滾動軸承振動信號特性分析

張新鵬 魏永紅

摘要：滾動軸承在工程實踐中得到了充分的應用，但是滾動軸承卻十分容易損壞。滾動軸承的運行狀態通常也會直接影響到整個機械設備的性能。滾動軸承損壞尤其是突然損壞不僅會導致機械設備的故障失效，甚至造成更為嚴重或許是災難性的事故。對滾動軸承進行特征信號分析對其故障進行診斷可以有效地避免事故發生。

關鍵詞：滾動軸承;信號;分析

為了有效地提取滾動軸承故障信號特性，提出了一種基于共振解調技術和譜峭度法相結合的方法，并且將其應用到實際的滾動軸承的數據中進行分析處理。發現能準確的找出其故障部位并得到其故障頻率。

一、軸承結構和故障機理

滾動軸承是一類廣泛應用的精細的機械構件。滾動軸承的作用是將運轉的軸承座和軸相互的滑動類型的摩擦轉換為滾動類型的摩擦。其一般包括四個部分：滾動體，外圈，內圈和保持架。內圈能和軸進行配合共同旋轉。外圈則是與軸承座進行配合并且起著支撐的作用。滾動體均勻分布在內外圈之間，對軸承的運轉性能和使用壽命有著重要的影響。保持架起著讓滾子分布均勻的功能，引領滾子旋轉而且具有潤滑功能以及避免滾子掉落。

總體說來軸承工作時的振動通常分為以下兩種：與軸承工作面的裂痕、波紋相關和與軸承彈性相關的振動。其中與軸承表面裂痕、波紋相關振動能夠反映其損傷的情況。工作面若有損壞，當滾子在損壞面運轉的時侯，某種交變的激振力將會出現。因為軸承滾動表面損傷形狀并不規則。由此，產生的振動也會是一種隨機振動并包含了多種頻率成分。通常來說，軸運轉的速率以及軸承面損壞樣式是激振力的頻率的首要性因素。而激振系統傳遞相關的因素由軸承和外殼來決定。總而言之，軸運轉的速率、外殼和軸承的振動傳遞因數以及軸承面損壞樣式等一起確定了因軸承異常而產生的振動頻率。一般而言，軸承具有越高的振動頻率則表明軸有越嚴重的損傷或者有越高的旋轉速度，另外滾動軸承的固有振動頻率會隨著滾動軸承尺寸的增大而有所降低。因而，所有異常的軸承產生振動時都不會是一個特定的頻率。同樣的，當某個軸承發生異樣的時侯，也非僅僅只發生單一的頻率振動。

二、共振解調故障診斷技術

2.1共振解調技術原理

共振解調技術（IFD）是由振動測試分析技術中演變而成的一項新技術是研究軸承早期損傷故障的常用方法。共振解調非常適合損傷故障特征提取，因為通過共振和帶通濾波放大以及分離了軸承零件故障的特性信號，從而增大了信噪比。實際上，軸承故障沖擊的頻譜線并不能夠看到，但軸承故障沖擊具有很寬的頻帶，該頻帶中有設備里其他所有振動都沒有的高頻能量。共振解調技術不敏感于常規振動，但是卻能夠靈敏地提取到細小的故障沖擊。

“共振”是指提取該高頻能量并且進行放大的過程，一般采用利用機械或者電子諧振的方法。這個過程中能夠過濾掉沒有價值的常規振動，使信噪比提高。“解調”是指通過包絡檢波，為了獲取僅僅含有軸承故障特性信息的低頻包絡信號，而將高頻不斷衰減的信號成分丟掉的過程。經過此過程后，后續信號的處理難度得到了很大的降低，然后對該包絡信號頻譜分析，滾動軸承的故障信息便能輕易地獲取到。

2.2共振解調技術局限性

一般的共振解調法也存在著一些局限性：

（1）要提取出損傷激起的突變信號，傳統的基于傅里葉變換的濾波方法不是十分適合。

（2）需要預先確定帶通濾波器的中心頻率和濾波帶寬。對于不同的軸承，其結構和支承系統的固有頻率并不相同，要預先確定其固有頻率顯得十分困難。另外，若濾波帶寬太窄，可能會遺漏共振的中間頻率，喪失其診斷的能力。若濾波帶寬太寬，消噪效果將會受到影響。

譜峭度理論在共振解調技術中的使用可以完美的解決一般的共振解調法的局限性問題。

三、譜峭度法在共振解調故障診斷技術中的應用

3.1譜峭度理論

共振解調技術在滾動軸承故障特性進行分析的過程當中，其帶通濾波器參數的選取十分重要同時也十分困難。譜峭度法則能自動確定帶通濾波器中心頻率和濾波帶寬。在噪聲干預不大的測試條件下，可使用峭度值對奇異信號的靈敏性特點從而將滾動軸承進行粗略的狀況檢測。可是，峭度值是一個整體性的指數，對特定信號分量改變情形并不能表現出來。同時，峭度也不適應于在強烈噪聲條件下的狀態監測。

3.2快速峭度圖

譜峭度計算與頻率的分辨率Δf的選取有比較大相關性。在極端情況下，Δf趨近于零的時侯， 譜峭度也為零值，但是當Δf相對較大的時侯，譜峭度對于加性平穩寬帶噪聲里的窄帶瞬時狀態不能測試到。所以，對于非平穩進程而言，譜峭度是關于頻率f和分辨率Δf的函數。對于隨意信號來說，怎么在確定的f處選取譜峭度的最適合的Δf變為了問題的關鍵。站在檢測角度而言，使得譜峭度最大的（f/Δf）組是存在的。基于STFT進行計算的“峭度圖”表示在頻率f和窗長 ?平面上的譜峭度值。對于漢寧窗來說， ? ， ?指的是信號的采樣頻率， 使得譜峭度值最大，相對應的（f/Δf）組就是帶通濾波器最佳的濾波中心頻率和濾波帶寬。本文運用matlab工程軟件，基于塔式算法的計算方法使計算時間得到明顯減少。最終得到的二維圖像被稱之為“快速峭度圖”。在“快速峭度圖”中，其橫坐標表示頻率f， 縱坐標表示分解的層數K，其中 ?，圖像上不一樣深淺得顏色代表各個不一樣的f和Δf下的譜峭度值。

結語：

由于社會經濟與科技的持續發展，機械設備也愈發復雜化、精密化和自動化。由于滾動軸承的優點眾多，在工程實踐中得到充分的應用。但是滾動軸承的工作條件十分惡劣并且在機械設備中承載載荷、傳遞載荷。滾動軸承損壞尤其是突然損壞不但可能引起機械設備故障失效，乃至造成更為嚴重或許是毀滅性的事故。總而言之對軸承振進行振動信號的特性分析，由此而研究軸承的故障診斷擁有重要的意義。

參考文獻

[1]楊國安.滾動軸承故障診斷實用技術. 北京：中國石化出版社，2012

[2]裴峻峰，齊明俠，楊其俊.機械故障診斷技術. 北京：中國石油大學出版社，2010

[3]李力等.機械信號處理及其應用. 武漢：華中科技大學出版社，2007

[4]張德豐等.詳解matlab數字信號處理. 北京：電子工業出版社，2010

[5]張德豐.matlab數字信號處理與應用. 北京：清華大學出版社，2010