滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)特性分析

張新鵬 魏永紅

摘要：滾動(dòng)軸承在工程實(shí)踐中得到了充分的應(yīng)用，但是滾動(dòng)軸承卻十分容易損壞。滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)通常也會(huì)直接影響到整個(gè)機(jī)械設(shè)備的性能。滾動(dòng)軸承損壞尤其是突然損壞不僅會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的故障失效，甚至造成更為嚴(yán)重或許是災(zāi)難性的事故。對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行特征信號(hào)分析對(duì)其故障進(jìn)行診斷可以有效地避免事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承;信號(hào);分析

為了有效地提取滾動(dòng)軸承故障信號(hào)特性，提出了一種基于共振解調(diào)技術(shù)和譜峭度法相結(jié)合的方法，并且將其應(yīng)用到實(shí)際的滾動(dòng)軸承的數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析處理。發(fā)現(xiàn)能準(zhǔn)確的找出其故障部位并得到其故障頻率。

一、軸承結(jié)構(gòu)和故障機(jī)理

滾動(dòng)軸承是一類廣泛應(yīng)用的精細(xì)的機(jī)械構(gòu)件。滾動(dòng)軸承的作用是將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承座和軸相互的滑動(dòng)類型的摩擦轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)類型的摩擦。其一般包括四個(gè)部分：滾動(dòng)體，外圈，內(nèi)圈和保持架。內(nèi)圈能和軸進(jìn)行配合共同旋轉(zhuǎn)。外圈則是與軸承座進(jìn)行配合并且起著支撐的作用。滾動(dòng)體均勻分布在內(nèi)外圈之間，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和使用壽命有著重要的影響。保持架起著讓滾子分布均勻的功能，引領(lǐng)滾子旋轉(zhuǎn)而且具有潤(rùn)滑功能以及避免滾子掉落。

總體說(shuō)來(lái)軸承工作時(shí)的振動(dòng)通常分為以下兩種：與軸承工作面的裂痕、波紋相關(guān)和與軸承彈性相關(guān)的振動(dòng)。其中與軸承表面裂痕、波紋相關(guān)振動(dòng)能夠反映其損傷的情況。工作面若有損壞，當(dāng)滾子在損壞面運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)侯，某種交變的激振力將會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)檩S承滾動(dòng)表面損傷形狀并不規(guī)則。由此，產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)是一種隨機(jī)振動(dòng)并包含了多種頻率成分。通常來(lái)說(shuō)，軸運(yùn)轉(zhuǎn)的速率以及軸承面損壞樣式是激振力的頻率的首要性因素。而激振系統(tǒng)傳遞相關(guān)的因素由軸承和外殼來(lái)決定。總而言之，軸運(yùn)轉(zhuǎn)的速率、外殼和軸承的振動(dòng)傳遞因數(shù)以及軸承面損壞樣式等一起確定了因軸承異常而產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。一般而言，軸承具有越高的振動(dòng)頻率則表明軸有越嚴(yán)重的損傷或者有越高的旋轉(zhuǎn)速度，另外滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率會(huì)隨著滾動(dòng)軸承尺寸的增大而有所降低。因而，所有異常的軸承產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)都不會(huì)是一個(gè)特定的頻率。同樣的，當(dāng)某個(gè)軸承發(fā)生異樣的時(shí)侯，也非僅僅只發(fā)生單一的頻率振動(dòng)。

二、共振解調(diào)故障診斷技術(shù)

2.1共振解調(diào)技術(shù)原理

共振解調(diào)技術(shù)（IFD）是由振動(dòng)測(cè)試分析技術(shù)中演變而成的一項(xiàng)新技術(shù)是研究軸承早期損傷故障的常用方法。共振解調(diào)非常適合損傷故障特征提取，因?yàn)橥ㄟ^(guò)共振和帶通濾波放大以及分離了軸承零件故障的特性信號(hào)，從而增大了信噪比。實(shí)際上，軸承故障沖擊的頻譜線并不能夠看到，但軸承故障沖擊具有很寬的頻帶，該頻帶中有設(shè)備里其他所有振動(dòng)都沒(méi)有的高頻能量。共振解調(diào)技術(shù)不敏感于常規(guī)振動(dòng)，但是卻能夠靈敏地提取到細(xì)小的故障沖擊。

“共振”是指提取該高頻能量并且進(jìn)行放大的過(guò)程，一般采用利用機(jī)械或者電子諧振的方法。這個(gè)過(guò)程中能夠過(guò)濾掉沒(méi)有價(jià)值的常規(guī)振動(dòng)，使信噪比提高。“解調(diào)”是指通過(guò)包絡(luò)檢波，為了獲取僅僅含有軸承故障特性信息的低頻包絡(luò)信號(hào)，而將高頻不斷衰減的信號(hào)成分丟掉的過(guò)程。經(jīng)過(guò)此過(guò)程后，后續(xù)信號(hào)的處理難度得到了很大的降低，然后對(duì)該包絡(luò)信號(hào)頻譜分析，滾動(dòng)軸承的故障信息便能輕易地獲取到。

2.2共振解調(diào)技術(shù)局限性

一般的共振解調(diào)法也存在著一些局限性：

（1）要提取出損傷激起的突變信號(hào)，傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的濾波方法不是十分適合。

（2）需要預(yù)先確定帶通濾波器的中心頻率和濾波帶寬。對(duì)于不同的軸承，其結(jié)構(gòu)和支承系統(tǒng)的固有頻率并不相同，要預(yù)先確定其固有頻率顯得十分困難。另外，若濾波帶寬太窄，可能會(huì)遺漏共振的中間頻率，喪失其診斷的能力。若濾波帶寬太寬，消噪效果將會(huì)受到影響。

譜峭度理論在共振解調(diào)技術(shù)中的使用可以完美的解決一般的共振解調(diào)法的局限性問(wèn)題。

三、譜峭度法在共振解調(diào)故障診斷技術(shù)中的應(yīng)用

3.1譜峭度理論

共振解調(diào)技術(shù)在滾動(dòng)軸承故障特性進(jìn)行分析的過(guò)程當(dāng)中，其帶通濾波器參數(shù)的選取十分重要同時(shí)也十分困難。譜峭度法則能自動(dòng)確定帶通濾波器中心頻率和濾波帶寬。在噪聲干預(yù)不大的測(cè)試條件下，可使用峭度值對(duì)奇異信號(hào)的靈敏性特點(diǎn)從而將滾動(dòng)軸承進(jìn)行粗略的狀況檢測(cè)。可是，峭度值是一個(gè)整體性的指數(shù)，對(duì)特定信號(hào)分量改變情形并不能表現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，峭度也不適應(yīng)于在強(qiáng)烈噪聲條件下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.2快速峭度圖

譜峭度計(jì)算與頻率的分辨率Δf的選取有比較大相關(guān)性。在極端情況下，Δf趨近于零的時(shí)侯， 譜峭度也為零值，但是當(dāng)Δf相對(duì)較大的時(shí)侯，譜峭度對(duì)于加性平穩(wěn)寬帶噪聲里的窄帶瞬時(shí)狀態(tài)不能測(cè)試到。所以，對(duì)于非平穩(wěn)進(jìn)程而言，譜峭度是關(guān)于頻率f和分辨率Δf的函數(shù)。對(duì)于隨意信號(hào)來(lái)說(shuō)，怎么在確定的f處選取譜峭度的最適合的Δf變?yōu)榱藛?wèn)題的關(guān)鍵。站在檢測(cè)角度而言，使得譜峭度最大的（f/Δf）組是存在的。基于STFT進(jìn)行計(jì)算的“峭度圖”表示在頻率f和窗長(zhǎng) ?平面上的譜峭度值。對(duì)于漢寧窗來(lái)說(shuō)， ? ， ?指的是信號(hào)的采樣頻率， 使得譜峭度值最大，相對(duì)應(yīng)的（f/Δf）組就是帶通濾波器最佳的濾波中心頻率和濾波帶寬。本文運(yùn)用matlab工程軟件，基于塔式算法的計(jì)算方法使計(jì)算時(shí)間得到明顯減少。最終得到的二維圖像被稱之為“快速峭度圖”。在“快速峭度圖”中，其橫坐標(biāo)表示頻率f， 縱坐標(biāo)表示分解的層數(shù)K，其中 ?，圖像上不一樣深淺得顏色代表各個(gè)不一樣的f和Δf下的譜峭度值。

結(jié)語(yǔ)：

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的持續(xù)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備也愈發(fā)復(fù)雜化、精密化和自動(dòng)化。由于滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)眾多，在工程實(shí)踐中得到充分的應(yīng)用。但是滾動(dòng)軸承的工作條件十分惡劣并且在機(jī)械設(shè)備中承載載荷、傳遞載荷。滾動(dòng)軸承損壞尤其是突然損壞不但可能引起機(jī)械設(shè)備故障失效，乃至造成更為嚴(yán)重或許是毀滅性的事故。總而言之對(duì)軸承振進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的特性分析，由此而研究軸承的故障診斷擁有重要的意義。

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