滾動軸承故障診斷方法研究

近年來，機械設備故障診斷技術在國內外得到了較大的發展，在國民生產中起到了重大的作用。本文在總結和汲取他人研究成果的基礎上，首先介紹了滾動軸承的振動機理和失效形式，然后基于ARMAX模型對滾動軸承故障進行仿真分析。

1.滾動軸承的振動機理及失效形式

（1）滾動軸承的結構

對于深溝球軸承來說，滾動軸承是由內圈、外圈、滾珠和保持架四部分組成。一般情況下外圈不轉，起著固定軸承的作用，內圈連接軸頸，隨軸旋轉。滾珠是滾動軸承的關鍵元件，它在外圈內表面和內圈外表面之間形成的滾道內滾動，使軸承運動形式轉變為滾動摩擦，大大減小了摩擦力。保持架主要起固定滾珠的作用，使滾珠均勻受力。單列深溝球軸承在高速旋轉的機械設備中應用比較廣泛，論文主要對這類軸承進行研究。

（2）振動機理

當滾動軸承處于工作狀態時，一般是軸承外圈固定，內圈隨著傳動軸旋轉，滾珠在內圈與外圈形成的凹槽內運動。因此，引起軸承振動的因素有兩個：內因和外因，內因主要包括軸承的設計、安裝過程誤差和周圍環境的影響。外因主要與傳動軸有關，比如與軸承相連的其它零部件的振動，軸承座上支撐不同重量的負載，周圍環境的振動等等。因此，滾動軸承的振動是由多個因素組成的系統來激勵產生的。

（3）常見的失效形式

常見的滾動軸承失效形式有：①磨損。對滾動軸承來說，最大的特點是其摩擦是滾動的，這樣所受的摩擦力將大大減小。②疲勞剝落。滾動軸承旋轉時，滾珠在外圈與內圈之間的滾道內滑動。疲勞剝落是滾動軸承的主要失效形式，會加速軸承的老化和損壞。③腐蝕。當滾動軸承在惡劣環境中運行時，大氣中的水分和具有腐蝕性的物質會侵入軸承內部，使其腐蝕。④膠合。當滾動軸承承受載荷過大時，會使軸承局部溫度過高，此時如果滾動軸承潤滑不良，會使摩擦力增大造成溫度繼續增大，從而造成金屬表面相互粘連，嚴重時會使滾珠或內外圈表面產生燒傷現象，這就是膠合等。

3.基于ARMAX模型的滾動軸承故障仿真分析

（1）利用正常信號建立ARMAX模型

運用MATLAB進行編程，對預處理完畢的數據建立ARX模型，采用AIC準則進行模型定階，確定模型的階次為ARX（10，1），FPE為 2.76365，AIC為1.0191。

模型結構為：A（q）y（t）=B（q）u（t）+e（t），再利用遞推最小二乘法確定模型系數，如下所示：

A（q）=1+0.9567q-1+0.8462q-2+0.5356q-3+0.5968q-4+0.4852q-5+0.4564q-6+0.4436q-7-0.3789q-8-0.3488q-9-0.2558q-10

B（q）= - 0.0008241q-1

將模型的加速度信號原始數據與模型預測的加速度輸出數據進行對比，由圖可知模型輸出與系統實際輸出之間存在一定的誤差。

（2）利用外圈故障滾動軸承信號建立ARMAX模型

選取滾動軸承外圈故障仿真模型的激勵為 ARX 模型的輸入，模型的加速度信號為 ARX 模型的輸出，如圖3.5所示。對輸入輸出信號進行平穩、正態和零均值處理后，得到如圖 3.6所示的信號。應用預處理完畢的輸入輸出數據建立 ARX 模型，得到模型的階次為ARX（10，6），FPE 為 4.2，AIC 為 1.4509。故障模型的殘差分析如圖3.7所示，殘差σR2=1.9871。模型參數如下所示：

A（q）=1+4.592q-1+12.23-22.7q-3+31.9q-4-35q-5+30.23q-6-20.36q-7+10.3q-8-3.607q-9+0.7026q-10

B（q）=0.0605q-1-0.2689q-2+0.5481q-3-0.6078q-4-0.3021q-5-0.04262q-6

（3）故障分析

①殘差分析

根據滾動軸承正常運行信號建立ARX模型，求得模型的殘差，此時的殘差方差σT2為3.4805。

將滾動軸承故障信號帶入已建立的ARX模型之中，求得此時的模型殘差，殘差方差σ2RT為1.2×104。當把故障信號帶入正常狀態建立的ARX模型時，模型的殘差方差相對于正常狀態變化很大，表明故障信號不適合正常狀態下建立的ARX模型，判斷出軸承的工作狀態發生了變化，存在故障。

②相關性分析

建立模型后，根據

在正常狀態下，加速度信號隨著t的增加不斷衰減；而在故障狀態下，加速度信號呈現出周期變化規律。

（作者單位：邵陽學院）

作者簡介：楊陽，男，邵陽學院機械與能源工程系，研究方向為能源方向。