共振解調(diào)技術(shù)用于滾動軸承早期故障診斷

鄭晴晴，葉建偉

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北武漢 430000）

0 引言

作為各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最為常見的一種機(jī)械部件，滾動軸承較易損壞。但是在很多情況下，滾動軸承的工況對整臺設(shè)備的正常運(yùn)行有著重要影響。

隨著對滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷工作重視程度的不斷加強(qiáng)，近年來相關(guān)故障診斷方法也越來越多。最初用于滾動軸承故障診斷的方法是時域分析法，利用時域信號的數(shù)字特征，如波峰因子、峭度指標(biāo)等，進(jìn)行故障診斷。時域分析法對滾動軸承定性判斷的可靠性，在很大程度上取決于對判斷閾值的選擇，有一定局限性。由時域分析法衍生出的頻譜分析法，可以對滾動軸承故障進(jìn)行精密診斷。共振解調(diào)分析法是頻譜分析法的一種。

1 共振解調(diào)技術(shù)

共振解調(diào)分析法又稱為早期故障檢測（Incipient Failure Detection，IFD）技術(shù)，利用調(diào)制技術(shù)將低頻信號調(diào)制到高頻共振頻率區(qū)，將低頻的沖擊信號與其他能量巨大的低頻信號分離，從而有效利用滾動軸承的故障信息，對滾動軸承進(jìn)行故障診斷。該法的靈敏度和可靠性較高。

共振解調(diào)分析法的基本原理：滾動軸承在受載運(yùn)行時局部損傷面會與其他元件表面產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生含有故障特征的低頻信號并伴隨著頻帶較寬的沖擊脈沖力。由于該脈沖力中含有滾動軸承外圈、附加的諧振器及傳感器等的固有頻率，從而引起系統(tǒng)高頻固有振動。選擇某一高頻固有振動，利用中心頻率與該固有振動頻率相等的帶通濾波器，將故障振動頻率分離。將分離出的信號經(jīng)包絡(luò)檢波器檢波后，得到低頻包絡(luò)信號。該信號包含軸承故障特征信息，最后對該信號進(jìn)行頻譜分析，可精密診斷滾動軸承的故障。共振解調(diào)分析法有4個特點。

（1）共振解調(diào)譜線與故障沖擊相互對應(yīng)，有譜線說明有沖擊、有故障，無譜線說明沖擊小、無故障。這一點與直接對振動信號進(jìn)行頻譜分析大不相同，即使沒有故障也會有很多譜線，而有故障的振動信號中則很難找到對應(yīng)的故障譜線。

（2）共振解調(diào)幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比，幅值越高，故障越嚴(yán)重。

（3）共振解調(diào)抵抗頻率動干擾性好，信噪比較高。

（4）沖擊故障頻譜呈多階梳狀譜線，該特征有別于低頻振動。

2 現(xiàn)場案例

診斷對象是上海通用汽車公司總裝車間的一臺DVT電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動端與皮帶連接，通過皮帶驅(qū)動滾輪對汽車進(jìn)行動態(tài)測試（圖1）。電機(jī)驅(qū)動端的滾動軸承型號為6313（深溝球軸承）。將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1000 r/min，利用壓電加速度傳感器采集驅(qū)動端數(shù)據(jù)（測點V_a），采樣頻率12 800 Hz，采樣點數(shù)2048。分別對采樣信號進(jìn)行時域、頻域和共振解調(diào)譜分析，分析帶寬為5000 Hz。

圖1 診斷示意

2.1 時域分析

從時域波形圖可以看出，驅(qū)動端加速度時域波形中沖擊信號不明顯（圖2）。即使初步判斷為軸承故障，也無法根據(jù)沖擊信號判斷出是滾動軸承的哪個部件引起的故障。

圖2 時域波形圖

2.2 頻譜分析

對上述時域波形進(jìn)行傅里葉變換后，得出頻譜圖（圖3）。從圖中可以看出，低頻區(qū)域（＜1 kHz）出現(xiàn)低頻分量，且出現(xiàn)頻率調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制信號頻率為53.1 Hz，接近于滾動軸承的外圈通過頻率51.2 Hz。初步判斷軸承外圈故障。

2.3 共振解調(diào)譜分析

對采集的振動信號進(jìn)行共振解調(diào)，得到如圖4所示的共振解調(diào)譜。

圖3 頻域頻譜圖

圖4 共振解調(diào)譜圖

共振解調(diào)譜中存在與故障沖擊相對應(yīng)的間隔為53.1 Hz的譜線，故障頻率53.1 Hz對應(yīng)的最高幅值為7.9 m/s2，且故障沖擊頻率存在多階性，為 53.1的整數(shù)倍 53.1X（X=1，2，3，……），形成多階的梳狀譜線。由此可以判斷，電機(jī)驅(qū)動端軸承存在頻率為53.1 Hz的故障信號，與滾動軸承外圈特征頻率51.2 Hz相近。可以確定滾動軸承外圈故障。

與時域分析和頻譜分析相比，共振解調(diào)譜故障頻率清晰可見，具有較高的信噪比，可以較為容易地識別出故障信號，進(jìn)而對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

2.4 檢修驗證

根據(jù)以上分析結(jié)論，對該電機(jī)驅(qū)動端滾動軸承進(jìn)行了更換和拆解（圖5）。

圖5 拆解圖片

由圖5可以看出，滾動軸承外圈出現(xiàn)單邊磨損故障，從故障程度來看，屬于較早期故障。初步判斷應(yīng)為與電機(jī)驅(qū)動端相連的皮帶過緊造成的，建議定期對該設(shè)備及其他類似設(shè)備進(jìn)行皮帶張進(jìn)度檢測，保證電機(jī)與皮帶均在良好條件下運(yùn)行，避免類似故障發(fā)生。

3 結(jié)論

滾動軸承早期故障非常輕微，引起的沖擊信號強(qiáng)度非常小，因此其振動信號的故障特征很不明顯，運(yùn)用一般的振動分析方法很難分辨出來。但是，共振解調(diào)技術(shù)能將故障信號有效放大和分離，大大提高了信噪比，能較容易地診斷出故障部位。由此可見，共振解調(diào)法能有效地診斷出滾動軸承的早期故障，對現(xiàn)場維修人員做好備件計劃、避免設(shè)備發(fā)生較大停機(jī)有重要作用。

［1］梅宏斌.滾動軸承振動監(jiān)測與診斷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］孟寒松.用共振解調(diào)方法檢測鐵路貨車滾動軸承［J］.哈爾濱鐵道科技，1998（3）：48-52，59.

［3］丁芳，高立新，崔玲麗，等.共振解調(diào)技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2007（11）：178-179.

［4］ L Cui，D Mo，H wang，P Chen.Resonance-Based Nonlinear Demondulation Analysis Method of Rolling Bearings Fault［J］.Adcance in Mechanical Engineering，2013（5）：420694.

［5］ SE Deng，Y Wang，HD Wang.Resonance demodulation technique based on IHT for rolling bearings fault diagnosis［J］.Journal of Aerospace Power，2012，27（1）：69-74.

［6］ S Hou，Y Li，Z Wang.A Reconance Demoulation Method Based on Harmonic WaveletTransform forRolling Bearings Fault Diagnosis［J］.Structural Health Monitoring，2010，9（4）：297-308.