基于Hilbert共振解調法的滾動軸承振動故障診斷

王勇

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調技術，從共振信號中解調出故障特征信號，對故障特征頻率進行分析，并經過實驗診斷出軸承故障類型和部位，驗證了該損傷診斷方法的優越性。

關鍵詞：滾動軸承；故障診斷；共振解調技術

1 概述

滾動軸承是各種旋轉機械中應用最廣泛的一種機械部件，它的運行狀態影響整臺機器的性能，包括精度、可靠性等。同時它也是機器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對其按設計壽命進行定時維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時維修和替換，導致機械工作精度下降，甚至引發事故。因此對滾動軸承進行工況監視與故障診斷，改傳統的定時維修為視情維修或預知維修，具有重要意義[1]。

滾動軸承最常見的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運轉過程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發性，會加劇運行時的沖擊載荷，有可能在較短時間內發展為大片剝落，危害很大，因此力爭在局部損傷出現的早期，就檢測到其特征信號并對其進行定位[2，3]。

2 實驗和結果

2.1 實驗設計

滾動軸承故障實驗系統由機械驅動裝置、軸系、加載裝置、振動信號采集系統組成，如圖2所示。機械驅動裝置為變頻調速電機及齒輪減速箱，軸轉速可在15～748r/min之間調整。軸系包括直徑100mm的軸、1個推力軸承、1個圓柱滾子軸承和1個受測的6220型深溝球軸承。受測軸承共有三種試件，分別為無故障軸承、外圈故障軸承和內圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內圈上模擬出點蝕坑）。加載裝置通過總放大倍數為200的兩級杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動信號采集系統由手持式轉速計、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機組成。

2.2 故障特征頻率計算

文章的實驗分別模擬了外圈單處點蝕故障和內圈單處點蝕故障。

可以計算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數據處理及結果分析

分別對外圈故障和內圈故障軸承的振動實測信號進行處理和分析。

（1） 滾動軸承外圈滾道有一處點蝕坑時，所測振動信號的時域波形經過共振解調后的信號頻譜見圖1。可見經過共振解調的信號頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調法用于滾動軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周圍無邊頻帶譜，軸承點蝕故障時振動信號出現明顯的沖擊振動。

（2） 滾動軸承內圈滾道有一處點蝕坑時，共振解調信號頻譜見圖2。共振解調頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計算所得內圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結束語

滾動軸承發生局部損傷時的特征信息，通常會對軸承結構共振產生調制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調技術，從高頻共振信號中將調制信號解調出來，就放大和分離了故障特征信息，從而能準確診斷軸承局部損傷。實驗結果也驗證了這一點。從而說明基于Hilbert變換的共振解調技術是分析和監測滾動軸承故障的有力工具。

參考文獻

[1]梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷—理論·方法·系統[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計算機仿真實現[J].機械與電子，2006（10）.

[3]任國全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學院學報，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機車車輛工人，2004.endprint

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調技術，從共振信號中解調出故障特征信號，對故障特征頻率進行分析，并經過實驗診斷出軸承故障類型和部位，驗證了該損傷診斷方法的優越性。

關鍵詞：滾動軸承；故障診斷；共振解調技術

1 概述

滾動軸承是各種旋轉機械中應用最廣泛的一種機械部件，它的運行狀態影響整臺機器的性能，包括精度、可靠性等。同時它也是機器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對其按設計壽命進行定時維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時維修和替換，導致機械工作精度下降，甚至引發事故。因此對滾動軸承進行工況監視與故障診斷，改傳統的定時維修為視情維修或預知維修，具有重要意義[1]。

滾動軸承最常見的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運轉過程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發性，會加劇運行時的沖擊載荷，有可能在較短時間內發展為大片剝落，危害很大，因此力爭在局部損傷出現的早期，就檢測到其特征信號并對其進行定位[2，3]。

2 實驗和結果

2.1 實驗設計

滾動軸承故障實驗系統由機械驅動裝置、軸系、加載裝置、振動信號采集系統組成，如圖2所示。機械驅動裝置為變頻調速電機及齒輪減速箱，軸轉速可在15～748r/min之間調整。軸系包括直徑100mm的軸、1個推力軸承、1個圓柱滾子軸承和1個受測的6220型深溝球軸承。受測軸承共有三種試件，分別為無故障軸承、外圈故障軸承和內圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內圈上模擬出點蝕坑）。加載裝置通過總放大倍數為200的兩級杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動信號采集系統由手持式轉速計、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機組成。

2.2 故障特征頻率計算

文章的實驗分別模擬了外圈單處點蝕故障和內圈單處點蝕故障。

可以計算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數據處理及結果分析

分別對外圈故障和內圈故障軸承的振動實測信號進行處理和分析。

（1） 滾動軸承外圈滾道有一處點蝕坑時，所測振動信號的時域波形經過共振解調后的信號頻譜見圖1。可見經過共振解調的信號頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調法用于滾動軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周圍無邊頻帶譜，軸承點蝕故障時振動信號出現明顯的沖擊振動。

（2） 滾動軸承內圈滾道有一處點蝕坑時，共振解調信號頻譜見圖2。共振解調頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計算所得內圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結束語

滾動軸承發生局部損傷時的特征信息，通常會對軸承結構共振產生調制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調技術，從高頻共振信號中將調制信號解調出來，就放大和分離了故障特征信息，從而能準確診斷軸承局部損傷。實驗結果也驗證了這一點。從而說明基于Hilbert變換的共振解調技術是分析和監測滾動軸承故障的有力工具。

參考文獻

[1]梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷—理論·方法·系統[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計算機仿真實現[J].機械與電子，2006（10）.

[3]任國全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學院學報，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機車車輛工人，2004.endprint

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調技術，從共振信號中解調出故障特征信號，對故障特征頻率進行分析，并經過實驗診斷出軸承故障類型和部位，驗證了該損傷診斷方法的優越性。

關鍵詞：滾動軸承；故障診斷；共振解調技術

1 概述

滾動軸承是各種旋轉機械中應用最廣泛的一種機械部件，它的運行狀態影響整臺機器的性能，包括精度、可靠性等。同時它也是機器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對其按設計壽命進行定時維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時維修和替換，導致機械工作精度下降，甚至引發事故。因此對滾動軸承進行工況監視與故障診斷，改傳統的定時維修為視情維修或預知維修，具有重要意義[1]。

滾動軸承最常見的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運轉過程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發性，會加劇運行時的沖擊載荷，有可能在較短時間內發展為大片剝落，危害很大，因此力爭在局部損傷出現的早期，就檢測到其特征信號并對其進行定位[2，3]。

2 實驗和結果

2.1 實驗設計

滾動軸承故障實驗系統由機械驅動裝置、軸系、加載裝置、振動信號采集系統組成，如圖2所示。機械驅動裝置為變頻調速電機及齒輪減速箱，軸轉速可在15～748r/min之間調整。軸系包括直徑100mm的軸、1個推力軸承、1個圓柱滾子軸承和1個受測的6220型深溝球軸承。受測軸承共有三種試件，分別為無故障軸承、外圈故障軸承和內圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內圈上模擬出點蝕坑）。加載裝置通過總放大倍數為200的兩級杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動信號采集系統由手持式轉速計、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機組成。

2.2 故障特征頻率計算

文章的實驗分別模擬了外圈單處點蝕故障和內圈單處點蝕故障。

可以計算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數據處理及結果分析

分別對外圈故障和內圈故障軸承的振動實測信號進行處理和分析。

（1） 滾動軸承外圈滾道有一處點蝕坑時，所測振動信號的時域波形經過共振解調后的信號頻譜見圖1。可見經過共振解調的信號頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調法用于滾動軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周圍無邊頻帶譜，軸承點蝕故障時振動信號出現明顯的沖擊振動。

（2） 滾動軸承內圈滾道有一處點蝕坑時，共振解調信號頻譜見圖2。共振解調頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計算所得內圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結束語

滾動軸承發生局部損傷時的特征信息，通常會對軸承結構共振產生調制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調技術，從高頻共振信號中將調制信號解調出來，就放大和分離了故障特征信息，從而能準確診斷軸承局部損傷。實驗結果也驗證了這一點。從而說明基于Hilbert變換的共振解調技術是分析和監測滾動軸承故障的有力工具。

參考文獻

[1]梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷—理論·方法·系統[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計算機仿真實現[J].機械與電子，2006（10）.

[3]任國全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學院學報，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機車車輛工人，2004.endprint