共振解調技術在滾動軸承故障診斷中的研究與應用

李敏　盛如龍

摘要：本文介紹了運用共振解調技術對CSP加熱爐爐輥滾動軸承進行故障監測與預警，提高了爐輥滾動軸承故障分析與診斷能力。

關鍵詞：共振解調；加熱爐；軸承；頻率；振動信號

1.引言

在CSP輥底式加熱爐中，板坯的傳輸依靠爐輥完成，而爐輥的維護關鍵在于軸承。應用調制解調技術對爐輥滾動軸承進行故障監測與預警，能提高滾動軸承故障分析與診斷能力。

2.共振解調診斷技術原理

共振解調故障診斷技術是利用共振解調原理對沖擊故障進行檢測診斷。當軸承某一元件表面出現局部損傷時，在受載運行過程中將與其它元件表面發生撞擊，從而產生能量集中的沖擊脈沖力。沖擊脈沖帶寬包含軸承系統的各個固有頻率，所以會激起系統的各個固有振動。這些周期性脈沖激勵的頻率對應軸承各元件的故障特征頻率。由于脈沖激勵的寬頻帶性質，它將激起軸承結構及傳感器本身在各自的固有頻率上發生諧振。其中必然包含軸承故障源信號、軸承結構系統固有振動信號以及傳感器本身的固有振動信號等高頻固有振動。可根據需要選擇某一高頻固有振動為研究對象，利用其中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有振動分離出來，再通過包絡檢波器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，最后對這一包絡信號進行頻譜分析即可診斷出軸承故障。

3.共振解調技術對爐輥軸承的分析

以爐輥所用6208型軸承為例，其參數及故障特征頻率為：軸承節徑D=60mm，滾動體直徑d=12mm，滾動體個數z=10；可計算出外圈故障頻率、內圈故障特征頻率、動體故障特征頻率、保持架故障特征頻率。對振動信號做直接包絡處理，包絡圖如圖1所示。

在外圈故障的包絡圖中，在90.7Hz附近有一個較突出的峰值，同時也有其他成分的峰值出現；在內圈故障的包絡圖中，內圈故障特征頻率不明顯，卻在外圈故障頻率和滾動體故障頻率附近出現峰值。

3.1不同濾波頻段的特征效果

在共振解調技術中，故障的包絡信號頻譜具有“沒有故障就沒有譜線”、“有故障則出現多階諧波譜線”這樣一些規律，同時共振頻段的選擇對包絡圖結果會有一定的影響。外圈故障狀態FFT圖如圖2所示。

在外圈故障FFT圖中可看到在5～10kHz間存在若干共振峰值，選取其中的三個共振峰作為研究對象，分別為8.6-9.4kHz、7.6-8.4kHz、4.6～5.41d-Iz，分別進行帶通濾波、包絡處理，得到三個帶通包絡圖。在8.6-9.4kHz和4.6-5kHz頻段下可看到一個近似于外圈故障特征頻率93Hz頻率，且譜線單一，但這兩個頻段中93HZ的倍頻太小，均不太明顯；在7.6-8.4kHz的頻段下可看到表外圈故障特征頻率及特征頻率凸顯在頻譜圖中。再來研究內圈故障狀態下的帶通包絡情況，如圖3所示。前兩個頻段中出現的異常情況，是因為內圈故障振動信號傳至傳感器要經過滾動體、外圈、軸承座，再到傳感器，在這個振動傳遞的過程中可能會激起其它頻率成分的振動，從而使得和成分幅值變得突出。可以得出結論，選擇不同的頻段做帶通濾波，最終得到的包絡圖所表征故障特征的效果會有較大差異。這表明，利用共振解調技術診斷滾動軸承故障時，選擇合適的共振頻段進行分析很重要。

3.2同一工況下的多次采樣

圖4為內圈故障軸承在電機轉速≦1380r/min時進行5次采樣，再選擇7.6-8.4kHz為濾波頻段進行共振解調處理的結果。其內圈故障特征頻率和2都能突顯在每次采樣的處理結果中，可見對同一工況進行多次采樣，此方法對故障特征的提取有效。

3.3不同工況下的多次采樣

以上工作是電機轉速為1380r/min這一工況下進行的。如在允許的范圍內改變轉速（分別取1080r/min、1380r/min、1500r/min）進行多次采樣，再作共振解調處理，同樣可找到外圈故障特征頻率、內圈故障特征頻率，且這兩個頻率在各自的頻譜圖中都十分明顯；不同的是外圈故障特征的2階倍頻2在第一轉速和第三轉速中沒有很好的突顯出來，且出現較多不需要的峰值。將三種狀態下各自合適頻段的帶通濾波共振解調譜圖進行比較，可直接看出軸承的狀態。若一滾動軸承故障狀態未知，只需將其作共振解調處理，觀察其頻譜突出峰值，完成故障診斷。

4.結論

利用共振解調技術診斷滾動軸承故障時，選擇合適的共振頻段分析是十分重要的。大量試驗證明，在同一工況下進行多次采樣，共振解調方法同樣能有效的提取故障特征；在不同轉速下進行共振解調處理，也可以判斷出故障狀態，有效的提取故障特征。