装备制造领域的研究热点：滚动轴承故障诊断

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。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。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。

▲ 滚动轴承失效的典型形式。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。

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，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。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。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。

▲ 带有外圈损伤的滚动轴承LS-DYNA 模型

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。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。

综上，故障机理是反映故障原因的本质特征，故障机理研究是认识故障本质特征的科学实践。目前有关滚动轴承故障机理的研究成果主要见于期刊和会议论文集，尚缺乏系统反映当前研究状况的书籍。

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（曹宏瑞，陈雪峰，彭城著. 北京：科学出版社, 2023.11）一书面向我国高端装备制造业的“工业强基” 需求，总结了作者近十年关于滚动轴承故障机理及动力学理论的研究及应用实践，广泛吸取了国内外学者在该领域的研究成果，论述了典型滚动轴承动力学建模理论，重点讨论了轴承接触面局部损伤、保持架故障动力学分析方法，发展了轴承与转子系统耦合建模方法，为工程中的旋转机械系统动力学分析提供理论基础。

本书以滚动轴承故障动力学建模为理论基础，以揭示含故障轴承的振动响应机理为目标，用准确的动力学仿真结果和典型的验证性实验来证明故障模型的有效性，具备以下特点：

• 立足学科前沿，总结作者在滚动轴承故障动力学分析中的新成果和新进展，研究特色鲜明，具有先进性与新颖性；

• 涵盖了球轴承(单列向心球轴承、双半内圈球轴承、浮动变位球轴承)、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等工程中最常见的几种轴承，介绍了滚动轴承常见的损伤及动力学分析方法，具有很强的实用性；

• 本书内容由浅入深、循序渐进，各章内容既相互关联，又自成体系，具有较强的可读性。

本书研究工作得到了国家重点研发计划项目(2020YFB2007700)、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(51922084)、国防科技项目(MKF20210014)、航空发动机和燃气轮机重大专项(J2019-IV-0004-0071) 等项目的资助。

本书内容源于作者在西安交通大学航空发动机研究所的科研成果积累。希望本书能起到抛砖引玉的作用，助力广大科技工作者更好地探索滚动轴承故障机理，不断丰富轴承故障诊断知识库，为高端轴承乃至装备的“设计—制造—运维” 全生命周期健康管理提供坚实的理论基础与有力的技术支持。

本文摘编自《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》（曹宏瑞，陈雪峰，彭城著. 北京：科学出版社, 2023.11）一书“第1章 绪论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(航天发动机技术丛书)

“十四五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-073946-9

责任编辑: 杨 丹

15502918619（微信同号）

本书以滚动轴承故障动力学建模为理论基础，以揭示含故障轴承的振动响应机理为目标，论述了滚动轴承动力学建模方法，介绍了球轴承（单列向心球轴承、双半内圈球轴承、浮动变位球轴承）、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承的动力学方程及求解流程；重点探讨了滚动轴承局部损伤故障动力学分析方法，对滚动轴承单点、多点和复合损伤故障下的振动响应进行了仿真及实验分析；考虑滚道表面形貌，对滚动轴承进行了动力学仿真分析和实验分析；从打滑和稳定性两方面开展了滚动轴承保持架动力学分析，讨论了双半内圈球轴承三点异常接触及滑动问题；最后，介绍了滚动轴承与转子有限元、转子刚体单元的耦合建模方法，为工程中的转子-轴承系统动力学分析提供理论基础。

本书可供旋转机械相关领域从事滚动轴承故障诊断、转子动力学分析等研究的科技工作者使用，也可作为机械、航空航天、力学、能源等专业研究生的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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