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(fā)展，在國民生產(chǎn)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?yōu)闈L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?jié)L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(tài)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(huán)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(huán)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(tǒng)來激勵產(chǎn)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(huán)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(xù)增大，從而造成金屬表面相互粘連，嚴重時會使?jié)L珠或內外圈表面產(chǎn)生燒傷現(xiàn)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(shù)據(jù)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），F(xiàn)PE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(shù)，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(shù)據(jù)與模型預測的加速度輸出數(shù)據(jù)進行對比，由圖可知模型輸出與系統(tǒng)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(wěn)、正態(tài)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(shù)據(jù)建立 ARX 模型，得到模型的階次為ARX（10，6），F(xiàn)PE 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(shù)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(jù)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(tài)建立的ARX模型時，模型的殘差方差相對于正常狀態(tài)變化很大，表明故障信號不適合正常狀態(tài)下建立的ARX模型，判斷出軸承的工作狀態(tài)發(fā)生了變化，存在故障。

②相關性分析

建立模型后，根據(jù)

在正常狀態(tài)下，加速度信號隨著t的增加不斷衰減；而在故障狀態(tài)下，加速度信號呈現(xiàn)出周期變化規(guī)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。