基于共振解調的空氣壓縮機軸承故障診斷研究

秦嗣峰 欒 瑾

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000）

引言

列車安全運行是軌道交通行業的工作重點。滾動軸承作為空氣壓縮機的重要零件，一旦出現故障，會導致空氣壓縮機無法為列車供風，嚴重影響列車運行安全。滾動軸承雖然結構簡單，但其損傷形式多種多樣，振動信號的頻帶非常寬廣，反映運轉狀態信息的能量往往比較微弱，使得傳統的頻譜分析方法難以直接找出它的故障特征頻率[1-2]。共振解調法能夠利用沖擊脈沖含有寬廣頻譜的特點檢測故障引起的瞬態沖擊。對共振解調后的信號進行Fourier 變換，通過頻譜識別特征頻率，不僅能夠判斷軸承的損傷程度，還可以確定軸承的損傷部位，從而診斷軸承故障。

本文針對空氣壓縮機滾動軸承故障引起的周期性沖擊特征提取問題，考慮到共振解調在檢測瞬態沖擊方面的優勢，提出了基于共振解調的空氣壓縮機滾動軸承故障診斷方法，并應用該方法分析了滾動軸承故障實驗信號，準確診斷了滾動軸承元件故障，驗證了該方法的有效性。

1 滾動軸承故障檢測機理

當滾動體與滾道接觸區域出現局部缺陷時，軸承在旋轉過程中會產生沖擊信號，缺陷在軸承不同的元件上，產生的沖擊頻率也就不同，這個頻率稱為故障特征頻率。滾動軸承的特征頻率如下所示[3]：

內圈旋轉頻率：

內外圈相對旋轉頻率：

外圈故障特征頻率：

內圈故障特征頻率：

其中，D 為軸承滾道節徑，d 為滾珠直徑，α接觸角，Z 為滾珠個數，f0為外圈旋轉頻率（0）。

2 共振解調

共振解調的基本原理是把機械設備的振動信息經共振及解調來獲取軸承、齒輪以及其他旋轉機械因故障碰撞而產生的沖擊信息[4]。當設備元件出現局部損傷時，在受載運行過程中將與其他元件發生碰撞，從而產生沖擊脈沖。由于沖擊脈沖的頻帶較寬，必然包含設備元件、傳感器等各自固有頻率激發的高頻固有振動。可根據實際需要選擇某一高頻固有振動作為研究對象，利用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將高頻固有振動分離出來，然后通過包絡檢波去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡信號。通過對包絡信號進行頻譜分析即可診斷出設備故障。

共振解調的具體過程如下：

（1）選擇結構某一固有頻率作為帶通濾波器的中心頻率，并對振動信號進行濾波。

（2）對濾波后的信號進行包絡檢波處理，獲得低頻包絡信號。

（3）對包絡信號進行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷故障。

3 實驗信號分析

3.1 實驗說明

為模擬滾動軸承元件的局部損傷，選擇實驗用滾動軸承型號為ER10K，參數見表1。并且在滾動軸承的外圈、內圈分別加工了局部損傷。實驗中，將加速度傳感器置于軸承座的正上方，電機轉速設為1200 r/min，采樣頻率為20 kHz。根據軸承的參數，按式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分別計算各元件的故障特征頻率，見表2。

表1 滾動軸承ER10K基本參數

表2 滾動軸承ER10K元件特征頻率 單位：Hz

3.2 信號分析

為了驗證共振解調在滾動軸承故障診斷中的效果，首先對正常滾動軸承振動信號進行分析，將結果作為基準，然后分析故障信號，說明該方法的有效性。

3.2.1 正常信號

正常信號的時域波形、功率譜如圖1 (a)、圖1(b)所示。從功率譜中可以看出，系統的其中一個固有頻率大約在5100Hz 左右，因此選取此頻率作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設為500Hz，對軸承振動信號進行濾波；然后對濾波后的信號進行包絡檢波處理，獲得軸承信號的包絡譜如圖1 (c)所示。從包絡譜中無法找到與任何滾動軸承元件故障特征頻率及其倍頻相對應的峰值頻率或頻率間隔，表明軸承正常，沒有故障。

圖1 正常滾動軸承信號分析結果

3.2.2 外圈故障信號

外圈故障軸承振動信號的時域波形、功率譜如圖2 (a)、圖2(b)所示。根據功率譜，同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設為500Hz，對軸承振動信號進行濾波，然后對濾波后的信號進行包絡檢波處理，獲得的包絡譜如圖2 (c)所示。由包絡譜可見，峰值主要出現在軸承外圈故障特征頻率62.11 Hz 及其倍頻處，故障特征頻率明顯直觀。上述特征說明滾動軸承外圈出現了故障，符合實驗中的實際情況。

3.2.3 內圈故障信號

內圈故障軸承振動信號的時域波形、功率譜如圖3 (a)、圖3 (b)所示。同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬為500Hz，對軸承振動信號進行濾波，然后對濾波后的信號進行包絡檢波處理，獲得的包絡譜如圖3 (c)所示。包絡譜中明顯存在和軸承內圈故障特征頻率97.89 Hz 及其倍頻相對應的峰值頻率。

圖2 滾動軸承外圈故障信號分析結果

圖3 滾動軸承內圈故障信號分析結果

將包絡譜局部放大（圖3 (d)），發現內圈故障特征頻率及其倍頻周圍存在邊帶間隔為轉軸轉頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。這是由于內圈出現故障時，當其位于加載區，產生的沖擊會更加劇烈，從而產生更高的振幅，當移出加載區后，其振幅又會降低，在這種情況下內圈的故障頻率被旋轉頻率所調制，因此會在頻譜中看到轉軸轉頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。上述特征說明滾動軸承內圈出現了故障，符合實驗中的實際情況。

4 結語

軌道交通行業中的空氣壓縮機組滾動軸承故障產生的信息往往淹沒在背景噪聲中，很難被發現和提取。針對滾動軸承故障信號的周期性沖擊特點，提出了基于共振解調的故障診斷方法：首先對振動信號進行Fourier 變換獲得頻譜；然后根據頻譜選取某一固有頻率作為濾波器的中心頻率，并對振動信號進行共振解調；最后對低頻包絡信號進行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷軸承故障。應用該方法分析了滾動軸承內圈和外圈故障的實驗信號，正確診斷出了滾動軸承元件的故障，驗證了該方法的有效性。