基于頻域分析的滾動軸承故障診斷

摘 要：滾動軸承應用廣泛，出現(xiàn)故障時會造成巨大損失，因此有必要對滾動軸承進行故障診斷。提出使用頻域分析的方法來判斷滾動軸承的故障。首先通過使用傅里葉變換判斷軸承故障可能存在的部位，從而初步的診斷出滾動軸承的故障。

關鍵詞：滾動軸承;頻域分析;故障診斷

0 引言

滾動軸承是機械設備中最為常見的零件之一，軸承的運行狀態(tài)直接影響設備的整體性能。如果大型設備的滾動軸承發(fā)生了故障，則有可能造成巨大的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡[1]。因此對滾動軸承進行故障診斷，檢測滾動軸承的運行狀況是十分必要的。

目前，對滾動軸承進行故障診斷的方法主要分為時域分析、頻域分析、時頻分析。其中時頻分析需要具備較高的理論知識，工程人員在使用時會有較大的難度。而時域分析是在時間域中直接對滾動軸承振動信號進行分析，因此具有直觀和準確的優(yōu)點[2]。頻域分析是將一個復雜信號分解為簡單信號的疊加，易于理解并且物理意義明確[3]。因此頻域分析在滾動軸承的故障診斷中占有重要地位。

1 頻域指標

頻域指標中最常用的是傅里葉變換，其公式如下：

使用傅里葉變換可以將信號從時域轉換到頻域，從頻率的角度來分析信號。能夠觀察到時域內(nèi)不容易觀察到的頻率。當滾動軸承振動信號的傅里葉變換在故障頻率處存在譜線時，可初步判斷軸承存在故障。

2實驗分析

實驗數(shù)據(jù)來自美國凱斯西儲大學公開的軸承數(shù)據(jù)庫。實驗用的軸承型號為6205滾動軸承，軸承的相關尺寸見表1。使用電火花在軸承上加工出單點故障，故障尺寸分別為0.1778 mm和0.533 mm。測試軸承連接在電機上，通過傳感器獲得軸承的振動信號。電機的轉速為1721 r/min，采樣頻率為12000 Hz。

滾動軸承的故障頻率計算公式為：

式中表示軸承的外圈故障頻率，表示軸承的內(nèi)圈故障頻率，表示軸承的滾動體故障頻率。

2.1 頻域分析

時域分析能夠直觀的觀察滾動軸承的振動信號的幅值大小和幅值的變化規(guī)律，但是不能提供振動信號中包含的周期信號、脈沖信號等關鍵信息。因此對滾動軸承的振動信號需要進行頻域分析。外圈故障尺寸為0.1778 mm軸承振動信號的傅里葉變換見圖1。

（a）正常軸承（b）外圈故障尺寸為0.1778 mm軸承（c）外圈故障尺寸為0.533 mm軸承

滾動軸承振動信號的頻譜分析見圖1，由圖1（a）可知，正常軸承振動信號的傅里葉變換在轉頻（28.68 Hz）的3倍頻處存在譜線。由圖1（b）和圖1（c）可知，滾動軸承外圈存在故障時，其振動信號的傅里葉變換在外圈故障頻率（102.78 Hz）處存在譜線。因此，可根據(jù)振動信號的頻譜圖在外圈故障頻率處存在譜線初步判斷軸承外圈存在故障。

根據(jù)滾動軸承振動信號的頻域分析同樣可以初步判斷軸承的內(nèi)圈和滾動體是否存在故障。

3 結論

通過使用頻域指標中的傅里葉變換可以初步的判斷出滾動軸承是否存在故障以及故障的部位。

參考文獻

[1]潘玉娜.滾動軸承的性能退化特征提取及評估方法研究[D].上海交通大學，2011.

[2]劉偉，戴成梅.Matlab在控制理論時域分析法教學中的應用[J].巢湖學院學報，2011，（6）：140-143.

[3]李洪濤，盧文波，舒大強，et al.基于功率譜的爆破地震能量分析方法[J].爆炸與沖擊，2009，29（5）：492-496.