滾動(dòng)軸承故障診斷的基本方法及故障診斷理論畢業(yè)設(shè)計(jì),滾動(dòng)軸承,故障診斷,基本,方法,法子,理論,畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要- I -摘 要滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用部件，也是機(jī)械設(shè)備中的易損零件，許多機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約 30％的機(jī)械故障是由于滾動(dòng)軸承的損壞造成的?？梢?jiàn)，滾動(dòng)軸承的好壞對(duì)機(jī)械系統(tǒng)工作狀況的影響極大。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和安裝工藝不好或軸承的使用條件不佳，或突發(fā)載荷的影響，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在繼續(xù)運(yùn)行中進(jìn)一步擴(kuò)大，使軸承運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。因此，滾動(dòng)軸承的故障診斷一直是研究的熱點(diǎn)。本文首先從理論上分析了滾動(dòng)軸承的失效形式、振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)類(lèi)型、及發(fā)生故障的原因、振動(dòng)頻率；然后在理論基礎(chǔ)上提出了滾動(dòng)軸承的時(shí)域、頻域的診斷方法；最后搭建了基于 Matlab 的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，并通過(guò) Matlab 仿真軸承故障信號(hào)，在軟件中進(jìn)行信號(hào)分析和處理，驗(yàn)證各種診斷方法的優(yōu)劣和滾動(dòng)軸承的故障特征。本論文按照預(yù)定的要求完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，研究了滾動(dòng)軸承的故障診斷方法，完成了故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了滾動(dòng)軸承的故障診斷方法。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；時(shí)域分析；頻域分析；MatlabAbstract- -AbstractRolling element bearing is one of the most widely used general part of rotating machinery,and one of the most easily damaged parts of mechanical equipment. A lot of mechanical failure is relevant to the state of rolling element bearings. It is estimated that about 30 percent of mechanical failure is caused by its fault in the rotating machine with rolling element bearings. It is obvious that the quality of rolling element bearings has a great impact on the working condition of electromechanical systems. Because of wrong design, poor working condition or a jump heavy load, bearing will be damaged and worse during the running time. So at present, the fault diagnosis of rolling element bearings is a research hotspot.Firstly, the failure forms, the vibration mechanism, vibration type, and the failure cause, vibration frequency of bearing are analyzed in theory.Secondly, based on the theory put forward the time domain, frequency domain diagnostic methods.Finally, the software for the fault diagnosis system of the rolling bearings is designed by Matlab,along with the simulation of bearing fault signals by Matlab.To analysis and processing the signal in software. Verify the merits of various diagnostic methods and characteristics of rolling bearing faults.The paper successfully completed the design task and the result meets the expectation. We researched the fault diagnosis methods and completed the fault diagnosis system design and simulation shows the fault diagnosis methods of rolling element bearings.KeyWords：rolling element bearings,fault diagnosis,time-domain analysis,frequency-domain analysis,Matlab目 錄- I -目 錄摘 要 .IAbstractII第一章 緒論 .- 1 -1.1 本課題研究的主要意義 .- 1 -1.2 滾動(dòng)軸承故障診斷方法 .- 2 -1.3 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況 .- 3 -1.4 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向 .- 5 -1.5 本課題主要研究?jī)?nèi)容 .- 5 -第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析 .- 6 -2.1 概述 .- 6 -2.2 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu) .- 6 -2.3 滾動(dòng)軸承的主要失效形式及原因 .- 7 -2.4 滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù) .- 8 -2.5 滾動(dòng)軸承的特征頻率 .- 9 -2.6 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性 .- 10 -2.6.1 滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng) .- 11 -2.6.2 軸承構(gòu)造引起的振動(dòng) .- 12 -2.6.3 軸承裝配不正確、軸頸偏斜產(chǎn)生的振動(dòng) .- 13 -2.6.4 精加工波紋度引起的振動(dòng) .- 13 -2.6.5 滾動(dòng)軸承的故障引起振動(dòng) .- 13 -第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究 .- 16 -3.1 概述 .- 16 -3.2 時(shí)域分析的特征參數(shù) .- 16 -3.3 頻域分析的特征參數(shù) .- 18 -第四章 軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .- 22 -4.1 概述 .- 22 -4.2 Matlab 軟件簡(jiǎn)介 .- 22 -目 錄- II -4.3 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .- 24 -4.3.1 系統(tǒng)界面子系統(tǒng) .- 24 -4.3.2 軸承特征頻率計(jì)算子系統(tǒng) .- 25 -4.3.3 數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng) .- 26 -4.3.4 信號(hào)模擬子系統(tǒng) .- 27 -4.3.5 時(shí)域分析子系統(tǒng) .- 28 -4.3.6 頻域分析子系統(tǒng) .- 31 -4.3.7 打印子系統(tǒng) .- 32 -第五章 軸承實(shí)測(cè)信號(hào)處理 .- 33 -5.1 概述 .- 33 -5.2 模擬合成信號(hào) .- 33 -5.3 模擬合成信號(hào)分析 .- 34 -5.4 軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析 .- 35 -結(jié) 論 .- 38 -參考文獻(xiàn) .- 39 -致 謝 .- 41 -附錄 A 頻域分析系統(tǒng)程序 .- 42 -第一章 緒論- 0 -第一章 緒論1.1 本課題研究的主要意義機(jī)械故障診斷技術(shù)是近 40 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的識(shí)別機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)。它是適應(yīng)工程實(shí)際需要而形成的多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。它研究的是機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映，它是由機(jī)器運(yùn)行中的物理現(xiàn)象（聲音、振動(dòng)、聲發(fā)射、熱現(xiàn)象等）出發(fā)來(lái)推斷機(jī)器內(nèi)含故障的技術(shù)，是一種典型的反向工程。從 20世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，機(jī)械故障診斷技術(shù)隨著機(jī)器的不斷完善、復(fù)雜化和自動(dòng)化組建發(fā)展起來(lái)，并與當(dāng)代科技的前沿科學(xué)結(jié)合，取得了令人矚目的成績(jī)。滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用部件，也是機(jī)械設(shè)備中的易損零件，許多機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約 30％的機(jī)械故障是由于滾動(dòng)軸承的損壞造成的。可見(jiàn)，滾動(dòng)軸承的好壞對(duì)機(jī)械系統(tǒng)工作狀況的影響極大。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和安裝工藝不好或軸承的使用條件不佳，或突發(fā)載荷的影響，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在繼續(xù)運(yùn)行中進(jìn)一步擴(kuò)大，使軸承運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。因此，滾動(dòng)軸承的故障診斷一直是研究的熱點(diǎn)。而與其它零部件相比，滾動(dòng)軸承有一個(gè)很大的特點(diǎn)，這就是其壽命離散性很大。由于在材料、加工精度、熱處理及裝配質(zhì)量等各方面不可能完全相同，使得一批類(lèi)型、尺寸相同的軸承，即使在相同條件下工作，各個(gè)軸承的壽命也是不同的，壽命最大相差可達(dá)幾十倍。由于軸承的這個(gè)特點(diǎn)，在實(shí)際使用中就出現(xiàn)這種情況：有的軸承已大大超過(guò)設(shè)計(jì)壽命卻依然完好地工作；有的軸承遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就出現(xiàn)故障。所以，如果按照設(shè)計(jì)壽命對(duì)軸承進(jìn)行定時(shí)維修，則出現(xiàn)以下情形：一方面，對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命而完好工作的軸承拆下來(lái)作為報(bào)廢處理，造成浪費(fèi)；另一方面，未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命而出現(xiàn)故障的軸承堅(jiān)持到定時(shí)維修時(shí)拆下來(lái)報(bào)廢，使得機(jī)械在軸承出現(xiàn)故障后和拆下來(lái)這段時(shí)間內(nèi)工作精度下降，未到維修時(shí)間就出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械出現(xiàn)嚴(yán)重事故。由此看來(lái)，對(duì)重要用途的軸承來(lái)說(shuō)定時(shí)維修是很不科學(xué)的，要進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)與故障診斷，改傳統(tǒng)的定期維修為預(yù)知性維修，這樣既能經(jīng)常保持設(shè)備的完好狀態(tài)，又能充分利用軸承的使用壽命，從而延長(zhǎng)大修時(shí)間，縮短大修時(shí)間，減少故障停機(jī)損失。因此，滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷引起國(guó)內(nèi)外許多科技人員的重視。第一章 緒論- 1 -1.2 滾動(dòng)軸承故障診斷方法滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷就是通過(guò)對(duì)滾動(dòng)軸承在各種工況下表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)、噪聲、溫度、工作參數(shù)、氣味、泄漏等信息的監(jiān)測(cè)和綜合分析來(lái)對(duì)其工作狀態(tài)、故障類(lèi)型和故障嚴(yán)重程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的過(guò)程，主要包括檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)和預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù) 4 項(xiàng)基本技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)異常、診斷故障狀態(tài)和部位、分析故障類(lèi)型、提出診斷方案和診斷結(jié)論的目的。目前，根據(jù)故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)機(jī)理的不同，滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)主要包括：1. 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)在各種軸承故障診斷方法中，振動(dòng)檢測(cè)是最常用的一種方法。軸承元件的工作表面出現(xiàn)疲勞剝落、壓痕或局部腐蝕時(shí)，軸承運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖信號(hào)。這種周期性信號(hào)可由安裝在軸承座上的傳感器(速度型或加速度型 )來(lái)接收，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷。2. 噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)這種方法是通過(guò)滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中的噪聲來(lái)判斷其故障。用噪聲法進(jìn)行軸承的故障檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是不必接觸受測(cè)軸承就可得到檢測(cè)信號(hào)；其弊端就是很難從周?chē)h(huán)境的各種雜音中分離出軸承異常的聲音信號(hào)。所以，噪聲法一般很少被采用。但成功的例子也是有的，就是在方向性強(qiáng)的拋物線(xiàn)型音響器上安裝傳聲器，收集軸承發(fā)出的聲音信號(hào)，并用反向?yàn)V波器排除其它雜音，檢測(cè)出軸承異音。3. 溫度信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)通過(guò)安裝在軸承座(或箱體)處的溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，判斷軸承工作是否正常。溫度監(jiān)測(cè)對(duì)軸承載荷、速度和潤(rùn)滑情況的變化反映比較敏感，尤其是對(duì)潤(rùn)滑不良而引起的軸承過(guò)熱現(xiàn)象很敏感。所以，由于這種場(chǎng)合比較有效。但是，當(dāng)軸承出現(xiàn)諸如早期點(diǎn)蝕、剝落、輕微磨損等比較微小的故障時(shí)，溫度監(jiān)測(cè)基本上沒(méi)有反映，只是當(dāng)故障達(dá)到一定的嚴(yán)重程度時(shí)，用這種方法才能監(jiān)測(cè)到。所以，溫度監(jiān)測(cè)不適用于點(diǎn)蝕、局部剝落等所謂的局部損傷類(lèi)故障。4. 油樣分析監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)油樣分析法油樣分析法有光譜分析與鐵譜分析兩大類(lèi)。軸承磨損顆粒與其工作狀況有密切的聯(lián)系。光譜分析方法有多種，但共同點(diǎn)是利用光譜分析，測(cè)定油液中所含各種金屬元素的成分和含量，以判斷含有被測(cè)元素的零部件的磨損狀況和程度。第一章 緒論- 2 -鐵譜分析方法是將帶有磨損顆粒的潤(rùn)滑油通過(guò)一強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，磨粒按一定的規(guī)律沉淀在鐵譜片上，鐵譜片可在鐵譜顯微鏡上做定性觀(guān)察或在定量?jī)x器上測(cè)試，據(jù)此判斷軸承的工作狀況。油樣分析法適合于用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的軸承的故障診斷，對(duì)使用脂潤(rùn)滑的軸承較困難。另外，這種方法易受其它非軸承損壞掉下的顆粒的影響；多用于離線(xiàn)監(jiān)測(cè)方式，這樣會(huì)導(dǎo)致一定信息丟失；信息量大且雜，即有圖像又有數(shù)字，依靠人力來(lái)管理是十分困難的。所以，這種方法具有很大的局限性。5. 油膜電阻監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)潤(rùn)滑良好的軸承，由于油膜的作用，內(nèi)、外圈之間有很大的電阻。故通過(guò)測(cè)量軸承內(nèi)、外圈之間的電阻，可對(duì)軸承的異常作出判斷。其特點(diǎn)是對(duì)不同的工況條件可使用同一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，適用于旋轉(zhuǎn)軸外露的場(chǎng)合，對(duì)表面剝落、壓痕、裂紋等異常的診斷效果比較差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與診斷中，例如：聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)等。但是由于種種原因和局限性，這些技術(shù)真正普及應(yīng)用于實(shí)際的滾動(dòng)軸承故障診斷還有一段距離。1.3 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)大概開(kāi)始于 20 世紀(jì) 60 年代。最原始的軸承故障診斷方法是將聽(tīng)音棒接觸軸承部位，依靠聽(tīng)覺(jué)來(lái)判斷有無(wú)故障。后來(lái)逐步采用各式測(cè)振儀器、儀表并利用振動(dòng)位移、速度或加速度的均方根值來(lái)判斷軸承有無(wú)故障。隨著對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深入研究，對(duì)于軸承振動(dòng)信號(hào)中頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類(lèi)型的關(guān)系有了比較清楚的了解，加之快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)了用頻域分析法來(lái)檢測(cè)和診斷軸承故障的有效途徑。在幾十年的發(fā)展時(shí)間里，各種方法與技巧不斷產(chǎn)生、發(fā)展和完善，應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，診斷的有效性不斷提高.總的來(lái)說(shuō)，滾動(dòng)軸承故障診斷的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一階段：利用低頻信號(hào)接收法診斷階段20 世紀(jì) 60 年代中期，由于快速傅立葉變換(FFT) 技術(shù)的出現(xiàn)(1965 年)和發(fā)展，低頻信號(hào)接收法得到了很大的發(fā)展。低頻信號(hào)接收法是將軸承上由傳感器檢測(cè)到的寬頻信號(hào)直接進(jìn)行頻譜分析，或者信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波，去除高頻成分后在作頻譜分析，從頻譜上觀(guān)察主要譜峰。如果某一譜峰對(duì)應(yīng)的頻率與理論計(jì)算軸承元件的間隔頻率相一致，則表示該元件上存在故障。這種方法對(duì)于低頻成分能量較大，外來(lái)干第一章 緒論- 3 -擾較小的信號(hào)，理論上說(shuō)應(yīng)該是可行的，但實(shí)際運(yùn)行中的軸承，因?yàn)楣收蠜_擊的能量很小，而軸承、齒輪的工藝誤差誘發(fā)的振動(dòng)能量比它要大得多。因此，直接利用低頻信號(hào)接收法得到的譜圖往往譜線(xiàn)密集，模糊不清，很難鑒別出故障信號(hào)。目前很少直接用這種方法去識(shí)別軸承故障，有些僅是用這種頻譜來(lái)確定軸承元件的固有頻率。第二階段：利用沖擊脈沖法診斷階段在 60 年代末期，首先由瑞典 SPM 儀器公司開(kāi)發(fā)出沖擊脈沖計(jì)，根據(jù)沖擊脈沖的最大幅值來(lái)診斷軸承故障。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果滾動(dòng)體接觸點(diǎn)進(jìn)入表面缺陷區(qū)（剝落、裂紋、凹坑和高低不平的粗糙區(qū)），就將發(fā)生低頻沖擊，并且以不連續(xù)的沖擊脈沖波形式傳遞到軸承座上。雖然沖擊脈沖波形很快被衰減下去，累積的能量很小。然而，在這個(gè)沖擊力作用下，軸承元件或結(jié)構(gòu)的某一部分可能被激發(fā)起它的固有頻率。盡管沖擊脈沖的重復(fù)頻率遠(yuǎn)低于軸承的固有頻率，但只要這個(gè)沖擊產(chǎn)生的高階頻率落在軸承固有頻率的通帶內(nèi)，也會(huì)激起軸承系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。共振的高頻波中包含了低頻沖擊和隨機(jī)干擾的幅值調(diào)制波，經(jīng)過(guò)窄帶濾波和包絡(luò)檢波后的信號(hào)幅值大小就反映了沖擊力的大小，也就反應(yīng)了滾動(dòng)軸承工作表面的故障狀況。第三階段：利用共振解調(diào)法診斷階段共振解調(diào)法也稱(chēng)為包絡(luò)檢波頻譜分析法。1974 年，美國(guó)波音公司的 DR Harting發(fā)明了一項(xiàng)叫做“共振解調(diào)分析系統(tǒng)”的專(zhuān)利，這就是我國(guó)現(xiàn)在統(tǒng)稱(chēng)的“共振解調(diào)技術(shù)”的雛形。共振解調(diào)法與沖擊脈沖法的基本原理類(lèi)似，但能做到更精確的診斷。沖擊脈沖法只能給出軸承損傷程度的指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)并不能判斷軸承的損傷部位；而共振解調(diào)法不僅能判斷軸承的損傷程度，還可以通過(guò)頻譜分析指示出軸承的損傷部位。共振解調(diào)法也是利用軸承或檢波系統(tǒng)作為諧振體，把故障沖擊產(chǎn)生的高頻共振響應(yīng)波放大，通過(guò)包絡(luò)檢測(cè)方法變?yōu)榫哂泄收咸卣餍畔⒌牡皖l波形，然后采用頻譜分析法找出故障的特征頻率（間隔頻率），從而確定故障的類(lèi)型以及故障發(fā)生在軸承的哪一元件上。共振解調(diào)法適用于軸承故障的早期診斷。因?yàn)樵缙诠收戏浅］p微，它引起的沖擊脈沖強(qiáng)度非常小，所以其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的故障特征很不明顯，用一般方法很難辨別出來(lái)。采用共振解調(diào)技術(shù)由于放大(諧振)和分離(帶通濾波)了故障特征信號(hào)，極大地提高了信噪比，所以能比較容易地診斷出故障來(lái)。第四階段：開(kāi)發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)階段第一章 緒論- 4 -20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，隨著微機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，開(kāi)發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)引起了國(guó)內(nèi)外研究者的重視。微機(jī)信號(hào)分析和故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，易于維護(hù)和升級(jí)的特點(diǎn)，而且易于推廣和應(yīng)用。1.4 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向近些年，故障診斷的新技術(shù)和新方法層出不窮，人工智能和計(jì)算機(jī)在軸承故障診斷中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，今后的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下方面：1. 時(shí)域分析和頻譜分析在軸承故障診斷中的應(yīng)用將日趨完善；2. 對(duì)于軸承故障診斷的理論和方法進(jìn)一步深入研究，并且各種研究成果將會(huì)逐步應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)；3. 故障診斷智能系統(tǒng)進(jìn)一步的深入研究，多種軸承故障分析方法相結(jié)合，如小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識(shí)別與小波分析相結(jié)合等新分析方法應(yīng)用智能專(zhuān)家系統(tǒng)，提高診斷的效率和準(zhǔn)確率；4. 隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷將是現(xiàn)代故障診斷發(fā)展的一個(gè)重要的方向。1.5 本課題主要研究?jī)?nèi)容本文分析研究了滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)失效形式及其特征，總結(jié)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)，研究了滾動(dòng)軸承信號(hào)處理及故障診斷的方法，搭建了滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，采用較為先進(jìn)、成熟的故障診斷方法，對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷。本文的主要內(nèi)容如下:第一章：緒論。簡(jiǎn)要介紹了本課題研究的意義、滾動(dòng)軸承故障診斷方法、滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)發(fā)展概況、發(fā)展方向。第二章：滾動(dòng)軸承的故障特征分析。分析滾動(dòng)軸承的主要失效形式和原因，分析計(jì)算滾動(dòng)軸承的理論特征頻率和固有振動(dòng)頻率，研究滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)特征。第三章：滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究。包括時(shí)域方法、頻域方法，對(duì)各種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。第四章：滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。在滾動(dòng)軸承故障診斷方法理論的基礎(chǔ)上搭建基于 Matlab 的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。第五章：滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析。通過(guò)對(duì)采集的滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析，驗(yàn)證各種診斷方法的優(yōu)劣和滾動(dòng)軸承的故障特征。第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 5 -外圈滾動(dòng)體保持架內(nèi)圈第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析2.1 概述滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的重要零件，它在各個(gè)機(jī)械部門(mén)中的應(yīng)用最為廣泛。它的運(yùn)行質(zhì)量直接影響整臺(tái)設(shè)備的工作性能（包括精度，可靠性，壽命等）。一般來(lái)說(shuō)對(duì)滾動(dòng)軸承采用以設(shè)計(jì)壽命為限的定時(shí)進(jìn)行維修。但是，如前文所述這種維修制度會(huì)對(duì)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行帶來(lái)一定的影響。一方面，對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)壽命而運(yùn)行完好的滾動(dòng)軸承拆下來(lái)作報(bào)廢處理，造成浪費(fèi)；另一方面，已處于失效狀態(tài)的軸承繼續(xù)使用會(huì)造成整機(jī)運(yùn)行性能的下降，甚至?xí)劤蓢?yán)重的事故。因此必須加強(qiáng)滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)工作，改傳統(tǒng)的定期維修為預(yù)知性維修，最大限度地發(fā)揮軸承的工作潛力，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。2.2 滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)滾動(dòng)軸承是有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等元件組成。內(nèi)圈、外圈分別與軸頸及軸承座孔裝備在一起。在大多數(shù)情況下外圈不動(dòng)，而內(nèi)圈隨軸回轉(zhuǎn)。滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承的核心元件，它使相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。滾動(dòng)體的形式有球形、圓形、錐柱形和鼓形等。滾動(dòng)體可在內(nèi)、外圈滾道上進(jìn)行滾動(dòng)。圖 1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)圖Fig1 the construction diagram of rolling element bearings第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 6 -2.3 滾動(dòng)軸承的主要失效形式及原因由于滾動(dòng)軸承的材料缺陷，加工或裝配不當(dāng)，潤(rùn)滑不良，水份和異物侵入，腐蝕以及過(guò)載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。當(dāng)然，即使在安裝、潤(rùn)滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會(huì)出現(xiàn)疲勞剝落和磨損等現(xiàn)象影響機(jī)器的正常工作。概括起來(lái)滾動(dòng)軸承的主要故障形式有:1. 塑性變形軸承轉(zhuǎn)速 時(shí)，其損壞形式主要失效形式是塑性變形，這與接觸表面1minr?的最大擠壓應(yīng)力有關(guān)（如工作負(fù)荷過(guò)重，熱變形影響，過(guò)大的沖擊載荷等）。按彈性理論分析，接觸表面的最大擠壓應(yīng)力發(fā)生在受力最大的一個(gè)滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈的接觸點(diǎn)處，其損壞的特征是滾道上形成一個(gè)個(gè)小圓穴（凹痕），使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪聲。2. 疲勞剝落滾動(dòng)體在滾道上由于反復(fù)承受載荷，工作到一定時(shí)間后，首先在接觸表面一定深度處形成裂紋（該處的切應(yīng)力最大），然后逐漸發(fā)展到接觸表面，使表層金屬呈片狀剝落下來(lái)，形成剝落凹坑，即形成疲勞剝落。疲勞剝落使軸承在工作時(shí)發(fā)生沖擊性振動(dòng)。在正常工作條件下，疲勞剝落是軸承的主要失效形式。3. 磨損或擦傷滾動(dòng)體與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及外界污物的侵入，是軸承工作表面產(chǎn)生磨損的直接原因。潤(rùn)滑不良，裝配不正確均會(huì)加劇磨損或擦傷。磨損量較大時(shí)，軸承游隙增大，不僅降低了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，也會(huì)帶來(lái)機(jī)器的振動(dòng)和噪聲，對(duì)精密機(jī)械用的軸承，磨損量就成為決定軸承使用壽命的主要因素。4. 銹蝕和電蝕銹蝕是由于空氣中或外界的水分帶入軸承中，或者機(jī)器在腐蝕性介質(zhì)中工作，軸承密封不嚴(yán)，從而引起化學(xué)腐蝕。銹蝕產(chǎn)生的銹斑使軸承工作表面產(chǎn)生早期剝落，而端面生銹則會(huì)引起保持架磨損。電蝕主要是轉(zhuǎn)子帶電，在一定條件下，電流擊穿油膜產(chǎn)生電火花放電，使軸承工作表面形成密集的電流凹坑。5. 斷裂軸承零件的裂紋和斷裂是最危險(xiǎn)的一種失效形式，這主要是由于軸承超負(fù)荷運(yùn)行、金屬材料有缺陷和熱處理不良引起的。轉(zhuǎn)速越高，潤(rùn)滑不良，軸承在軸上壓配過(guò)盈量太大以及過(guò)大的熱應(yīng)力會(huì)引起裂紋和斷裂。第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 7 -6. 膠合膠合指滾道和滾動(dòng)體表面由于受熱而局部融合在一起的現(xiàn)象。常發(fā)生在潤(rùn)滑不良、高速、重載、高溫、起動(dòng)加速度過(guò)大等情況下。由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可以在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，導(dǎo)致表面灼傷，或某處表面上的金屬粘附到另一表面上。7. 保持架損壞通常，由于裝配或使用不當(dāng)而引起保持架發(fā)生變形，從而就可能增加保持架與滾動(dòng)體之間的摩擦，甚至使某些滾動(dòng)體卡死而不能滾動(dòng)，或者由于保持架與內(nèi)外滾道發(fā)生摩擦等均可能引發(fā)保持架損壞，導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲與發(fā)熱增加。2.4 滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)圖 2 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig2 the construction and size diagram of rolling element bearings圖 2-2 所示滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有：軸承節(jié)圓直徑 ：軸承滾動(dòng)體中心所在的圓的直徑， ；Dm滾動(dòng)體直徑 ：滾動(dòng)體的平均直徑， ；d內(nèi)圈滾道半徑 ：內(nèi)圈滾道的平均半徑，1r外圈滾道半徑 ：外圈滾道的平均半徑， ；2接觸角 ：滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線(xiàn)的夾角，rad 或（°）；?滾動(dòng)體個(gè)數(shù) ：滾珠或滾子的數(shù)目。z第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 8 -2.5 滾動(dòng)軸承的特征頻率為分析滾動(dòng)軸承各元件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，先做如下假設(shè)：1. 滾道與滾動(dòng)體之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；2. 承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無(wú)變形；3. 徑向、軸向游隙為零；4. 內(nèi)圈滾道轉(zhuǎn)速頻率為 ；tf5. 外圈滾道轉(zhuǎn)速頻率為 ；e6. 保持架轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率）為 。cf如圖 2 所示，滾動(dòng)軸承工作時(shí)內(nèi)、外圈滾道上分別只有一接觸點(diǎn) A 和 B，則 A點(diǎn)和 B 點(diǎn)的圓周速度分別為…………………………………(2-1)2rfvee??…………………………………(2-2)1ii式中 、 ——外圈、內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的圓周速度， 。evi sm由圖 2 可以推導(dǎo)出 ???cos21dDr??1?又上面兩式得外圈、內(nèi)圈滾道上一點(diǎn)速度為……………………………(2-3)????cosdDfve??……………………………(2-4)ii?滾動(dòng)體圍繞軸承中心線(xiàn)的公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度是 和 速度的平均值，即eiv……………………………(2-5)??fvcic???21由式（2-3 ）、（2-4 ）、（2-5）得保持架轉(zhuǎn)速頻率…………(2-6)?????? ???????????????ieiec fDdfdDf ???cos1cos1外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率…………………(2-7)???????cos12dfff iecec第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 9 -內(nèi)圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率…………………(2-8)??????????cos12Ddfff eiciic以固定在保持架上的動(dòng)坐標(biāo)系來(lái)看，滾動(dòng)體與外圈作純滾動(dòng)，它們之間的轉(zhuǎn)速頻率之比與直徑成反比，即………………(2-9)???????????cos1cos20 ddrfec由式（2-7 ）、（2-9 ）得滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率）……………………(2-10)???????????????20 cos12Ddfdfiec絕大多數(shù)滾動(dòng)軸承在實(shí)際應(yīng)用中總是保持外圈靜止，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速頻率為 時(shí)，則f0?effi所以，外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率………………………(2-11)fDdfec????????cos12內(nèi)圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率……………………… (2-12)fdfic????????cos12滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率）………………………(2-13)fDdfc ??????????????20cos12保持架轉(zhuǎn)速頻率…………………………(2-14)fdfc???????cos122.6 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性滾動(dòng)軸承的振動(dòng)，原則上分為與軸承的彈性有關(guān)的振動(dòng)和與軸承滾動(dòng)表面狀況有關(guān)的振動(dòng)兩種類(lèi)型。前者不論軸承正?；虍惓＃駝?dòng)都要發(fā)生，它雖與軸承異常無(wú)關(guān)，但卻決定了振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性；后者則反映了軸承的損傷狀況。第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 10 -2.6.1 滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)1. 套筒的固有振動(dòng)套筒的固有振動(dòng)主要表現(xiàn)在外圈上，因?yàn)橐话爿S承中外圈與軸承殼體為動(dòng)配合，外圈在殼體內(nèi)可以自由活動(dòng)，因此軸承上收到任何沖擊性的激勵(lì)力，均可激起外圈產(chǎn)生固有頻率的振動(dòng)。內(nèi)圈因?yàn)榕c軸為靜配合，固有振動(dòng)頻率較高，振動(dòng)相對(duì)要小。外圈徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率可近似地按下式計(jì)算……………………(2-15)??241entEIgf AD???????Hz式中 ——材料的彈性模量， ，鋼材為 210 ；EPaGPa——套筒橫向截面的慣性矩， ；I 4m——重力加速度， ，一般取 ；g2s29.8s——材料密度， ，鋼材為 ；?3kg37610kg?——套筒橫向截面面積， ， ；AAbh?2——套筒厚度， ；h——套筒寬度， ；bm——套筒中性軸直徑， ；tD——振動(dòng)階數(shù)[見(jiàn)圖 3 所示]。n圖 3 滾動(dòng)軸承徑向彎曲振動(dòng)振型示意圖Fig3 the reduced diagram of the vibration mode sketch map of radial bend in rolling element bearings2?n3?n第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 11 -2. 滾動(dòng)體的固有振動(dòng)有游隙的大型軸承，承受徑向負(fù)荷或作低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體從負(fù)荷區(qū)進(jìn)入非負(fù)荷區(qū)變成自由運(yùn)動(dòng)，因滾動(dòng)體自身的重力使其位置超前或滯后，將沖撞保持架和套筒，產(chǎn)生自由振動(dòng)。鋼球振動(dòng)的固有頻率為：…………………………(2-16)?284.0Edfon???Hz式中 ——滾動(dòng)體直徑， ；dm和 的意義和單位與式(2-15)相同。E?2.6.2 軸承構(gòu)造引起的振動(dòng)1. 滾動(dòng)體大小不均勻引起的振動(dòng)滾動(dòng)體大小不均勻，不僅使大的滾動(dòng)體受到較大的應(yīng)力，過(guò)早產(chǎn)生疲勞剝落，而且軸承在工作中容易發(fā)生顫振，使軸承游隙增大，運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低，發(fā)出噪音。由于滾動(dòng)體大小不均勻，軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著大直徑滾動(dòng)體位置的變動(dòng)，內(nèi)圈中心將作周期性的甩轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸也跟著一起甩轉(zhuǎn)。這時(shí)在轉(zhuǎn)軸上的振動(dòng)頻率既有滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率 ，又有轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速頻率 ，兩者的組合效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率為 （cf f fnc?=1,2,3,…）。n2. 滾動(dòng)體通過(guò)載荷方向產(chǎn)生的振動(dòng)圖 4 滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體上的負(fù)荷變化Fig4 Changes of load on the bearing rotates the rolling 軸承在外載荷作用下，載荷方向上的滾動(dòng)體受力最大，載荷相反方向上的滾動(dòng)體受力最小，其余滾動(dòng)體的受力大小依第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 12 -據(jù)其位置不同是不同的。如圖 4 所示，軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，最下面的滾動(dòng)體從載荷中心線(xiàn)下面向非載荷中心線(xiàn)位置滾動(dòng)，其接觸力由大變小，并且引起軸頸中心 δ 的位移。軸頸中心不僅上下方向的微動(dòng)，隨著滾動(dòng)體接觸位置的變動(dòng)，還有水平方向的微動(dòng)。因此，只要軸在旋轉(zhuǎn)，每個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)載荷中心線(xiàn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生一次力的變化，對(duì)軸頸或軸承座產(chǎn)生激勵(lì)作用，這個(gè)激勵(lì)頻率為 。czf3. 內(nèi)、外圈偏心引起的振動(dòng)內(nèi)、外圈偏心，一般是由于軸承游隙過(guò)大并伴有轉(zhuǎn)子的不平衡，或是加工后內(nèi)、外圈滾道本身存在偏心產(chǎn)生的。這樣會(huì)引起轉(zhuǎn)軸軸心的甩轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率為軸的轉(zhuǎn)速頻率及其多倍頻成分 （ 為軸轉(zhuǎn)速頻率， =1，2，3，…）。nf n2.6.3 軸承裝配不正確、軸頸偏斜產(chǎn)生的振動(dòng)如果軸承在軸上裝歪或者旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生了彎曲，軸在旋轉(zhuǎn)是相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的角度不對(duì)中現(xiàn)象，將表現(xiàn)出轉(zhuǎn)速頻率 為特征的振動(dòng)頻率。但在滾動(dòng)軸承中，由于軸的彎f曲使軸承單側(cè)受力，因此這種故障的主要頻率為 。fzc?2.6.4 精加工波紋度引起的振動(dòng)軸承內(nèi)、外圈是經(jīng)過(guò)精加工的，雖然明顯的起伏波紋并不存在，但是一些微小的加工波紋也會(huì)引起軸承的振動(dòng)，波紋度是引起軸承振動(dòng)的主要原因之一。振動(dòng)頻率與波紋數(shù) 的關(guān)系和所處的位置有關(guān)。當(dāng)球軸承承受軸向載荷，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈n靜止時(shí)，其溝道上的波紋峰數(shù)與外圈振動(dòng)頻率的關(guān)系見(jiàn)表 1 所示。表 1 振動(dòng)頻率與波紋度的關(guān)系Table1 the relation of vibration frequency and waviness波 紋 峰 數(shù) 振 動(dòng) 頻 率軸承元件徑向或角度方向 軸向 徑向或角度方向 軸向內(nèi)圈滾道 ?nznzfnzic?icnzf外圈滾道 1滾動(dòng)體滾動(dòng)面 22cf0cf0注： ——正整數(shù)（ =1，2，3，…）；n2.6.5 滾動(dòng)軸承的故障引起振動(dòng)滾動(dòng)軸承可能由于潤(rùn)滑不良，載荷過(guò)大，材質(zhì)不良，軸承內(nèi)落入異物，銹蝕等原因引起軸承工作表面上的剝落、裂紋、壓痕、腐蝕凹坑和膠合等離散型缺陷或局第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 13 -部損傷。當(dāng)滾動(dòng)體通過(guò)一個(gè)缺陷時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的沖擊脈沖信號(hào)。軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起軸承和軸承座各零部件以其固有頻率的振動(dòng)，振動(dòng)能量隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減。因此，這種由局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號(hào)，其頻率成分不僅有反應(yīng)軸承故障特征的間隔頻率（即通過(guò)缺陷處的沖擊頻率），而且還包含有反應(yīng)軸承元件自振頻率的高頻成分。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障，滾動(dòng)體每次進(jìn)入故障接觸區(qū)時(shí)產(chǎn)生的沖擊信號(hào)波形，每個(gè)最高波峰之間的間距為故障間隔頻率的倒數(shù)，沖擊后產(chǎn)生的衰減振蕩波形中，相鄰兩峰的間距則是原件固有頻率的倒數(shù)。表 2 所示，外圈固定，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)的情況下，假設(shè)內(nèi)圈滾道、外圈滾道或滾動(dòng)體上有一處局部缺陷（剝落或裂紋），軸承所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)間隔頻率。表 2 局部缺陷引起的沖擊振動(dòng)間隔頻率Table2 local defects caused by shock and vibration frequency interval缺 陷 位 置 沖擊振動(dòng)發(fā)生的間隔頻率/ Hz備 注內(nèi)圈 fDdfi ?????????cos12Z 個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈上一處 缺陷的頻率外圈 ze?Z 個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)外圈上一處 缺陷的頻率滾動(dòng)體沖擊單側(cè)滾道 fdf ?????????????201cos2即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率滾動(dòng)體沖擊兩側(cè)滾道 fDf??20 滾動(dòng)體上一處缺陷沖擊內(nèi)、 外圈滾道的頻率保持架與外圈摩擦 fdfec???????cos12即保持架的轉(zhuǎn)速頻率 cf保持架與內(nèi)圈摩擦 ic?亦即一個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)內(nèi)圈 上某一點(diǎn)的頻率注：對(duì)于止推軸承，可以看做 的滾動(dòng)軸承，表中的沖擊振動(dòng)間隔頻率計(jì)算式仍然適用。?90?1. 軸承外圈缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)軸承外圈滾道上有缺陷時(shí)，在滾動(dòng)體通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。因?yàn)橥馊潭ú粍?dòng)，各個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)缺陷區(qū)時(shí)具有相等的沖擊強(qiáng)度，因此每個(gè)脈沖幅值基本相等，不存在幅值調(diào)制的情況，此時(shí)的振動(dòng)頻率即為外圈間隔頻率 。ef2. 軸承內(nèi)圈缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)第二章 滾動(dòng)軸承的故障特征分析- 14 -當(dāng)軸承內(nèi)圈滾道上有缺陷時(shí)，在滾動(dòng)體通過(guò)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。因?yàn)閮?nèi)圈隨軸在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，缺陷的位置也在轉(zhuǎn)動(dòng)，與滾動(dòng)體的接觸力則不相同，振動(dòng)的幅值大小會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成了對(duì)內(nèi)圈間隔頻率 脈沖信號(hào)的幅值調(diào)制。若以軸轉(zhuǎn)if速頻率 進(jìn)行幅值調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為 ；若以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率(即保持f i?架轉(zhuǎn)速頻率) 進(jìn)行幅值調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為 。c cif3. 軸承滾動(dòng)體缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)軸承滾動(dòng)體上有缺陷時(shí)，缺陷部位通過(guò)內(nèi)圈或外圈滾道表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，所產(chǎn)生的波形與內(nèi)圈上缺陷相類(lèi)似。因?yàn)闈L動(dòng)體缺陷與滾道相接觸的位置在變動(dòng)，在各個(gè)位置上的接觸力不同，脈沖幅值也會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，發(fā)生對(duì)滾動(dòng)體間隔頻率 幅值調(diào)制的情況，不過(guò)此時(shí)是以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率 進(jìn)行幅值調(diào)制，這0f cf時(shí)的振動(dòng)頻率為 。cf?4. 軸承外圈缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)軸承外圈滾道上有缺陷時(shí)，在滾動(dòng)體通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。因?yàn)橥馊潭ú粍?dòng)，各個(gè)滾動(dòng)體通過(guò)缺陷區(qū)時(shí)具有相等的沖擊強(qiáng)度，因此每個(gè)脈沖幅值基本相等，不存在幅值調(diào)制的情況，此時(shí)的振動(dòng)頻率即為外圈間隔頻率 。ef5. 軸承內(nèi)圈缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)軸承內(nèi)圈滾道上有缺陷時(shí)，在滾動(dòng)體通過(guò)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。因?yàn)閮?nèi)圈隨軸在一起轉(zhuǎn)動(dòng)，缺陷的位置也在轉(zhuǎn)動(dòng)，與滾動(dòng)體的接觸力則不相同，振動(dòng)的幅值大小會(huì)發(fā)生周期性的變化，形成了對(duì)內(nèi)圈間隔頻率 脈沖信號(hào)的幅值調(diào)制。若以軸轉(zhuǎn)if速頻率 進(jìn)行幅值調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為 ；若以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率(即保持f i?架轉(zhuǎn)速頻率) 進(jìn)行幅值調(diào)制，這時(shí)的振動(dòng)頻率為 。c cif6. 軸承滾動(dòng)體缺陷產(chǎn)生的振動(dòng)當(dāng)軸承滾動(dòng)體上有缺陷時(shí)，缺陷部位通過(guò)內(nèi)圈或外圈滾道表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，所產(chǎn)生的波形與內(nèi)圈上缺陷相類(lèi)似。因?yàn)闈L動(dòng)體缺陷與滾道相接觸的位置在變動(dòng)，在各個(gè)位置上的接觸力不同，脈沖幅值也會(huì)出現(xiàn)周期性的變化，發(fā)生對(duì)滾動(dòng)體間隔頻率 幅值調(diào)制的情況，不過(guò)此時(shí)是以滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率 進(jìn)行幅值調(diào)制，這0f cf時(shí)的振動(dòng)頻率為 。cf?第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 15 -第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究3.1 概述軸承故障特征是對(duì)軸承故障各種特征表現(xiàn)的定性或定量描述，是軸承故障診斷的主要依據(jù)。滾動(dòng)軸承故障的特征提取是滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，能否有效的提取故障特征參數(shù)是能否正確診斷軸承故障的關(guān)鍵。常規(guī)的滾動(dòng)軸承特征提取方法分時(shí)域和頻域兩大類(lèi)。時(shí)域分析通常是最直觀(guān)的診斷方法，對(duì)于某些有明顯特征的故障，可以利用時(shí)域分析作初步和直觀(guān)的判斷。觀(guān)察時(shí)域波形，可以粗略地得到三方面的信號(hào)：信號(hào)頻率成分是否復(fù)雜；振動(dòng)信號(hào)幅值是否有變化；信號(hào)中有無(wú)明顯的沖擊和調(diào)制成分。頻域分析是目前故障診斷應(yīng)用最廣泛的一種信號(hào)分析方法，它可以分析信號(hào)能量和幅值隨頻率的分布，根據(jù)這些分布的情況，就可知道滾動(dòng)軸承哪一部分出現(xiàn)了故障。頻域分析又比時(shí)域波形分析更進(jìn)一步了，它可以分析信號(hào)中都存在哪些頻率成分，是否受了幅值調(diào)制或頻率調(diào)制等。3.2 時(shí)域分析的特征參數(shù)通常，我們所采集到的信號(hào)是離散的時(shí)序數(shù)據(jù) （ 1,2,…, ），因此在此只ix?N針對(duì)離散時(shí)序數(shù)據(jù)的信號(hào)進(jìn)行討論。1．峰值 PX峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類(lèi)的具有瞬時(shí)沖擊的診斷。特別對(duì)于早期軸承表面損傷，非常容易有峰值的變化檢測(cè)出來(lái)。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低(如 以下)的情況，也常采用峰值進(jìn)行診斷。min30r…………………………………(3-1)??iPxXa?2．均值 X均值用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況( 如 以上)。in30r…………………………………(3-2)??NixX13．標(biāo)準(zhǔn)差 ?第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 16 -標(biāo)準(zhǔn)差表示隨機(jī)振動(dòng)圍繞均值“振蕩”的強(qiáng)度，因而它是描述隨機(jī)振動(dòng)的重要物理參數(shù)?！?3-3)?????NiiXx12?4．均方根值 rmsX均方根值又稱(chēng)為有效值，它用來(lái)反映信號(hào)的能量的大小，特別適用于具有隨機(jī)振動(dòng)性質(zhì)的軸承測(cè)量。在滾動(dòng)軸承的故障診斷中，均方根值可以用來(lái)反映各個(gè)滾動(dòng)體在滾道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于制造精度（諸如表面粗糙、波紋度和不圓度等）以及工作表面點(diǎn)蝕所產(chǎn)生的不規(guī)則振動(dòng)狀況。制造精度愈低或軸承磨損程度愈大，則 值rmsX愈高。但是對(duì)于表面剝落或局部損傷產(chǎn)生的沖擊脈沖振動(dòng)波形，脈沖幅值的大小值是反應(yīng)不出來(lái)的。rmsX………………………………(3-4)??NirmsxX125．波形因數(shù) fS波形因數(shù)定義為峰值與均值之比。該值也是用于滾動(dòng)軸承診斷的有效指標(biāo)之一。當(dāng)波形因數(shù)值較大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕；而其值過(guò)小時(shí)，則有可能發(fā)生了磨損?！?3-5)??????????NiiPf xXS1max6．波峰因數(shù) fC波峰因數(shù)定義為峰值與均方根值之比。該值用于滾動(dòng)軸承診斷的優(yōu)點(diǎn)在于它不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速及載荷的影響，也不受傳感器、放大器等一、二次儀表靈敏度變化的影響。通過(guò)對(duì)波峰因數(shù)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，并能反映故障的發(fā)展變化趨勢(shì)。但這種方法對(duì)表面裂紋或磨損之類(lèi)的異常沒(méi)有檢測(cè)能力。………………………(3-6)?????NiirmsPf xxXC12a7．偏度 ?S偏度反映分布的對(duì)稱(chēng)性， 稱(chēng)為右偏態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)位于均值右邊的比位于0??S左邊的多； 稱(chēng)為左偏態(tài)，情況相反；而 接近 0 則可認(rèn)為分布是對(duì)稱(chēng)的。0?? ?S第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 17 -………………………………(3-7)31?????????NiiXxS??8．峭度指標(biāo) ?K峭度指標(biāo)表示振動(dòng)波形中是否有沖擊或者尖峭程度的值。正常軸承的振動(dòng)信號(hào)近似服從正態(tài)分布，其峭度值約為 3。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其峭度值將大于 3，據(jù)此可以判斷軸承是否發(fā)生了故障。主要適用于點(diǎn)蝕類(lèi)故障?！?3-8)41????????NiiXxK??9．裕度指標(biāo) fCL裕度指標(biāo)定義為峰值與方根幅值之比?！?3-9)21?????????NiiPf xX裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)對(duì)于沖擊脈沖類(lèi)故障比較敏感，特別是故障早期時(shí)，它們有明顯的增加；但上升到一定程度后，隨著故障的逐漸發(fā)展，反而會(huì)下降，表明它們對(duì)早期故障有較高的敏感性，但穩(wěn)定性不好。表 3 時(shí)域參數(shù)指標(biāo)比較Table3 the comparison of time-domain parameters序 號(hào) 參 數(shù) 敏感度 穩(wěn)定性1 波形因數(shù) fS差 好2 波峰因數(shù) C一般 一般3 峭度指標(biāo) ?K好 好4 裕度指標(biāo) fL好 一般表 4 時(shí)域參數(shù)在不同狀態(tài)的數(shù)值表Table4 the numerical table of time-domain parameters under different conditions正常 裂紋 剝落波形因數(shù) 1.238 1.239 1.366波峰因數(shù) 2.455 2.351 1.345峭度指標(biāo) 3.000 3.524 9.358裕度指標(biāo) 3.534 4.077 2.8073.3 頻域分析的特征參數(shù)1．幅值譜幅值譜分析是直接對(duì)采樣所得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，求得關(guān)于該時(shí)域信第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 18 -號(hào)的頻率構(gòu)成信息，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為……………………………(3-10)????tdexfXfj?2)()(式中， 為時(shí)域信號(hào)。對(duì)于時(shí)域離散信號(hào)有)(tx……………………………(3-11)?????10/2NnNkijexf?對(duì)于周期信號(hào)，經(jīng)過(guò)傅立葉變換后得到的幅值譜是離散譜，即構(gòu)成信號(hào)的頻率成分是基波及其各次諧波分量；而對(duì)于非周期信號(hào)，其幅值譜是連續(xù)譜，即信號(hào)連續(xù)分布在一定的頻率范圍內(nèi)。幅值譜是在頻域中對(duì)信號(hào)能量分布情況的描述，它表示單位頻帶內(nèi)信號(hào)幅值隨頻率的變化情況，也就是說(shuō)反映信號(hào)幅值在頻域內(nèi)的分布情況。對(duì)于故障信號(hào)，其在幅值譜上經(jīng)常表現(xiàn)為有較大的峰值出現(xiàn)。根據(jù)峰值出現(xiàn)時(shí)的頻率即可判別是否有故障以及故障的類(lèi)型。2．功率譜功率譜是用功率密度來(lái)描述信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，功率譜密度包括自功率譜密度(簡(jiǎn)稱(chēng)功率譜) 和互功率譜密度。其中自功率譜與幅值譜提供的信息量相同，但在相同條件下，自功率譜比幅值譜更為清晰。功率譜的計(jì)算方法有很多，下面逐一進(jìn)行介紹。（1） 周期圖法① 基本方法周期圖法是直接將信號(hào)的采樣數(shù)據(jù) 進(jìn)行傅立葉變換求取功率譜的方法。假??ix定有限長(zhǎng)隨機(jī)信號(hào)序列為 。它的傅立葉變換和功率譜 存在下面的關(guān)系??ix ??fSx………………………………(3-12)21fXNfSx?式中， 為隨機(jī)信號(hào)序列 的長(zhǎng)度。在離散的頻率點(diǎn) ，有N??i fk??， 0,1,…, ……………(3-13)??????221ixFTkXSx?k1?N式中， 為對(duì)序列 的傅立葉變換，由于 得周期為 ，求得??iFT??ix????ixFT的功率譜以 為周期，因此這種方法稱(chēng)為周期圖法。N② 分段平均周期圖法（Bartlett 法）第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 19 -將信號(hào)序列 ， 0,1,…, ，分成互不重疊的 個(gè)小段，每個(gè)小段有 個(gè)??ix?1?NPm采樣值，則 。對(duì)每段信號(hào)序列進(jìn)行功率譜計(jì)算，然后再取平均作為整個(gè)序mP?列 的功率譜。??ix平均周期圖法還可以對(duì)信號(hào) 進(jìn)行重疊分段，如按 2:1 重疊分段，即前一段信??ix號(hào)和后一段信號(hào)有一半是重疊的。對(duì)每段信號(hào)序列進(jìn)行功率譜計(jì)算，然后再取平均作為整個(gè)序列 的功率譜。??ix這兩種方法都稱(chēng)為平均周期圖法，一般后者比前者好。③ 加窗平均周期圖法加窗平均周期圖法是對(duì)分段平均周期圖法的改進(jìn)。在信號(hào)序列 分段后，用??ix非矩形窗口對(duì)每一小段信號(hào)序列進(jìn)行預(yù)處理，再采用前述分段平均周期圖法進(jìn)行整個(gè)信號(hào)序列 的功率譜計(jì)算。由窗函數(shù)的基本知識(shí)可知，采用合適的非矩形窗口??ix對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理可減小“頻率泄露”，同時(shí)可增加頻峰的寬度，從而提高頻譜分辨率。（2） 多窗口法（MTM 法）多窗口法利用多個(gè)正交窗口獲得各自獨(dú)立的近似功率譜，然后綜合這些計(jì)算得到一個(gè)序列的功率譜。相對(duì)于普通的周期圖法，這種功率譜計(jì)算方法具有更大的自由度，并在計(jì)算精度和波動(dòng)方面均有較好的效果。普通的功率譜計(jì)算只是利用單一窗口，因此在序列始端和末端均會(huì)丟失相關(guān)信息，而且無(wú)法找回。而 MTM 法估計(jì)增加窗口使得丟失的信息盡量減少。（3） 最大熵法（MEM 法）如前所述，周期圖法功率譜需要對(duì)信號(hào)序列“截?cái)唷被蚣哟疤幚?，其結(jié)果是使計(jì)算的功率譜為信號(hào)序列真實(shí)譜和窗譜的卷積，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。最大熵法功率譜的目的是最大限度地保留截?cái)嗪髞G失的“窗口”以外信號(hào)的信息，使功率譜的熵最大。主要方法是以已知的自相關(guān)序列 ， ，…，??0xr1x為基礎(chǔ)，外推自相關(guān)序列 ， ，…保證信息熵最大。??prx ??1?prx??2rx（4） 多信號(hào)分類(lèi)法（Music 法）多信號(hào)分類(lèi)法將數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣看成由信號(hào)自相關(guān)矩陣和噪聲自相關(guān)矩陣兩部分組成，即數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣 包含有兩個(gè)子空間信息：信號(hào)子空間和噪聲子空間。R這樣，矩陣特征值向量也可分為兩個(gè)子空間：信號(hào)子空間和噪聲子空間。為了求得功率譜，計(jì)算信號(hào)子空間和噪聲子空間的特征值向量函數(shù)，使得在周期信號(hào)頻率處功率譜值最大，功率譜出現(xiàn)峰值，而在其他頻率處功率譜值最小。第三章 滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- 20 -3．能量譜能量譜描述信號(hào)能量沿頻率軸的分布情況。能量譜的表達(dá)式為：………………………………(3-14)????2ixFTE?當(dāng)用一個(gè)含有豐富頻率成分的信號(hào)作為輸入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，由于系統(tǒng)故障對(duì)各種頻率成分的抑制和增強(qiáng)作用發(fā)生改變，它通常會(huì)明顯地對(duì)某些頻率成分起著抑制作用，而對(duì)另外一些頻率成分起著增強(qiáng)作用。因此，其輸出與正常系統(tǒng)輸出相比，相同頻帶內(nèi)信號(hào)的能量會(huì)有較大的差異，某些頻帶內(nèi)信號(hào)的能量減少，而另外一些頻帶內(nèi)信號(hào)的能量增大。因此，在各頻率成分信號(hào)的能量譜中，包含著豐富的故障信息，從而可以從能量譜圖上識(shí)別故障。4．倒頻譜倒頻譜也稱(chēng)為二次頻譜，是檢測(cè)復(fù)雜譜圖中周期分量的有用工具，可以對(duì)卷積進(jìn)行分解，從而通過(guò)測(cè)得的響應(yīng)特性，識(shí)別源特性，或系統(tǒng)的傳輸特性。倒頻譜分析技術(shù)作為譜分析方法之一，在振動(dòng)、噪聲分析、故障診斷、系統(tǒng)識(shí)別等方面，都獲得了較有成效的應(yīng)用。倒頻譜是對(duì)信號(hào) 的功率譜 的對(duì)數(shù)值進(jìn)行傅立葉逆變換的結(jié)果，用??ix??fSx表示，即???xC……………………………(3-15)??????fFCxxlg1???式中， 為傅立葉逆變換； 為具有時(shí)間量綱的變量，稱(chēng)為倒頻率；功率譜1?F常常取相對(duì)量，此時(shí)倒頻譜單位為 dB。在某些場(chǎng)合使用倒頻譜而不用自相關(guān)??fSx函數(shù)，是因?yàn)榈诡l譜在功率譜的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，給幅值較小的分量有較高的加權(quán)，其作用是既可判別譜的周期性，又能精確地測(cè)出頻率間隔。使用倒頻譜分析不僅能清楚地分離功率譜中含有的周期分量，而且能夠清楚地分離邊帶信號(hào)和諧波。這在滾動(dòng)軸承故障診斷中是一種十分有效的方法。第四章 軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- 21 -第四章 軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1 概述基于 Matlab 的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試是本論文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，該軟件能夠識(shí)別滾動(dòng)軸承故障，進(jìn)而避免發(fā)展成惡性故障對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械其它的重要零件造成致命的損傷。本章首先介紹了 Matlab 軟件的發(fā)展及其特點(diǎn)，然后概述了滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的總體框架；最后詳細(xì)介紹了滾動(dòng)軸承診斷系統(tǒng)的主要分析模塊的設(shè)計(jì)與測(cè)試。4.2 Matlab 軟件簡(jiǎn)介Matlab 是由 MathWorks 公司于 1984 年推出的一套用于科學(xué)工程計(jì)算的高效率的數(shù)學(xué)軟件。自正式推出后以其良好的可擴(kuò)展性、易學(xué)易用、編程效率高等特點(diǎn)，在線(xiàn)性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在信號(hào)處理方面，它提供了專(zhuān)門(mén)的信號(hào)處理工具箱，工具箱內(nèi)包含了很多功能強(qiáng)大的信號(hào)處理函數(shù)。通過(guò)使用這些函數(shù)，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換、濾波、譜估計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)等。Matlab 越來(lái)越廣地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域是由它如下的功能和特點(diǎn)決定的。1. 編程效率高它是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，允許數(shù)學(xué)形式的語(yǔ)言編寫(xiě)程序，且比 Basic、Fortran 和 C 等語(yǔ)言更加接近我們書(shū)寫(xiě)計(jì)算公式的思維方式，用 Matlab編寫(xiě)程序猶如在演算紙上排出公式與求解問(wèn)題。因此，Matlab 語(yǔ)言也可通俗地稱(chēng)為演算紙科學(xué)算法語(yǔ)言，由于它編寫(xiě)簡(jiǎn)單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。2. 用戶(hù)使用方便Matlab 語(yǔ)言是一種解釋執(zhí)行的語(yǔ)言(在沒(méi)被專(zhuān)門(mén)的工具編譯之前)，它靈活、方便，其調(diào)用程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時(shí)間少。人們用任何一種語(yǔ)言編寫(xiě)程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：編輯、編譯、連接以及執(zhí)行和調(diào)試。各個(gè)步驟之間是順序關(guān)系，編程的過(guò)程就是在它們之間作瀑布型的循環(huán)。Matlab 語(yǔ)言與其它語(yǔ)言相比，較好地解決了上述問(wèn)題，把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫(huà)面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書(shū)寫(xiě)錯(cuò)誤、語(yǔ)法錯(cuò)誤以至語(yǔ)意錯(cuò)誤，從而加快了用戶(hù)編寫(xiě)、修改和調(diào)試程序的速度。第四章 軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- 22 -3. 擴(kuò)充能力強(qiáng)高版本的 Matlab 語(yǔ)言有豐富的庫(kù)函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用，而且 Matlab 的庫(kù)函數(shù)同用戶(hù)文刊在形成上一樣，所以用戶(hù)文件也可作為 Matlab 的庫(kù)函數(shù)來(lái)調(diào)用。因而，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫(kù)函數(shù)，以便提高 Matlab 使用效率和擴(kuò)充它的功能。另外，為了充分利用 Fortran、C 等語(yǔ)言的資源，包括用戶(hù)已編好的 Fortran、C 語(yǔ)言程序，通過(guò)建立 Mex 調(diào)用文件的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran、C 語(yǔ)言的子程序