滾動軸承故障信號時域特征指標的敏感性分析

王柏楊，劉永強，廖英英

(石家莊鐵道大學 a.機械工程學院;b.土木工程學院，石家莊 050043)

在滾動軸承狀態監測及故障診斷的分析中[1-3]，特征參數法占有重要的地位，其僅需少數指標就可以簡易判斷出軸承的狀態，分析簡單且方便[4]。但常用的時域特征指標太多，因此，提出了一種利用故障模擬信號分析時域特征指標敏感性的方法，并通過試驗驗證了理論分析結果，找出了敏感性強、可應用于軸承故障診斷的特征指標。

1 時域特征指標

在故障分析中最常用的時域特征指標有裕度指標、波形指標、峭度指標、脈沖指標、峰值指標、峰態指標、偏態指標等[5～7]，其表達式如下：

裕度指標

(1)

波形指標

(2)

峭度指標

(3)

脈沖指標

(4)

峰值指標

(5)

峰態指標

(6)

偏態指標

(7)

式中：X＾為峰值；Xr為方根幅值；Xp為均值；XRMS為有效值。當發生故障時這些指標數值會有不同程度的增大。

2 仿真信號分析

2.1 模擬信號

模擬信號由沖擊信號、噪聲信號和諧波信號3部分組成，表達式為

(8)

式中：α為衰減率，缺省值為800；t為時間；A為沖擊幅值；f1為沖擊導致的共振頻率，缺省值3 kHz；z為隨機數；B為噪聲幅值；C為諧波幅值，缺省值為1；f2為諧波頻率(轉頻)，缺省值10 Hz。

2.2 故障特征敏感性分析

當信號幅值減小到1×10-5或增加到1×1015時，特征值幾乎不再變化，因此，在該范圍內改變模擬信號的沖擊幅值、噪聲幅值以及諧波幅值，分析時域指標在幅值變化時的情況，從而判斷其敏感性強弱，結果如圖1所示。

圖1 時域指標隨信號幅值的變化情況

從圖1可以看出，在信號幅值為1時，各指標的特征值會有變化，綜合分析可知，裕度指標、脈沖指標、峭度指標和峰值指標較敏感，而其他幾個指標不敏感，需要將此結論與實際信號進行對比，觀察敏感性是否一致。

3 實際信號分析

試驗采用 QPZZ-II 型機械故障模擬及試驗平臺，可以模擬不同速度下軸承的故障特征，轉速范圍為75～1 450 r/min。試驗平臺的信號采集及故障診斷系統由加速度傳感器、電纜線、接線端子、信號調理器、采集卡、采集軟件、故障診斷軟件等組成，能夠完成振動信號采集、儲存，基本的信號處理及常規的故障診斷等工作。

試驗軸承為N205EM型圓柱滾子軸承，內徑25 mm，外徑52 mm，寬度15 mm，轉速變化范圍為200 ～1 000 r/min。根據軸承常見的故障類型，在軸承上沿滾道方向及滾動體長度方向加工故障，內、外圈及滾子故障長度分別為22， 50和7.5 mm，故障寬度均為0.1 mm。利用旋轉機械故障試驗臺研究轉速和故障深度(0.2，0.4和0.6 mm)對無量綱特征參數的影響。

3.1 不同轉速下各時域指標的敏感性分析

故障深度0.2 mm時，內、外圈及滾子故障信號的時域指標隨轉速的變化情況如圖2所示。

圖2 時域指標隨轉速的變化情況

從圖2可以看出，在同一工況下，內圈及滾子故障信號的特征值較大，且隨轉速的變化幅度比較明顯，而外圈故障信號與正常信號的特征值較小，變化比較平穩。總體而言，這幾個時域指標對轉速的變化并不敏感。

3.2 不同故障深度時各時域指標的敏感性分析

轉速為400 r/min時，不同的故障深度對故障特征指標敏感性的影響如圖3所示。

Ⅰ—裕度指標；Ⅱ—波形指標；Ⅲ—脈沖指標；Ⅳ—峰值指標；Ⅵ—峭度指標圖3 不同的故障深度對時域指標的影響

從圖3可以看出，對于滾子及內圈故障，各指標敏感性的強弱順序均為峭度指標→裕度指標→脈沖指標→峰值指標；而對于外圈故障，各指標敏感性的強弱順序則為裕度指標→脈沖指標→峰值指標→峭度指標。綜合分析可知，故障深度為0.4 mm時，各指標的特征值最大；對于同一故障深度，裕度指標和脈沖指標的敏感性較好。

4 結束語

通過對模擬信號的分析，提取出了較敏感的裕度指標、脈沖指標、峭度指標和峰值指標，進一步對試驗軸承不同轉速及不同故障尺寸的試驗表明，裕度指標和脈沖指標相對較敏感，可以在故障判別中賦予較大的權重，但如何在工程實際中應用，仍需進一步研究。