（控制理论与控制工程专业论文）数字信号分析方法研究及应用.pdf

塑垩奎堂堡主堂垡丝墨 摘要 本论文以滚动轴承状态检测、故障诊断为研究目标。首先，系统地分析了轴承振 动与噪声具有密切的关系；其次，针对我国轴承振动测量仪存在的不足，提出并研 究设计了一种以计算机为核心的数字式轴承振动信号分析系统；最后，针对滚动轴 承故障振动所具有的特点，设计了基于共振解调法的轴承故障诊断系统。 厂 f 第一章综合论述了本文研究工作的意义、我国轴承振动测量仪技术现状和轴承故 障诊断技术现状，阐明了本文的研究内容。 第二章详细地分析了滚动轴承振动噪声产生的机理和关系，讨论滚动轴承振动信 号在时域和频域的各种统计参数，并从工程角度介绍了滚动轴承振动信号测量系统 的基本要求。 第三章针对目前国内轴承振动测量仪不能控制轴承“异常声”的问题，研究设计 了一种以计算机为核心的数字式轴承振动信号分析系统。 第四章针对滚动轴承损伤类故障的特点，介绍目前广泛使用的共振解调法在轴承 故障诊断中的应用，设计实现了基于共振解调法的滚动轴承故障诊断系统。 最后，在第五章概括论述了本文研究的主要结论，并且对进一步的研究工作进行 、 展望。户、 关键词：滚动轴承、故障诊断、信号处理 塑坚丕兰堡主堂焦笙苎一 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha r e ao ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h ec o n d i t i o ne x a m i n a t i o na n dd e t e c t i o no f d e f e c t si n r o l l i n g e l e m e n tb e a r i n g s f i r s t ，t h ea f f i n i t yb e t w e e nv i b r a t i o na n dn o i s ei n r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s i sp r o v e d s e c o n d ，ad i g i t a lb e a r i n g sv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i s s y s t e m i nw h i c hag e n e r a lc o m p u t e ra c t sa sc o r ei s p r o p o s e d a sw e l la s d e s i g n e d c o n s i d e r i n gt h es h o r t a g eo f c u r r e n tb e a r i n gv i b r a t i o n sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si nc h i n ai n t h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a u l t si nr o i l i n ge l e m e n tb e a r i n g s ，as y s t e mf o r d e t e c t i n gt h ed e f e c t si nr o i l i n ge l e m e n tb e a r i n g s i s d e s i g n e db a s e do nh i 啦一f r e q u e n c y r e s o n a n c e t e c h n i q u e c h a p t e r1g i v e sac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na b o u tt h er e s e a r c hw o r k ss i g n i f i c a n c e ， t h ec u r r e n ts t a t u so fb e a r i n gm e a s u r i n gi n s l r u m e n t si no u r c o u n t r y a n dav i e wo f m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rt h ed i a g n o s i so ff a u l t si nb e a r i n g s t h er e s e a r c ho r i e n t a t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa l s og i v e n c h a p t e r2a n a l y z e s t h em e c h a n i s mo fv i b r a t i o na n dn o i s e g e n e r a t i o n i n r o l l i n g e l e m e n t b e a r i n g sa n dr e l a t i o n s h i po f t h e m i ti sa l s od i s c u s s e dt h es t a t i s t i c a lp a r a m e t e r so f v i b r a t i o ns i g r l a li nt i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i n i na d d i t i o n ，t h e r e q u i r e m e n to f v i b r a t i o ns i g n a lm e a s u r i n gs y s t e mi sa l s og i v e ni nt h ev i e w o f a p p l i c a t i o n c h a p t e r 3 d e s i g n e dad i g i t a lb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i ss y s t e mi nw h i c ha g e n e r a lc o m p u t e r a c t sa sc o r e c o n s i d e r i n g t h e p r o b l e mt h a t t h ec u r r e n tv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t so f b e a r i n g si no u r c o u n t r yc o u l d n td e t e c t “s h o c k i n gn o i s e ” c h a p t e r 4 p r e s e n t e d t h e h i 曲- f r e q u e n c y r e s o n a n c e t e c h n i q u e w h i c hi su s e d e x t e n s i v e l yw i t ht h ev i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f1 0 e a l i z e dd e f e c t si nr o l l i n ge l e m e n t b e a r i n g s i nt h i s d i s s e r t a t i o naf a u l t s d i a g n o s t i cs y s t e m i s d e s i g n e d b a s e do nt h e h i g h f r e q u e n c yr e s o n a n c et e c h n i q u e t h el a s t c h a p t e r s u m m a r i z e st h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sw i t hw h i c ht h i s d i s s e r t a t i o nc o n c e r n s t h e p r o s p e c to f f u r t h e rr e s e a r c hw o r ki sa l s om a d e 塑垩盔堂堡主堂垡堕_ 三三一一 致谢 学业将毕，回想数载求学生涯，我深感有幸得到许多老师、同学、朋友、家人的 关怀和帮助。在此，我向所有关怀和帮助我的老师、同学、朋友、家人表示衷心的 感谢和崇高的敬意。 我由衷地感谢导师朱善安教授，在本论文完成过程中，始终得到先生的热情关怀 和精心指导，为我的学业倾注了大量的心血。先生以其渊博的学识和独特有效的思 维方式引导我顺利地完成本文的研究工作，同时他严谨求实的治学态度、崇高的思 想情操和为人师表的风范都将使我受益终身。 我由衷地感谢郑行一老师，在本论文科研课题实践过程中，始终得到先生的热情 帮助和精心指导。他丰富的经验、渊博的知识、严谨求实的治学态度使我受益非浅。 我由衷地感谢我的师弟林瑞伸同学，在我攻读硕士学位期间，分担了许多具体的 科研工作。同时，感谢同学朱毅泉、靳彤、林志赞，为我营造了一个团结、和谐的 工作气氛。 我由衷地感谢张慧财总裁、金风钊高级工程师所给予的工业现场应用支持，他们 丰富的工程实践经验使我受益匪浅。 最后，我要感谢我的家人，是他们始终如一的关怀支持，才使我能够全心全意地 完成学业。 本文的研究得到宁波新荣基贸易有限公司的资助，无锡汇光仪器有限公司的协 助，在此表示感谢! m 郑剑锋 二零零一年春于求是园 塑坚奎堂堕主兰垡鲨茎 一 第一章绪论 1 1 选题意义 轴承在国民经济建设中，具有极其重要的作用。它是各种旋转机械中应用最广泛 的一种通用机械部件。其中，滚动轴承是高度标准化的机械元件，有着多种尺寸规 格和精度等级的系列型号，可以在相当宽广的范围内满足用户对轴承的基本要求。 特别是滚动轴承被作为标准件使用，由于其维护简便，因此得到最为广泛的应用。提 高我国的滚动轴承生产水平，可以把整个机械设备的功能、效率、寿命等提高到一 个新的水平，大大改善各种应用轴承的机电产品质量，它对于整个机械生产工业来 说是一个关键。由于轴承在机械工业中的重要地位，因此国内外都非常重视轴承生 产行业的发展，特别是致力于提高滚动轴承的产品质量。近1 0 年来，国内轴承质量 得到了很大的提高，整个轴承行业的生产能力和数量都有很大提高；另方面，国 内和国际市场对轴承的需求量不断增长，特别是对高品质的轴承的需求。随着中国 即将加入世界贸易组织，轴承行业的生产基地将逐渐转向东南亚，中国必将成为轴 承的生产大国。 过去，国内对轴承降振技术研究比较重视。根据国家轴承质量检测中心多年来对 轴承行业的检测提供的数据表明：我国轴承行业通过十年的努力，目前轴承行业深 沟球轴承振动值达到z ，组的超过8 0 ，达到z 。组的占4 0 ，达到z ，组的不足5 。当 然也有少部分企业根据用户的需要，开始向z ，一5 d b 的目标努力。而国外深沟球轴 承高档次产品的振动值为z ，一8 r i b ，而且没有“异常声”。密封型深沟球轴承除了对 振动、噪声有要求外，同时要求温升、漏脂和防尘指标达到密封深沟球轴承技术 条件的要求。根据机械工业部1 9 9 1 年组织的密封深沟球轴承可靠性考核，国家轴 承质量检测中心对2 4 家企业生产的密封深沟球轴承进行了考核测试，合格率仅为 5 8 3 ；1 9 9 7 年根据国家技术监督局的部署，又对6 7 个企业生产的深沟球轴承的密 封性能进行了检测，其合格率为6 4 7 ，不合格项目就是漏脂和防尘性能。不难看出 我国滚动轴承动态性能质量和国外先进水平仍有相当的一段差距。主要问题还是振 动噪声大，有异常声，密封性差。这也反映出国内忽视了轴承降噪方面的研究，从 而导致国内轴承降嗓研究水平落后。迄今为止尚无轴承噪声测量方法及噪声分级标 准。虽然轴承振动和噪声具有密切相关性，但轴承噪声仍有其自身的规律，需要对 其进行专题研究。国外对滚动轴承降振降噪技术的研究十分重视，除制定轴承振动 测量方法和限值标准外，还制定了滚动轴承噪声测量方法及噪声分级标准，如美国 1 塑坚盔兰堡主兰垡堡奎 一 一 _ _ _ ，- - - _ _ 一 a n s i a f bs t d l 3 1 9 8 7 滚动轴承振动噪声( 测量方法) ，德国t g l 一2 0 9 1 4 滚 动轴承噪声机械声测量装置，日本j i sb 1 5 4 8 9 5 滚动轴承噪声的测量方法 的标准，这些标准规范促进了国外轴承技术的发展。国内对轴承噪声的控制起步较 晚，由于缺少统一的标准，轴承噪声测量所用的仪器、测试条件、测量方法也各不 相同，难于对轴承噪声进行比较科学的评估，进而影响了国内轴承噪声的研究水平。 因此开发能够准确检测轴承的各种异音，同时能够评价轴承振动值的轴承测量仪 是解决轴承振动噪声及音质控制问题的重要保证，也是当前轴承行业发展的重要研 究课题之。同时，通过轴承对振动和噪声信号的分析，达到诊断轴承的各种故障， 进一步指导解决轴承生产过程中的缺陷，从本质上改善我国轴承行业的生产水平。 轴承振动噪声性能的检测技术涉及到机械制造、电子技术、计算机技术、信号处 理、信息处理等众多学科和技术的交叉应用。对振动噪声的机理，国内外都做了大 量的研究，可以说基本透彻，但是关于振动和噪声的关系仍有不同的看法。对轴承 的故障检测研究虽多，但在许多情况下还不能满足工程实际需要，主要处于理论和 方法研究阶段。 1 2 技术发展现状综述 1 2 1 我国轴承振动测量仪技术现状 目前，滚动轴承的性能质量主要还是通过振动测量来评定的。理论和实践证明， 滚动轴承的振动烈度对轴承零件的加工质量十分敏感。在一般的轴承振动测量仪上， 通过测量轴承的振动烈度来综合评价轴承的产品质量，效果良好。目前国内有一套 滚动轴承振动测量标准：滚动轴承振动( 速度) 测量方法( i b t5 3 1 3 9 1 ) ， 滚动轴承振动( 加速度) 测量方法( j b t5 3 1 4 9 1 ) ，滚动轴承深沟球轴 承振动( 加速度) 技术条件o b t7 0 4 7 9 3 ) ，深沟球轴承振动( 加速度) 技术 条件( j b t 5 0 0 9 - - 9 4 ) 。以上标准实施了近十年，我国滚动轴承振动的振动值也有 很大的降低【1 】。 国内的轴承振动测量仪主要有两种：加速度型和速度型。加速度型以大连轴承仪 器厂生产的s 0 9 1 0 系列为代表，速度型以杭州轴承试验研究中心研制生产的b v t 系 列为代表。这两种系列的轴承振动测量仪多年来在轴承行业振动测量方面发挥了重 要的作用，为我国的轴承行业发展做出了巨大的贡献。 随着轴承行业的发展和用户对轴承的要求越来越高，我国的轴承振动评价标准体 系越来越显得不够完善。我国的振动分级标准已经修订多次，但市场调查显示，广 2 塑鋈奎堂堡主兰垡鲨壅 _ 一一 大用户对我国当前实施的轴承振动评价标准体系还不够满意，比如有的用户希望能 增加更高档次的低振动标准；有的用户提出振动等级不一定高，但需控制轴承异常 声，并要求在标准中增加反映异常声水平的技术参数，如振动峰值或峰值因子；也 有用户反映轴承“振动寿命”无法考核等等【l 】。为此，轴承杂志在1 9 9 9 年第l 期，将轴承“异常声”这个目前的热点、难点问题提出来讨论( 参见轴承杂志 1 9 9 9 ，n o 1 ) 。许多轴承方面的专家都对这个问题发表了自己的看法【l ，2 ，3 ，4 】。当 前有关研究部门正在着手通过试验研究，制定相关标准 国内轴承行业使用的滚动轴承振动测量仪大多是根据目前已有的轴承振动评价 标准研制的，随着评价标准的不足，测量仪也就暴露出在评价轴承性能方面的不足。 l 、速度型传感器测量仪( 如b v t - - l 型轴承振动测量仪) 和加速度型传感器测 量仪( 如s 0 9 0 1 轴承振动测量仪) 检测的振动信号参数值都只有有效值：加速度型 测量仪只有通频段( 5 0 h z 1 0 kh z ) 的有效值，速度型测量仪分为三个频段：低频 段( 5 0 h z 3 0 0 h z ) 、中频段( 3 0 0 h z 1 8 0 0 h z ) 、高频段( 1 8 0 0 h z 1 0 kh z ) ，也只 检测有效值。但是，现在用户不单是要求增加更高档次的低振动标准，更重要的是， 用户提出要避免轴承有异常声或杂音的要求，无法很好地通过现有轴承行业广泛使 用的轴承振动测量仪反映出来。尽管轴承“异常声”没有确切的定义，但基本可以 认为是一种不规律、突发或阵发的不悦耳的刺激声。这种信号的特征在有效值中不 能很好的体现出来。近年来，我们已经注意到了s k f 和n s k 公司振动分级标准都是 既考虑振动有效值、又考虑振动的峰值。现将s k f 分级代号列出：幺，振动峰值极 低：q 。振动峰值低于普通级；q ，振动平均值极低；q 。振动平均值低于普通级；q ， 振动峰值、平均值极低：q 6 6 振动峰值、平均值均低于普通级。日本n s k 按振动峰 值和平均值分为四级：普通级、c m 级、c m r 级及c m f 级( 最高级) 【4 】。单纯依 靠测量轴承振动信号的有效值已经不能反映轴承的性能特性。 2 、加速度型测量仪的传感器系统，就其加速度计本身而言，频响可以大于1 5 k h z ， 但具体使用时往往要加弹簧和传振杆构成传感器系统，其系统频响往往低于6 k h z ， 不能覆盖轴承频谱。对于这种情况，有些研究人员做了一些改进【5 】，但终因系统的 本身缺陷而效果不是很明显。速度传感器系统则避免了要用弹簧和传振杆构成传感 器系统，可以达到频响1 0 k h z ，基本覆盖轴承振动频谱，所以应用比较广泛【3 】。 但是对于突发或阵发的突变高频信号，速度传感器的敏感性不如加速度传感器，而 且加速度传感器简单，不易损坏。 3 、目前的轴承振动测量仪的电气部分都是用模拟电路实现的，在抗干扰方面的 性能不佳，每年都需要对电气测量部分进行校正，同时还有元器件老化等问题【6 】。 另外，模拟电路在实现各种算法，如求振动信号的特征参数中需要的平方、积分、 取对数等，以及对信号的滤波、频谱分析等的实现都很麻烦和困难。同时，对于在 3 堂江奎堂堡主兰垡堡茎一 _ _ 一一 信号处理中很重要的问题，如测量和计算的精度、信号处理算法中的参数的调节等， 用模拟电路实现都有很大的缺陷，模拟电路受环境温度、周围磁场、电源波动、元 件老化等外界因素的影响，批量生产中更是难以保证性能的稳定性和一致性。这些 因素都会造成轴承振动测量中的误差。另外，用模拟电路不但在实现各种功能时很 困难，而且一旦电路确定下来，要想修改或增加其他功能，几乎无法实现，只有重 新设计整个系统。 现在社会正跨入数字化时代，许多的仪器都正在向数字化转变a 随着计算机技术 和软件技术的发展，过去许多由硬件实现的功能都可以用计算机软件虚拟实现。而 且，数字信号处理技术也非常成熟，用计算机来实现对轴承振动信号的处理是完全 可行的。开发以计算机技术为中心的轴承振动信号数字处理系统，不但可以避免用 模拟电路实现时的种种不足之处，还大大提高了整个系统的“柔性”，使得整个系统 的灵活性得到根本性的改变。采用以计算机为中心，通过用在计算机上的一组硬件 和软件而构成系统的仪器设计思想，是目前通用仪器系统设计的主要发展方向之一。 1 2 2 轴承故障诊断技术现状 滚动轴承在整个工业的应用十分广泛，许多设备的正常运行在很大程度上都取决 于轴承的稳定、正常工作。在工业应用中，轴承是设备的关键零件之一，如果故障 轴承不被及时检测出来，将有可能会造成整个设备的瘫痪，甚至造成巨大损失。轴 承故障检测包括生产过程中检测和使用过程中检测，对于轴承生产者来说，在生产 过程中就检测出有故障的轴承予以排除，可以提高产品质量，同时指导发现生产工 艺的缺陷；对于轴承使用者来说，时刻监测轴承状态并对故障轴承及时做出诊断， 可以将故障轴承造成的损伤降到最小。所以轴承故障检测是至关重要的。 目前有很多轴承故障检测方法，大致可以分为：振动法、噪声法、温度法、油样 分析法。其中振动法使用最为广泛。有多种技术已被应用来分析轴承的振动噪声信 号，如：轴承振动信号的时域和频域参数分析，冲击脉冲技术( s h o c kp u l s em e t h o d ) ， 噪声检测法和声发射检测法( a c o u s t i ce m i s s i o nm e t h o d ) t 7 ，9 1 。预测轴承异常还有 其他方法，如润滑油磨损粉末分析法等。过去二十年中研究轴承异常的有关文献中， 大部分是采用振动和噪声检测法。t a n d o n 和n a k r a 【1 0 公布了滚动轴承监测条件 下不同振动和噪声检测方法的详细资料，如时域和频域的振动检测法、噪声检测法、 冲击脉冲技术和声发射法。 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 处的温度来判断轴承工作是否正常。温度监测 对轴承负荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引起的轴 承过热现象很敏感。所以，用于这种场合比较有效。但是，当轴承出现诸如早期点 4 浙江大学硕士学位论文 一一。 蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有效果，只有当故障 达到一定的严重程度时，才能由这种方法监测到。所以，温度髓测不适用于点蚀、 局部剥落等所谓的局部损伤类故障。 油样分析法是一种从轴承所使用的润滑油中提取出油样，通过收集和分析油样中 金属颗粒的大小和形状来判断轴承工况和故障的方法。这种方法只适用于油润滑轴 承，而不实用于脂润滑轴承。另外，这种方法易受其它非轴承损坏掉下的颗粒的影 响。所以，这种方法具有很大的局限性。 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信号，并 对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。由于振动法具有：适用于各 种类型各种工况的轴承；可以有效地诊断出早期轻微故障；信号测试与处理简 单、直观；诊断结果可靠等优点，所以在实际中得到了极为广泛的应用。用振动 法进行故障检测，又可分为时间检测法和频率检测法。时间检测法中有代表性的检 测项目有：峰值、有效值、峰值因数、峭度和脉冲因数等。频率分析法中有代表性 的检测项目有：同步均衡、对数倒频谱、可调频率分析法、高频共振分析法和短时 信号处理等。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承监测与诊断仪器和系统中大都 是根据振动法的原理制成的。从适用、实用、有效的观点来看，目前没有比振动法 更好的滚动轴承监视与诊断方法了。 噪声法，即通过滚动轴承在运行过程中的噪声来判断其故障。用噪声法进行轴承 的故障检测，优点是不必接触受测轴承就可得到检测信号；其弊端就是很难从周围 环境的各种杂音中分离出轴承异常的声音信号。所以，噪声法般很少被采用。成 功的例子也是有的。就是在方向性强的抛物线型音响器上安装传声器，收集轴承发 出的声音信号，并用反向滤波器排除其他杂音，检测出轴承异音【9 】。 声发射( a e ) 属超声波信号，是一种弹性波，一般在轴承刚开始受损时，随裂纹 扩展而产生。声发射法就是运用声发射原理对轴承故障进行检测的方法，它是一种 非常重要的无破坏性的检测方法。声发射器包括换能器( 多为压电型) ，前置放大器 和信号发生器。换能器的固有频率很高，具有共振特性。声发射法是通过发射频率 的时间变化及频率分布来进行分析研究【7 】。从声发射的产生原理来看，研究对象 多是滚动疲劳，但无法从声发射率上看出剥落的产生，这说明声发射法有一个使用 限度，通过a e 信号分析也许可能打破这个限度。 随着科学技术的不断发展，一些新的检测技术不断出现并应用于滚动轴承的工况 监视与诊断中，例如光纤技术，等等。但是由于种种原因和局限性，这些技术真正 普及应用于实际的滚动轴承诊断还有一段距离。总的来说，滚动轴承状态监测与故 障诊断技术的发展可分为四个阶段。 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代中期，由于快 s 浙鋈杰堂堡圭兰焦笙奎 一 速傅立叶变换( f f t ) 技术的出现( 1 9 6 5 年) 和发展，振动信号的频谱分析技术得到 了很大的发展，各种通用的频谱仪纷纷问世。人们根据对滚动轴承元件有损伤时产 生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果的比较来判断 滚动轴承是否有故障。但是，把传感器拾取的振动信号经过放大器放大后直接进行 频谱分析得到的频谱图由于背景噪声的影响而变得很复杂，轴承故障的特征频率很 不明显，在故障较小的时候不容易把它们诊断出来。另外，这时的轴承振动监测与 诊断远未走向实用。 第二阶段；利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代末，瑞典s p m 仪器 公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击，而冲击要 引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲计( s h o c kp u l s em e t e r ) 的仪器来 监测轴承的故障。冲击脉冲计的理论依据是这样的：当一个钢球落到一根金属棒上 时，在棒内要产生压缩波，压缩波的最大幅值与钢球的冲击速度直接相关。根据这 个道理可以自然联想到，在一个滚动轴承内，当内圈、外圈或滚动体受损伤时，在 有负载的条件下载相接触时要产生冲击，该冲击同钢球落在金属棒上引起冲击一样 要在轴承内外滚道上产生压缩波。尽管冲击的时间很短，但产生的压缩波的最大幅 值却很大。因为压缩波的频率很高，所以用一个具有高频响应特性的压电加速度计 来监测这一冲击引起的压缩波，然后根据这一压缩波的最大幅值来判断轴承的工况。 后来，人们习惯称此压缩波为冲击脉冲( s h o c kp u l s e ) ，而把据此原理进行滚动轴 承监测与诊断的方法称为冲击脉冲法( s h o c kp u l s em e t h o d ) 。由于这种方法能比较 有效的监测到轴承的早期损伤类故障，并且不需要进行频谱分析，所以它一经发明 便很快被美国、英国等工业发达国家所采用。早期的冲击脉冲计只用来监测轴承的 局部损伤类故障，后来，随着这一技术的不断完善和发展，s p m 公司及世界上其它一 些国家的公司和厂家相继开发了各种更新换代产品，如s p m 公司的轴承分析仪 ( b e a r i n ga n a l y s e rb e a 一5 2 ) ，轴承自动分析系统( b e a r i n ga u t o a n a l y s i s s y s t e m b a s 系列产品) 等，这些仪器不但用于监测轴承局部损伤类故障，而且用来监测轴承 的润滑情况甚至油膜厚度等。尽管s p m 技术已经产生了2 0 多年时间，但现在仍然在 广泛使用。这是因为s p m 计是一种便携式测量仪器，现在一套新型s p m 计还配有好 几种类型的传感器，有探头式的，有螺纹快速连接式的等等，有的s p m 计还配有便 携式微机以便进行数据处理并给出检测结果，用起来非常灵活和方便。 第三阶段；利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，美国波音公司的d r h a r t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利，这就是我国现在统称的“共 振解调技术”的雏形。它的工作原理是这样的：当轴承元件表面有局部损伤类故障 时，要对轴承系统产生周期性的脉冲激励，由于脉冲力是一宽带信号，其中必有一 部分能量落在压电加速度计的谐振范围内，也就是说该脉冲力的频带宽度必然包含 6 塑坚奎堂堡主兰焦笙苎 一 了加速度计的谐振频率，这就必然引起加速度计的谐振。把传感器拾取的信号经过 放大，然后经过中心频率等于加速度计谐振频率的带通滤波器滤波，再经过调制器 进行包络检波，就得到了与脉冲冲击发生频率( 也就是轴承元件的故障特征频率) 相同的低频信号，对此信号进行频谱分析，可以很容易的诊断出轴承中哪一元件发 生了故障。这种技术尤其适用于轴承故障的早期诊断。因为早期故障非常轻微，它 引起的冲击脉冲强度非常小，所以其振动响应信号的故障特征很不明显，用一般的 方法很难辨别出来。采用共振解调技术由于放大( 谐振) 和分离( 带通滤波) 了故 障特征信号，极大地提高了信噪比，所以能比较容易地诊断出故障来。 由于共振解调技术对诊断滚动轴承早期损伤类故障效果很好，并且它根据包络频 谱分析的结果可以用于精确地诊断出到底是哪一个元件发生了故障，所以该技术问 世后得到了非常广泛的应用。由于这种技术包括了高频共振( 或谐振) 、带通滤波、 解调( 或包络检波) 和频谱分析等基本环节，并且不同人对这一技术的各个环节重 视的程度有所不同，所以这种技术除了共振解调技术( d e m o d u l a t e dr e s o n a n c e t e c h n i q u e d r t ) 这一名称外，又名高频共振技术( h i g hf r e q u e n c yr e s o n a n c e t e c h n i q u e h f r t ) 或包络分析技术( e n v e l o p ea n a l y s i st e c h n i q u e e a t ) 。 关于共振解调技术的高频共振环节可以由多种实现方法。d r h a r t i n g 利用加速度计 的谐振，有的人利用轴承外圈的谐振，也有的人利用电谐振器实现高频谐振。 比较冲击脉冲技术和共振解调技术可以看出，这两者有类似之处，但s p m 法只监 测滚动轴承损伤引起的冲击信号的幅值，通过对幅值的处理判断轴承的故障，而共 振解调技术不但要把冲击引起的高频谐振的幅值监测出来，而且要进行幅值包络信 号的频谱分析，所以共振解调技术比冲击脉冲技术前进了一步，多了一个包络信号 的频谱处理环节，使得此法不但能够诊断出轴承是否有故障，而且可以判断出故障 发生在那个轴承元件上以及故障的大致严重程度，所以该方法适用于滚动轴承损伤 类故障的早期精密诊断。 第四阶段。开发以微机为中心的滚动轴承工况监视与故障诊断系统。2 0 世纪8 0 年代以后，随着微机技术突飞猛进的发展，开发以微机为中心的滚动轴承工况监视 与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。例如，文献【1 1 】介绍对感应电动机轴 承进行工况监视与故障诊断的微机系统。该系统把轴承的故障分为三大类：表面损 伤、润滑不良和异物落入。在工作现场的各个轴承做出适当方位布置压电加速度计 和电荷放大器，然后通过长达5 0 0 m 的低噪声同轴电缆把轴承振动信号送往远离现场 的中心监控室，由微机对每个测点的情况巡回监测，若发现某点有问题，自动转入 诊断阶段，根据数据分析与处理结果判断轴承到底有无故障以及故障的类型和部位， 当故障在允许的程度之内时轴承继续运行，微机继续监视，达到一定严重程度时由 微机发出信号停机。 7 浙江大学硕士学位论文 伴随着滚动轴承工况监视与故障诊断发展的四个阶段，由于设备故障诊断理论的 发展和新的信号测试与处理方法的出现，人们还使用了多种其他有效的方法和技巧 来诊断滚动轴承的故障。例如，根据幅域信号对滚动轴承进行工况监视，剐开始人 们用均方根值和峰值等受轴承转速、载荷、工作条件等影响的有量纲参数指标，随 后又用峰值因子( 峰值均方根值) 这一无量纲参数，再后来英国南安普斯敦大学与 英国钢铁公司首次采用无量纲参数峭度来判断轴承的工况。使用情况表明，利 用峭度指标对滚动轴承进行工况监视是一种比较简单而有效的方法【1 2 】。 1 3 主要研究内容 图1 1 轴承振动状态监测、故障诊断系统过程信息流程及技术依托模型 轴承振动状态监测、故障诊断系统信息流程及技术依托模型如图1 】所示。第一 部分为信号检测系统，它由二大块组成：其一为基于传感器、电子、机械、计算机 等技术的信号采集系统：其二为基于数字信号处理技术信号特征提取：第二部分为 8 一塑、江奎兰堡主堂垡笙茎 一一 基于智能信息处理技术的故障诊断系统。本论文结合轴承振动状态监测和故障诊断 领域技术发展现状及工程需求，对上述内容开展研究工作，并寻求在几个方面有新 的突破。 1 、系统地分析了滚动轴承振动和噪声信号产生的机理，特别是针对目前轴承行 业关于轴承“异常声”这一问题，分析了振动和噪声的关系：轴承的振动和 噪声具有密切的关系。我国目前使用的轴承振动测量仪的测量值( 有效值) 与“异常声”的相关性不大，必须增加其它的监测值来反映轴承的噪声水平。 本文从时域和频域的角度分析轴承的振动信号，提出反映轴承振动水平和噪 声水平的各种特征参数。 2 、针对轴承振动测量仪的现状，结合我国轴承行业提出的轴承“异常声”这一 问题，提出并研制一种基于计算机的数字式轴承振动信号处理系统。该系统 以配有研究设计的轴承振动信号分析系统软件的通用计算机为核心，加上研 制的轴承振动测试台和数据采集系统构成整个数字式轴承振动信号分析系 统。系统的核心软件是在w i n d o w s 9 8 环境下采用开放式、模块化、面向对象 编程思想实现的。整个软件的设计完全继承了目前国内广泛使用的轴承振动 测量仪的功能，并在此基础上增加了峰值、峭度等参数的计算和频谱分析等 功能。软件操作简单，功能强大，界面友好。由于采用模块化的设计思想， 本系统软件部分可以随着轴承行业的发展需要而不断增加其它功能以满足用 户的多样化需要。论文这部分的研究达到工程实际推广应用阶段。 3 、轴承的损伤类故障会激起轴承系统的共振，相应的故障冲击信号会调制在轴 承系统的高频共振信号中，通过解调这一信号得到反映故障特征频率的包络 信号，对此包络信号进行分析，即可诊断出轴承的故障，共振解调法是诊断 轴承损伤类故障的一种有效方法。论文的这一部分详细地介绍并实现了共振 解调诊断法。 9 塑一坚盔兰堡主堂垡堡奎 一 第二章滚动轴承振动噪声分析 【本章摘要】本章详细地分析了滚动轴承振动噪声产生机理争关系，讨 论滚动轴承振动信号在时域和频域的各种统计参数，并从工程的角度介 绍了滚动轴承振动信号测量系统的基本要求。 2 1 引言 目前，摆在轴承行业面前的基本问题是降低轴承的振动和噪声值。解决该问题的 基本方向是改善轴承制造工艺，即提高滚动体及套圈的几何精度，降低工作表面的 粗糙度，采用各项同性的钢材，使用洁净度高的装配条件，恰当地安装和使用条件。 但即使这些条件全部满足，轴承仍然产生振动噪声，其原因在于轴承本身【1 3 。关 于轴承的振动与噪声问题，牵涉很多方面，也具有许多复杂的因素。例如，无论轴 承单独使用或是装入机械中都会可能出现轴承振动噪声问题，但两者又有极大的不 同。单个轴承的( 振动) 噪声不仅因轴承的尺寸、形状与材料不同而不同，而且也 随运行条件和周围环境的不同而变化。装入机械中后，随着机械的结构和轴承安装 条件等的不同亦有显著的差别。因此，本章将分析轴承振动和噪声产生的机理及两 者关系。 振动信号作为预知滚动轴承动态性能的信息载体，还无法直接反映轴承故障特 征，盲目地测定振动信号，对其特征不进行认真的分析研究，仍然不能成功且有效 地确定轴承的动态性能水平和故障。因此作为滚动轴承信号分析系统的基础，本章 将讨论滚动轴承振动信号的测试条件和特征参数分析。 2 2 滚动轴承的振动噪声机理 2 2 1 滚动轴承的振动机理 滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联接，固定或相对固定；内圈 与机械的传动轴相联接，随轴一起转动。在机械运转时，由于轴承本身的结构特点、 加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其它零部件的运 1 0 塑、江查兰堡主兰垡丝茎 动和力的作用等外部因素，当轴以一定的速度并在一定载荷下运转时对轴承和轴承 座或外壳组成的振动系统产生激励，使该系统振动，其振动产生的机理可用图2 1 表示。 图21 滚动轴承振动产生机理 轴承作旋转运动时，根据振动的起因，可分为三种形式： l 、 与弹性变形有关的轴承振动 第一种是由于来自滚动体方向的作用力引起轴承套圈的弹性变形。轴承套圈与滚 动体一起以多边形形状旋转( 如图2 2 ) ，在承受来自滚动体方向的接触载荷作用下 产生弯曲变形。传播到周围零件中或周围介质中( 如空气) 的形式为声波一噪声。 该振动频率为滚动体转动频率，等于砌f ，其中女= 1 ，2 ，n 为滚动体数目；f 为保 持架转动频率。对于结构参数确定的轴承，轴承外圈的弯曲变形都有其具体值。 图2 2 轴承的套圈弹性变形振动 ( a ) ( b ) 图2 3 轴承径向负荷引起的弹性变形振动 由于径向和轴向载荷的作用，轴承旋转时其刚度的变形是结构振动的第二个原 因。轴承在外负荷作用下作旋转运动时，外界负荷将由滚动体承受并传递，由于滚 动体在轴承旋转过程中相对于套圈的位置是在不断地作循环变化，因此在每一个相 对位置中，轴承内部的负荷分布及接触点的弹性变形量也是在发生变化的。图2 - 3 是 l l 浙江大学硕士学位论文 一 一个在径向负荷作用下，外圈固定，内圈作旋转运动的单列深沟球轴承，图2 3 中( a ) 及( b ) 分别是轴承在旋转过程中滚动体在负荷区内的两个典型的位置。在( a ) 及 ( b ) 两个状态下，负荷区内承受负荷的滚动体个数及每个滚动体所承受的负荷大小 不同，因此，在负荷区内每个接触点的弹性变形量也不同，从而导致了轴承旋转中 心的变化，如图2 3 ( a ) 的旋转中心为0 点，在图2 3 ( b ) 中的旋转中心为o 点， 由于( a ) 的弹性变形量的总累积值大于( b ) ，因此，0 点在0 点的上方。随着轴承 的连续转动，轴承的旋转中心也在0 及0 点间变化，这种应力和应变的差异引起了 轴承在径向方向的振动。同样，在轴向负荷作用时( 或径向和轴向联合负荷作用时) ， 这些差异也会引起轴承的轴向方向的振动。轴承由弹性变形所产生的振动是一种和 轴承结构直接有关而又无法完全避免的固有振动。 目前己明确的是这种振动水平相对较低。在精度不太高的轴承中，这种振动不明 显，但随着低噪声轴承精度的提高，结构振动可能起着越来越重要的作用。因此， 必须科学地评价其作用。文献【1 3 】中对滚动轴承的结构振动作了系统的分析。 2 、 与轴承制造有关的振动 轴承在制造过程中的不足是产生轴承振动的重要因素，如轴承零件的圆度、波纹 度、粗糙度、伤痕、缺陷及保持架引起的振动。 大量实践证明，轴承滚道和滚动体的表面波纹度对轴承的振动影响最大，特别是 滚动体的表面波纹度对振动的影响远大于滚道对振动的影响，其理由是：轴承在旋 转过程中，滚动体的自旋转频率较高，滚动体的工作表面同时和内、外滚道相接触。 轴承工作表面的波纹度是一种介于表面光洁度( 粗糙度) 和宏观不圆度之间的种 形状误差，其主要是磨削( 特别是无心磨削) 过程中的工艺参数选择不当所致。图 2 4 是内滚道波纹度所引起的轴承振动。当内滚道波纹度的波度数n 和滚动体个数z 相等时，轴承的振动值最大。 髑2 4 内滚道波纹艘和轴承的振动 表2 1 列出了轴承零件制造误差引起的振动，反映出内圈、外圈和滚动体的波纹 度及振动频率。虽然这些制造误差因素造成的激振大都具有周期性的特点，但由于 浙江大学硕士学位论文 实际构成因素十分复杂，各因素之间也不存在特定的关系，所以，总体上说这些激 振力随机性较强，含有多种频率成分，那么轴承系统在这些激振力的作用下所产生 的振动当然也具有多种频率成分并具有较强的随机性。 径向( 角向) 振动频率 制造误差波纹度误差轴向振动频率( h z ) ( h z ) k = m k f , 内圈波纹度 k = m 1 巅f o k = r l z k f o 外圈波纹度 k = w 1 ( k 1 ) 无 刚球波纹度 k = ，口 k l 兀k l 刚球直径差 正 1 轴承内圈旋转，外圈固定不转时轴承外圈上的振动 2 符号定义：k ：波纹度波数”：内圈转速 ：滚动体个数 ，：内圈通过频率( h z ) ：滚动体通过频率( h z ) ：外圈通过频率( h z ) ( 具体计算公式见附录a ) 另外，当轴承在制造或使用过程中，使得轴承零件出现不同程度的伤痕、缺陷， 如套圈滚道表面或滚动体表面上存在划痕、毛刺、锈斑、点蚀、剥落凹坑等缺陷或 有灰尘等存在，这时会激励起轴承脉冲型振动，并会有“异常声”出现。这种振动 信号在下面具体分析。 3 、 与使用有关的振动 由于轴承在装配、安装及 使用过程中所产生的轴承零 件工作表面的伤痕或疲劳剥 落点，均能引起轴承的异常振 动和噪声( 见图2 5 ) ， 关于这类故障信号，国内 外都做了大量的研究，具体来 说，按其振动信号的特征不同 各分为两大类：一类称为表面 损伤类故障，包括点蚀、剥落、 擦伤等；另一类称为磨损类故 障。 崔 彘 一 衄j r 垫 出 韫 图2 5 伤痕对声压的影响 ( ) 内为相应的中国轴承型号 型号 ( 2 1 2 ) ( 2 0 4 ) ( 2 0 6 ) ( 3 0 5 ) 压痕深度( 微米) 1 ) 磨损 一般来说，在正常使用情况下，滚动轴承工作表面磨损标准经历时间 浙里盔兰堡主兰垡笙奎 较长，是种渐变性故障。轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同 的性质，即两者的波形都是无规则的，随机性较强。但磨损后振动水平( 幅值) 明 显高于正常轴