滾動軸承故障信號時域特征指標(biāo)的敏感性分析

王柏楊，劉永強(qiáng)，廖英英

(石家莊鐵道大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

在滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的分析中[1-3]，特征參數(shù)法占有重要的地位，其僅需少數(shù)指標(biāo)就可以簡易判斷出軸承的狀態(tài)，分析簡單且方便[4]。但常用的時域特征指標(biāo)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(biāo)敏感性的方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果，找出了敏感性強(qiáng)、可應(yīng)用于軸承故障診斷的特征指標(biāo)。

1 時域特征指標(biāo)

在故障分析中最常用的時域特征指標(biāo)有裕度指標(biāo)、波形指標(biāo)、峭度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、峰態(tài)指標(biāo)、偏態(tài)指標(biāo)等[5～7]，其表達(dá)式如下：

裕度指標(biāo)

(1)

波形指標(biāo)

(2)

峭度指標(biāo)

(3)

脈沖指標(biāo)

(4)

峰值指標(biāo)

(5)

峰態(tài)指標(biāo)

(6)

偏態(tài)指標(biāo)

(7)

式中：X＾為峰值；Xr為方根幅值；Xp為均值；XRMS為有效值。當(dāng)發(fā)生故障時這些指標(biāo)數(shù)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(dá)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(dǎo)致的共振頻率，缺省值3 kHz；z為隨機(jī)數(shù)；B為噪聲幅值；C為諧波幅值，缺省值為1；f2為諧波頻率(轉(zhuǎn)頻)，缺省值10 Hz。

2.2 故障特征敏感性分析

當(dāng)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(nèi)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(biāo)在幅值變化時的情況，從而判斷其敏感性強(qiáng)弱，結(jié)果如圖1所示。

圖1 時域指標(biāo)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(biāo)的特征值會有變化，綜合分析可知，裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)和峰值指標(biāo)較敏感，而其他幾個指標(biāo)不敏感，需要將此結(jié)論與實(shí)際信號進(jìn)行對比，觀察敏感性是否一致。

3 實(shí)際信號分析

試驗(yàn)采用 QPZZ-II 型機(jī)械故障模擬及試驗(yàn)平臺，可以模擬不同速度下軸承的故障特征，轉(zhuǎn)速范圍為75～1 450 r/min。試驗(yàn)平臺的信號采集及故障診斷系統(tǒng)由加速度傳感器、電纜線、接線端子、信號調(diào)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(guī)的故障診斷等工作。

試驗(yàn)軸承為N205EM型圓柱滾子軸承，內(nèi)徑25 mm，外徑52 mm，寬度15 mm，轉(zhuǎn)速變化范圍為200 ～1 000 r/min。根據(jù)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(nèi)、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(zhuǎn)機(jī)械故障試驗(yàn)臺研究轉(zhuǎn)速和故障深度(0.2，0.4和0.6 mm)對無量綱特征參數(shù)的影響。

3.1 不同轉(zhuǎn)速下各時域指標(biāo)的敏感性分析

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

圖2 時域指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的變化情況

從圖2可以看出，在同一工況下，內(nèi)圈及滾子故障信號的特征值較大，且隨轉(zhuǎn)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(wěn)。總體而言，這幾個時域指標(biāo)對轉(zhuǎn)速的變化并不敏感。

3.2 不同故障深度時各時域指標(biāo)的敏感性分析

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

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

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

4 結(jié)束語

通過對模擬信號的分析，提取出了較敏感的裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)和峰值指標(biāo)，進(jìn)一步對試驗(yàn)軸承不同轉(zhuǎn)速及不同故障尺寸的試驗(yàn)表明，裕度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)相對較敏感，可以在故障判別中賦予較大的權(quán)重，但如何在工程實(shí)際中應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究。