轴承常见故障原因与诊断分析技术
轴承常见故障原因与诊断分析技术
轴承是旋转机械中的关键组件，其故障可能导致设备性能下降和寿命缩短。本文详细介绍了轴承常见故障的原因、诊断方法以及预防措施，对于从事机械工程、设备维护等相关领域的读者具有较高的参考价值。
轴承常见故障原因与诊断分析技术
滚动轴承是旋转机械中不可或缺的组件，在技术持续精进下，其设计与制造能力已达到成熟的水準。尽管如此，避免轴承故障仍然是一項重要的技术挑战，特别是润滑不良问题，引發運轉中機械產生異常，進而影響性能與壽命。為了確保軸承的可靠度，可經由基本額定壽命等方面進行評估，滿足其在各種應用條件下能達到預期的運轉時間。此外，頻譜分析作為一種預警機制，可以在軸承故障惡化之前，協助使用者早期辨識和解決潛在的問題。這不僅降低了設備故障的可能性，也為確保生產流程的高效運作和穩定性提供保障。
1. 前言
現代工業化軸承發展已超過一百年以上歷史，其設計和製造技術已經非常的成熟，但在使用上仍然會遭遇各种异常的情况，称为軸承的故障或失效。軸承故障是指軸承仍可維持支撐與轉動的功能，但發生例如異音、振動過高及溫升過高等現象。失效是指軸承已發生疲勞破壞(Fatigue)，無法提供支撐與轉動的功能，亦稱為軸承壽命終了。當軸承發生故障時，若不進行適當處置，亦會導致軸承過早失效。导致軸承过早失效的因素包括：
安装不当：未意识到需要正确的安装工具所引起的，例如以铁锤敲击轴承。要进行正确和有效的安装与拆卸，不同的安装需要使用机械、液压或加热方法，避免发生冲击负荷导致故障。
污染：当沙尘、铁屑或其他外部杂质进入轴承时，它们会在滚动体和沟道面之间造成磨损(Wear)。这些外部污染物经常是由于密封不良或在维修过程中的污染所导致。
电蚀：这通常发生在大型电机或其他带有电驱动的设备中，如果没有适当的接地或隔离措施。轴承可能会受到电流的通过，导致微小的焊接和熔化。
热膨胀：当机械设备发热时，材料会发生膨胀。如果轴承的温度上升太高，可能会导致内部间隙减少，进而增加磨损。
振动和不平衡：设备的不正确对齐或不平衡可能会导致轴承受到过高的振动，会加速磨损。
腐蚀：在某些恶劣的环境中，如高湿度或化学气氛，轴承可能会受到腐蚀。这会降低材料的强度并进而导致提早失效。
以上是轴承常见的故障类别，当轴承发生磨损时进而导致润滑不良的現象發生時，會導致高達90%軸承因故障而提早失效。在实际应用中，通过以下三个步骤可以降低轴承故障的风险：
- 使用前选用：軸承的理論壽命評估
- 使用中监控：使用频谱分析进行诊断
- 事后故障调查：经由经验学习持续迭代与提升，避免再发
2. 轴承的理论寿命评估
轴承的寿命与负荷及转速有关，是可经由基本额定寿命(Basic Rating Life)公式进行评估。基本额定寿命是指一批相同的轴承以同一条件进行运转时，其中10％的轴承(信賴度為90％)会发生的疲劳剥落的总回转数。若以固定转速运转时，则以总运转小时表示。
基本动额定负荷定义为当轴承运转达到1,000,000转时所能承受的最大负荷。其计算公式如下：
其中：
- L10h为基本额定寿命(小时)
- n为轴承转速(rpm)
- C为基本动额定负荷(N)
- P为等效负荷(N)
从式(1)中了解基本动额定负荷是影响寿命之主要关键，与轴承内部之滚动体尺寸及滚动体数量呈现正相关。若在相同的负荷条件下，动额定负荷越大之轴承，其运转使用时间就越长；或是在相同的转速下，动额定负荷越大之轴承，就能承受更大的外在负荷。但仍需考量其它需求，例如转速及机构空间等限制。
在一般工作条件应用中，使用者可以透过查询各轴承品牌型录找出对应规格之基本动额定负荷(C值)，并将等效负荷以及转速等条件带入公式(1)计算，即可得到轴承的寿命。若对于计算结果有疑虑或是不熟悉评估方式，亦可以由专业团队协助并提供计算报告，或是以计算分析软件进行分析。
在工具机主轴应用上，一次会使用二列以上到多列的精密斜角滚动轴承。多列轴承其发生故障机率会比使用单列来的高，因为只要一列轴承发生故障就会导致主轴发生异常，例如异音、振动或是刚性等问题，使用商业软件进行计算，分析每列轴承的基本额定寿命，找出寿命最低者是否能满足产品保固需求外，也可计算主轴之轴向与径向刚性。
轴承的基本额定寿命是基于统计数据和经验公式计算出来的，轴承实际使用寿命可能会受到许多因素的影响，如负荷、润滑、安装条件、操作环境等。轴承的选用除了受到使用条件考量，须包括外部需求因素影响，外部需求包括品牌、产地及保固期限等，根据优先顺序进行设计，因此轴承选用上以"最適合"为主。
3. 频谱分析的重要性
频谱分析是一种强大而高效的工具，尤其是在轴承健康监控与诊断领域，随着现代工业的快速发展，机械健康监测和维护已经变得越来越重要，频谱分析提供了一个早期警报系统，帮助他们在问题变得更加严重之前识别和解决轴承故障问题。
根据以往在业界的服务经验，多数客户已逐渐了解频谱分析的优點，研发阶段分析及使用过程中监测，避免人为偏颇之主观判断，或是因轴承拆下后因故障原因消失，事後调查轴承状态良好，导致双方各执一词。既然频谱分析优點眾多，但使用者对于導入频谱分析相关工具是卻步不前，不外乎以下原因：(1)工具价格高昂、(2)原理艰深难懂、(3)需要培养专业操作人员。还好这几年来新推出的频谱分析工具越加亲民与友善，价格也在可接受范围，对于使用者而言真的是一大助益。本章节分享频谱分析的服務应用案例，希望能协助读者理解频谱分析的重要性和应用价值。
频谱分析的主要优势包括：
早期检测：频谱分析可以在轴承仅出现初期损伤即及时检测到，优于其他传统检测技术。
定量分析：通过频谱分析，不仅可以识别轴承的损坏类型，还可以进行定量分析，如评估损坏的严重程度。
节省成本：早期检测意味着可以提前采取预防措施，从而避免机器的进一步损坏。这不仅节省维修成本，还可以避免生产中断带来的损失。
当轴承出现损伤时，会产生特定的振动信号，但这些振动信号是混合而成的，包含多个频率的叠加，通过包络法处理及快速傅立叶转换等步骤，将连续信号进行多个解析步骤，并与轴承缺陷频率对比，确认是否发生损伤故障。当确认损伤发生时，经由振动量幅度是否达到设定值，从而精确地诊断轴承的健康状况，最终评估是否要立即更换轴承。
不同规格轴承其损伤频率会有差别，如何计算？Google一下就可以找到对应的计算公式、轴承PCD与钢珠径等参数，此外市售频谱分析工具可针对轴承损伤解析也会内建相关计算式或是直接选择轴承型号，免去计算困扰，使用上也就容易上手。
3.1 轴承损伤分析
频谱分析在许多工业领域中都被广泛应用，特别是在机械设备之健康监测和诊断。以轴承故障诊断为例，其主要优势包括：
早期检测：频谱分析可以在轴承仅出现初期损伤即及时检测到，优于其他传统检测技术。
定量分析：通过频谱分析，不仅可以识别轴承的损坏类型，还可以进行定量分析，如评估损坏的严重程度。
节省成本：早期检测意味着可以提前采取预防措施，从而避免机器的进一步损坏。这不仅节省维修成本，还可以避免生产中断带来的损失。
3.2 频谱分析案例分享
机械设备发生异音时，主要有三种情况：(1)响度大、(2)频率异常但响度正常、(3)频率与响度都异常。不論是以上哪一種情況，使用者幾乎會認為是軸承所造成的。軸承發生異音可能來自於在不適當運轉/組裝條件或是軸承本身品質問題，皆有可能會發生異音，但如何防止再發才是軸承業者、機械設備業者及終端使用者之共識。以下案例之共通點為機械設備發生異音，初步判斷非軸承品質問題，但在機械設備上運轉發生異音也是事實，針對三個案例進行說明。
3.2.1 换气系统马达分析案例
一位使用者住戶反映住宅换气系统马达运转时，会产生周期性的低频异音(忽大忽小)，尤其在半夜时段感受特别明显，严重影響睡眠品质。业者将具疑虑之马达重新量测振動值符合出廠規範，請筆者之技術團隊協助確認。
将该马达以一手持式频谱量测设备进行分析，马达转速为3600rpm，振动值仅为0.394 m/s2，但将振动信号转为频谱图分析，存在转速2倍转速频率振幅高于转速1倍频率之振幅，且并未对应到轴承缺陷频率。推測其故障之類型為軸承內外環轉軸發生偏擺，造成軸承局部位置潤滑不良，最終導致異音發生(外在可觀測到的現象)。改善方案為確認馬達預壓以及心軸偏擺的情況，最終順利解決。
3.2.2 空调风扇马达分析案例
一家用冷气制造商反映，开发静音马达使用两种保持器规格之轴承(铁製保持器与塑膠保持器)进行开发验证测试，结果发现噪音响度有所差异，业者担心终端使用者会对冷气静音度品质不满，由技术团队协助确认。
将两只马达以专业型频谱量测设备进行分析(马达转速为750rpm)，图11同时呈现分别装装置铁製保持器(铁保)与塑膠保持器軸承(T2保持器)之時域圖疊合，铁製保持器軸承明显振動值較高。图12所示为频谱图叠合，亦发现铁製保持器軸承存在1到7倍转速頻率等多倍頻振幅，且4倍转速頻率振幅大於1倍。反觀塑膠保持器(T2)軸承其1倍到多倍轉速頻率振幅低而稳定，客戶端研發單位经由频谱分析确认心中的疑惑，并与观察到的现象一致，进而决定解决方案。
4. 总结
文中提到几种轴承常见的故障类型，希望透过这篇文章，让读者能够对轴承使用有更进一步的了解，并掌握提升轴承运转寿命之关键，总结如下：
为了预测和防范轴承的潜在故障，轴承于使用前计算基本额定寿命以及在使用过程中进行频谱分析监测的重要性。此外，当轴承发生故障时，进行的后续调查和分析也是不可或缺的，这样做的目的是为了彻底排除问题，确保类似状况不会重演。
本文提出了频谱分析的应用案例，特别是在轴承安装和规格选择议题上。尽管有经验丰富的技术人员可能依靠经验直觉判断出问题所在，但频谱分析提供的详实数据和结果能够更加有力地支持我们的判断，从而有效地说服供应商或客户接受相应的解决方案。
对于轴承供应商而言，责任不仅在于提供优质的产品，还在于提供专业的分析与建议。供应商应根据客户的具体使用条件和需求，提供定制化的建议，帮助客户选择到最适合他们的轴承。