而变化。.
  • 笼子缺陷： FTF 峰值通常带有谐波，可能会出现不稳定的振幅变化。BPFO 或 BPFI 附近的保持架频率边带可能表示影响滚动体间距的保持架相关问题。.

缺陷进展阶段

轴承缺陷会经历可识别的阶段，每个阶段都有其特征光谱模式：

第 1 阶段 - 地下
滚道表面以下的微裂纹。只有使用冲击脉冲法或高频包络分析等专业技术才能在超声波范围（250 kHz 以上）内检测到。标准 FFT 一无所获。.

第 2 阶段--轻微缺陷
Surface 剥落 开始。断层频率出现在 包络频谱 伴有1–2次谐波。标准FFT分析可能会显示出非常微弱的峰值。轴承座的固有共振频率可能会被激发。

第 3 阶段--确定缺陷
剥落明显增大。在标准 FFT 中可以看到明显的故障频率峰值以及多个谐波和边带系列。本底噪声开始上升。这是最佳更换窗口。.

第 4 阶段--严重/生命终结
大面积损坏。频谱混乱，具有高宽带能量、随机峰值和较高的本底噪声。由于缺陷几何形状变得随机，离散故障频率实际上可能会降低。需要立即更换。.

检测技术--从简单到先进

标准FFT分析

"(《世界人权宣言》) 快速傅里叶变换 是振动频谱分析的基本工具。在轴承诊断中，该程序包括计算原始振动信号的 FFT，并检查计算出的轴承故障频率是否存在峰值。.

标准 FFT 分析对中高级缺陷（阶段 2-4）很有效，因为在这些缺陷中，故障频率能量足够强，可以超越本底噪声和其他振动源。但是，由于轴承故障信号通常是低能量、高频率的影响，可能会被不平衡、不对中和其他来源的较强低频振动所掩盖，因此在早期检测方面有很大的局限性。.

包络分析（解调）--黄金标准

包络分析 (也称为高频解调或 HFD）是早期轴承缺陷检测的最有效技术。它的工作原理是利用轴承撞击的物理特性：

  • Step 1 — 带通滤波器: 原始振动信号经过滤波，以隔离轴承撞击激发结构共振的高频范围（通常为 500 Hz - 20 kHz）。这样可以消除不平衡、不对中等引起的主要低频振动。.
  • 第 2 步--整改： 滤波信号经过整流（绝对值）或希尔伯特变换，以提取振幅包络。.
  • 步骤 3 - 包络 FFT： 包络信号的 FFT 显示了冲击的重复率，这与轴承故障频率直接对应。.

包络分析比标准的FFT方法能提前6至12个月检测出轴承故障，因此成为首选的技术 预测性维护 程序。大多数现代振动分析仪都将此功能作为标准配置。

时域技术

  • 冲击脉冲法（SPM）： 测量滚动轴承中金属对金属撞击产生的机械冲击波强度。使用谐振传感器（通常为 32 kHz）检测表面缺陷产生的短时高能冲击。报告 dBsv（分贝冲击值）和归一化 dBn 和 dBc 值，并与新轴承和损坏轴承的阈值进行比较。.
  • 波峰因数： 峰值振幅与有效值振幅之比。健康轴承的波峰因数约为 3；当表面缺陷开始产生冲击时，峰值会增加，而有效值保持相对稳定，从而将波峰因数推高至 5-7 或更高。注意：在晚期故障中，峰值和有效值都会增加，波峰因数可能会向正常值回落--这对不谨慎的分析人员来说是一个潜在的陷阱。.
  • 峰度： 振动信号分布 "峰度 "的统计量度。正常（高斯）信号的峰度为 3。早期的轴承缺陷会产生尖锐的冲击，使峰度增加到 4-8 或更高，从而使其成为一个敏感的早期指标。与波峰因数一样，峰度也会随着信号的宽带化而在故障后期降低。.

高级技术

  • 频谱峰度 映射各频段的峰度值，以确定包络分析的最佳解调频段，从而取代选择滤波器时的猜测。.
  • 最小熵解卷积 (MED)： 信号处理技术可增强振动数据的脉冲性，从而改进对噪声信号中轴承故障周期性冲击的检测。.
  • 循环静态分析 利用轴承故障信号的二阶周期稳态特性（随机噪声的周期性调制），在早期缺陷阶段提供卓越的检测能力。.
  • 小波分析: 时频分解法可以同时在时间和频率上隔离瞬态轴承冲击，在传统方法无法得出结论时非常有用。.

实际应用--逐步诊断程序

识别轴承

确定轴承型号和确切位置。检查设备图纸、轴承座标记或维护记录。型号对于计算正确的故障频率至关重要。.

计算故障频率

使用轴承几何参数（N、Bd、Pd、β）和当前轴速计算 BPFO、BPFI、BSF 和 FTF。使用上述计算器、轴承数据库软件或直接使用公式计算。注意：轴转速可能会有变化 - 尽可能测量实际转速。.

收集振动数据

安装 加速度计 在轴承座上尽可能靠近负载区。测量所有三个轴的加速度。采样率至少为最高相关频率的 10 倍（进行包络分析时，采样率为 40-100 kHz）。确保机器在正常工作负载和速度下运行。.

分析频谱

检查标准FFT频谱和包络频谱中是否存在与计算出的故障频率相对应的峰值。查找BPFO、BPFI、BSF和FTF及其谐波。利用光标读数验证频率是否在计算值的±2%范围内（需考虑轻微的速度波动）。使用便携式分析仪，例如 平衡仪-1a 该功能可让您在现场直接在设备上采集频谱，并叠加计算出的故障频率，从而无需将转子送至维修车间，即可确认轴承是否正在出现故障。

通过边带确认诊断结果

检查边带模式是否与确定的缺陷类型一致。BPFI 应显示 1× 边带；BSF 应显示 FTF 边带。出现正确的边带可确认诊断结果，并将轴承频率与其他巧合峰值区分开来。.

评估严重程度

根据振幅、谐波次数、边带发展、噪底升高以及与基线/历史数据的比较来评估缺陷阶段。使用上述严重性指南将其划分为 1-4 阶段。.

计划维护行动

根据严重性评估和设备关键性，在下一个可用的维护窗口安排轴承更换。阶段 1-2 允许延长监测时间；阶段 3 需要近期规划；阶段 4 需要立即关注。记录结果，以便进行趋势分析。.

工作示例 - 完全诊断

案例：22 千瓦电机 - 驱动端使用 SKF 6308 轴承

机器： 22 千瓦、4 极、50 赫兹感应电机驱动离心泵。运行速度：1470 RPM（24.5 Hz）。驱动端轴承：SKF 6308 深沟球轴承。.

轴承数据： N = 8 个球，Bd = 15.875 毫米，Pd = 58.5 毫米，β = 0°。Bd/Pd 比率 = 0.2714。.

计算频率：

  • BPFO = (8 × 24.5 / 2) × (1 + 0.2714) = 98.0 × 1.2714 = 124.6 赫兹
  • BPFI = (8 × 24.5 / 2) × (1 − 0.2714) = 98.0 × 0.7286 = 71.4 赫兹 — 等等，这好像不对。我们来重新计算一下：

注：BPFI 使用 (1 - Bd/Pd)，而 BPFO 使用 (1 + Bd/Pd)。BPFI 应始终高于 BPFO。从标准公式来看，在外圈固定的典型公式中，BPFI 和 BPFO 的计算公式如下

  • BPFO = (N/2) × n × (1 − Bd/Pd × cos β) = 4 × 24.5 × (1 − 0.2714) = 98.0 × 0.7286 = 71.4 赫兹
  • BPFI = (N/2) × n × (1 + Bd/Pd × cos β) = 4 × 24.5 × (1 + 0.2714) = 98.0 × 1.2714 = 124.6 赫兹
  • BSF = (Pd/(2×Bd)) × n × [1 − (Bd/Pd)² × cos² β] = (58.5/31.75) × 24.5 × [1 − 0.0737] = 1.8425 × 24.5 × 0.9263 = 41.8 赫兹
  • FTF = (n/2) × (1 − Bd/Pd × cos β) = 12.25 × 0.7286 = 8.9 赫兹

测量结果（包络谱）： 在 124.3 Hz 处有一个突出峰值（与 BPFI 匹配，在 0.2% 范围内），在 248.7 Hz 和 373.1 Hz 处有谐波。边带峰值在 99.8 赫兹和 148.8 赫兹（±24.5 赫兹 = BPFI 周围 ±1 倍的轴速）。.

诊断： 内部滚道缺陷得到确认 - 带有 1× 边带的 BPFI 基波是典型特征。出现 2 次谐波但边带结构清晰，表明缺陷已发展到第 2-3 阶段。.

建议采取的行动 安排在 2-4 周内更换轴承。继续每周监测，直至更换。检查拆下的轴承，找出根本原因（未对准、配合不当、润滑？）重新安装时确认对齐和配合。.

对预测性维护的重要性

轴承故障频率是旋转设备有效预测性维护计划的基石。它们对维护策略的影响是深远的：

  • 预警 - 6 至 24 个月的准备时间： 包络分析可在轴承表面疲劳的最初阶段检测出轴承缺陷，提前数月甚至数年发出警告。这就彻底消除了意外故障，并可对维护活动进行战略性采购、人员配备和时间安排。.
  • 特定组件诊断： 整体振动水平监测只能说 "出问题了"，而故障频率分析则不同，它能准确识别出哪个轴承部件受损--外圈、内圈、滚动体或保持架。这种具体性有助于精确确定维修范围和零部件订购。.
  • 趋势监测和剩余寿命预测： 通过跟踪故障频率随时间变化的幅度，分析人员可以确定恶化率，并预测轴承何时会达到寿命终点。这种趋势分析能力可实现适时更换--不会太早（浪费轴承剩余寿命），也不会太晚（有故障风险）。.
  • 根本原因分析： 整个机群的轴承缺陷模式揭示了系统性问题。频繁出现的外圈缺陷可能表明存在污染；内圈缺陷可能表明存在轴错位模式；滚动体缺陷可能表明供应商提供的批次不合格。.
  • 防止二次损坏： 轴承故障会破坏轴颈、损坏轴承座孔、损坏密封面、污染润滑系统，甚至在危险环境中引起火灾或爆炸。及早发现并有计划地更换轴承可以避免所有二次损坏。.
  • 有据可查的成本节约： 研究一致表明，与反应性维护（运行至故障）相比，基于振动分析的预测性维护的成本效益比为 10:1 或更高。对于关键设备而言，如果将计划外停机造成的生产损失计算在内，节省的成本甚至更高。.
行业最佳做法

领先的维护计划将日常振动数据收集（大多数设备每月或每季度收集一次）与持续监控关键机器的自动报警系统相结合。轴承故障频率应配置为在线监测系统中的报警参数，并根据历史基线设置警报阈值。这种双管齐下的方法既能发现逐渐恶化的故障，也能发现突然出现的故障。.

轴承故障频率是振动分析中最强大、最行之有效的诊断工具之一。轴承故障频率的数学可预测性与现代包络分析和自动监测技术相结合，能够对轴承缺陷进行可靠的早期检测。掌握这些概念对于任何从事旋转设备状态监测、可靠性工程或预测性维护的人员都至关重要。.

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