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华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，它的运行状态直接影响到整台机器的 功能。本文首先从理论上分析总结了滚动轴承结构的振动机理，失效形式、振动类 型及发生故障的原因；然后针对滚动轴承故障缺陷的特点，将小波和小波包分析用 于滚动轴承的故障诊断，提出了两种新的滚动轴承故障诊断方法一基于小波包细化 包络分析法和基于提升模式的非抽样小波变换分析法，并通过试验验证了两种方法 的正确性，最后设计研发了基于l a b v i e w 软件的滚动轴承故障诊断系统，该系统 有效地提取了滚动轴承的故障特征，诊断识别出了滚动轴承的故障缺陷。 关键词：滚动轴承，故障诊断，小波包变换，非抽样小波变换，虚拟仪器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a r i e s ；t h er u n n i n g s t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sm n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y ，t h ef a u l tp r i n c i p l e ，t h e f a u l tv i b r a t i o np r o p e r t y ，t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d ，s e c o n d l y ， t h ep a p e ra p p l i e st h ew a v e l e ta n a l y s i sa n dt h ew a v e l e tp a c k e t sa n a l y s i st ot h ef a u l t d i a g n o s i so ft h er o l l i n gb e a r i n g s ，a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf - a u l t s ，t w o n e wm e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s ，w h i c ha r er e f i n e m e n te n v e l o p e a n a l y s i sb a s e do nt h ew a v e l e tp a c k e t sa n dn o n s a m p l i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n a l y s i s b a s e do nt h el i r i n gp a t t e m ，t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o r w a r ef o rt h ef h u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n gb e a r i n g si sd e s i g n e db y l a b v i e w ：w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i a g n o s et h ef h u l to ft h er o l l i n g b e a r i n ge 仃e c t i v e l y l vl u y o n g ( m e c h a i l i c a l 觚de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s - p r o f - w a ns h u t i i l g k e y w o r d s ： r o l n gb e a r i n g ， f a u i t d i a g n o s i s ， w a v e i e t p a c k e tt r a n s f o r m ， n o n - s a m p l i n gw a v e l e tt r a n s f b r m ，v i r t u a li n s t r u m e n t s 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，它的运行状态直接影响到整台机器的 功能。本文首先从理论上分析总结了滚动轴承结构的振动机理，失效形式、振动类 型及发生故障的原因；然后针对滚动轴承故障缺陷的特点，将小波和小波包分析用 于滚动轴承的故障诊断，提出了两种新的滚动轴承故障诊断方法一基于小波包细化 包络分析法和基于提升模式的非抽样小波变换分析法，并通过试验验证了两种方法 的正确性，最后设计研发了基于l a b v i e w 软件的滚动轴承故障诊断系统，该系统 有效地提取了滚动轴承的故障特征，诊断识别出了滚动轴承的故障缺陷。 关键词：滚动轴承，故障诊断，小波包变换，非抽样小波变换，虚拟仪器 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n gi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rc o m p o n e n t si nr o t a r i e s ；t h er u n n i n g s t a t e sw i l la f f e c tt h ew h o l em a c h i n e sm n c t i o n sd i r e c t l y f i r s t l y ，t h ef a u l tp r i n c i p l e ，t h e f a u l tv i b r a t i o np r o p e r t y ，t h ef a i l u r ef o r m sa n dt h ef a i l u r ec a u s ea r ea n a l y z e d ，s e c o n d l y ， t h ep a p e ra p p l i e st h ew a v e l e ta n a l y s i sa n dt h ew a v e l e tp a c k e t sa n a l y s i st ot h ef a u l t d i a g n o s i so ft h er o l l i n gb e a r i n g s ，a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n gf - a u l t s ，t w o n e wm e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r df o rt h ef a u l td i a g n o s i s ，w h i c ha r er e f i n e m e n te n v e l o p e a n a l y s i sb a s e do nt h ew a v e l e tp a c k e t sa n dn o n s a m p l i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n a l y s i s b a s e do nt h el i r i n gp a t t e m ，t h en e wm e t h o d sh a v eb e e nv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t s f i n a l l yt h es o r w a r ef o rt h ef h u l td i a g n o s i ss y s t e mo ft h er o l l i n gb e a r i n g si sd e s i g n e db y l a b v i e w ：w h i c hc a ne x t r a c tt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i a g n o s et h ef h u l to ft h er o l l i n g b e a r i n ge 仃e c t i v e l y l vl u y o n g ( m e c h a i l i c a l 觚de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s - p r o f - w a ns h u t i i l g k e y w o r d s ： r o l n gb e a r i n g ， f a u i t d i a g n o s i s ， w a v e i e t p a c k e tt r a n s f o r m ， n o n - s a m p l i n gw a v e l e tt r a n s f b r m ，v i r t u a li n s t r u m e n t s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于振动信号的滚动轴承故障 诊断方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墨堕塞日期：盟矽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：墨鳖复 日 期：鳗： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章引言 众所周知，机械设备的运行状态监测和故障诊断对保证设备的安全有效运行至 关重要，国内外曾发生了不少因设备故障而引发的空难、海难、断裂、倒塌、泄露 等恶性事故，不仅造成了人员伤亡，而且造成了巨大的经济损失。如1 9 7 2 年日本 关西电力公司南海电厂3 号机组一6 0 0 m w 汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁 机事件；1 9 8 5 年山西大同电厂2 号机组联轴器断裂；1 9 8 8 年秦岭电厂的2 0 0 m w 汽 轮发电机组因振动引起的严重的断轴毁机事故，都造成了巨大的经济损失【1 1 。因此， 为了保证设备的安全运行，消除事故，需要大力开展设备故障诊断的研究，提高故 障信号的分析与处理能力。 滚动轴承具有效率高，摩擦阻力小，装配方便，润滑容易等特点，因而在旋转 机械中得到广泛的应用。滚动轴承是大部分旋转机械的组成部件，但滚动轴承却是 易损元件，许多旋转机械的故障都与滚动轴承有关【2 l 。有关资料统计，机械故障的 7 0 是振动故障，而振动故障中有3 0 是由滚动轴承引起的【3 1 。这是因为滚动轴承 在机械设备中起着承受载荷，传递载荷的作用，而且工作条件比较恶劣。滚动轴承 引起的直接后果轻则降低和失去系统的某些功能，重则造成严重的甚至是灾难性的 事故，因此滚动轴承故障诊断技术是机械设备故障诊断技术的重要组成部分，分析 研究滚动轴承故障诊断技术具有重大的科学意义和实际意义。 1 2 滚动轴承故障诊断技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 国内外研究动态 在国外，机械设备的故障诊断发展比较早，美国是最早开展设备故障诊断的国家 之一。最早进行滚动轴承故障诊断方面研究的是美国学者g u a t a f s s o n 和t a l l i a n ，他 们于1 9 6 2 年提出初始故障可以用加速度传感器所采集的信号峰值变化来检测，即 用测量信号的峰数值与标准信号的峰数值对比方法来评价轴承状态【4 1 。瑞典s k f 公 司在多年对轴承故障机理研究的基础上发明了冲击脉冲仪( s h o c kp u l s em e t e r 简称 s p m ) 检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断技术水平提高了一个档次。 1 9 7 6 年，日本新日铁株会社研制了m c v 系列机器检测仪( m a c h i n ec h e c k e r ) 可分别在低频、中频、高频段检测轴承的异常信号。该公司还推出了油膜检测仪， 它是利用超声波和高频电流对轴承的润滑状态进行监测，检测油膜是否破裂，而导 致金属间的直接接触。1 9 7 6 一1 9 8 3 年，日本精工公司( n s k ) 相继研制出了n b 系 华北电力大学硕士学位论文 列轴承检测仪器。利用1 1 5 k h z 范围内的轴承振动信号测量有效值和峰值来检测轴 承故障。英国d v e r 等首先采用峭度系数法在轴承寿命机上检测滚动轴承损伤情况， 指出峭度系数不随载荷和转速变化，只与故障程度有关【 。k o i z u m i ，r e i cw h e e l e r 等采用信号的均方根幅值，峰值作为参数来诊断故障，效果也比较理想【6 。7 】。t a v l o r 比较了润滑不足和多种故障的频谱特点，并提出尺寸故障计算方法【8 l 。r a n d a l l 进行 倒频谱分析，并指出倒频谱分析比功率谱更好【9 】。m a t h e w 等针对f f t 技术的不足， 采用共振解调法和a r 模型来检测低速轴承故障，取得了满意的效果【1 0 1 。 我国故障诊断技术研究起步比较晚，从1 9 7 9 年到1 9 8 3 年设备故障诊断技术从 初步认识进步到初步实践阶段，主要是学习国外的先进技术和经验。对于滚动轴承 的故障诊断，在国内虽然起步较晚，但近年来发展较快。较早进行研究的是上海交 通大学，对滚动轴承的故障诊断进行了较全面、系统的研究。重庆大学的雷继尧等 在轴承寿命试验机上进行了大量的实验，发现了高频群峰现象，并据此开发了一套 微机诊断系统【l 。南京航空航天大学的屈梁生等开发了一套轧钢机轴承在线监测诊 断系统，提出了同一轴承内多个同类故障的诊断方法【l2 1 。吉林大学的陈向东等利用 神经网络的逼近函数和记忆能力实现了滚动轴承运行状态的故障监测【1 3 】。西北大学 的王平等利用共振解调技术和b p 神经网络技术实现了滚动轴承在线智能诊断 【1 4 d5 1 。从国内召开的全国机械设备故障诊断学术会议论文集来看，研究开展的情况 比较活跃，国内还研发了一些检测仪器，如j k 8 2 4 l 轴承齿轮故障分析，h n a - 2 电 脑轴承分析仪等。 目前，随着科学的发展，模糊理论、灰色系统理论、模式识别、神经网络、专 家系统等在机械设备故障诊断中越来越多的内容，为滚动轴承故障诊断提供的新的 方法。 1 2 2 滚动轴承的故障诊断方法评述 滚动轴承故障诊断的方法很多，根据检测与诊断所采用的状态分量来分类，即 按照测取信号的性质来分类，其诊断方法主要有温度检测法、油样分析法、振动检 测分析法和噪声检测法等【1 6 d 8 1 。 利用振动信号对故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有效、最常用的方法。 振动分析主要有：时域分析法、频域分析法和时频域分析法。 1 ) 时域分析法 时域分析法是发展最早的一种检测方法。在时域分析中普遍采用振动信号的基 本数字特征及其概率分布特征来进行分析和诊断【1 9 l 。应用比较广泛酌有；振动信号 的平均值、均方根值、方差、峰值因子、峭度系数等无量纲特征参量。该方法比较 简便、快捷，但它易受噪声影响，故一般适合于干扰较小的场合。时间序列分析是 2 华北电力大学硕士学位论文 一种较好的方法，常用的时间序列模型有a r m a 模型、a r 模型以及m a 模型。关于各 种模型的特点、算法以及适用领域可参考文献 2 0 。 2 ) 频域分析法 频域分析方法是直接对轴承信号进行频谱分析，也可以判断出轴承的好坏。但 由于润滑剂而产生的流体动力噪声及其旋转部件振动的干扰，仅适宜于简单机械的 简单诊断。频域分析中最有效的一种方法是共振解调法【2 1 1 。该方法以轴承系统或传 感器系统的共振频带为监测频带，将振动信号经放大，带通滤波和解调后，获得脉 动冲击的低频脉动信号，即得到脉动信号的冲击频率。通过对比该冲击频率与滚动 轴承故障零件的特征频率的相似性，达到故障诊断的目的。该方法的缺点是监测频 带对分析结果起决定性的影响。 3 ) 时频域分析法 根据滚动轴承故障振动信号的特点，在故障产生冲击力的瞬间，轴承系统将产生短 时的高频振动，由于阻尼的存在而迅速衰减。而在没有冲击力作用时，则主要是由 于其它原因引起的一些低频干扰成分。时频分析方法能够正确刻画故障信号的时间 及频率特征，有更大的优越性。短时傅立叶变换是研究非平稳信号广泛使用的方法， 其基本思想是将时间信号加时间窗，然后将时间窗滑动做傅立叶变换，得到信号的 时变频谱。但短时傅立叶变换也只是局部平均，即用时间窗的一段信号来表示它在 某个时刻的特性，而且窗越宽，时间分辨率越差，若为了提高时间分辨率而缩短窗 宽时，又会降低频率分辨率。w i n g e 卜v i l l e 分布定义为信号中心协方差函数的傅立 叶变换，它具有许多优良的性能，如不用选择窗函数，对瞬时频率和群延时有清晰 的概念，但存在交叉干扰和负能量谱【2 2 。2 3 1 。小波分析是最近才出现并得以应用和发 展的一种时一频信号分析方法。由于它具有时域和频域的局部化和可变时频窗的特 点，用它分析非平稳信号比传统的傅立叶分析具有更为显著的优点。所以用小波分 析来处理其振动信号，可望获得更为有效的诊断特征信息。s u nq 等采用连续小波变 换( c w t ) 的方法，通过各尺度连续小波变换的简化分析，来识别轴承振动信号中包含 的以故障特征频率为周期的周期成分，用来检测轴承运行中的局部损伤故障【2 4 1 。 n i k o l a o un g 等提出了使用小波包变换( w p t ) 作为分析系统振动信号的工具，来诊断 轴承的局部缺陷【2 ”。张中民等提出了基于正交小波变换诊断轴承故障的新方法，利 用正交小波基将轴承故障振动信号变换到时间一尺度域，对高频段尺度域的小波系 数进行包络细化谱分析，不仅能检测到轴承故障的存在，而且能有效地识别轴承的 故障模式【2 6 1 。史东锋等提出了基于高斯函数的小波包络解调分析方法，该方法能将 各共振响应频带的调制频率提取出来，进一步采用包络谱熵选择最优尺度来监测轴 承缺陷的发生和发展过程。经试验验证，该方法能准确地检测出轴承外圈、内圈及 滚动体局部缺陷【2 7 l 。张中民等利用小波分析技术将轴承故障振动信号分解到时一频 华北电力大学硕士学位论文 空间，定义了轴承故障振动信号能量分布函数s ( t ) ，提出了利用能量分布函数s ( t ) 细 化谱诊断变速箱轴承故障的分析方法【2 引。张佩瑶等提出了提取强噪声背景下多通带 窄带信号的一种新方法一小波包信号提取算法。它是利用小波包络信号按任意时频 分辨率( 满足测不准原理) 分解到不同频段的特点而提出的，以仿真结果说明了该算 法的有效性【2 9 】。 综上所述，滚动轴承振动信号处理及故障诊断的发展趋势是采用时频域分析的 方法。当前许多专家学者正在对小波分析和共振解调分析技术的理论进行更进一步 的研究，并逐步应用到工程实践中。 1 3 本论文的内容 本论文主题在如何有效地运用小波和小波包从滚动轴承振动信号中提取故障 信息，继而判断滚动轴承是否存在故障及其故障类别。围绕这个主题，本文的研究 内容如下： 第一章：概述滚动轴承故障诊断技术研究的意义、研究现状和发展趋势； 第二章：系统的介绍了滚动轴承的主要失效形式、振动机理以及其典型故障的 振动特征； 第三章：详细的阐述了小波包变换滤波的原理、希尔伯特变换( h i l b e r t ) 原理 和频谱细化原理，提出了三种方法相结合的滚动轴承故障诊断方法，并通过试验验 证了该方法的有效性； 第四章：详细阐述了基于提升模式的非抽样小波变换的原理，提出了基于该变 换的滚动轴承故障诊断方法，并通过试验验证了该方法的有效性； 第五章：在前面分析的基础上，采用l a b v i e w r 软件编写了基于虚拟仪器的滚 动轴承故障诊断系统。该系统可以实现滚动轴承参数的设置、信号的时域和频域分 析，信号的故障特征提取与诊断等功能。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章滚动轴承结构故障机理及振动信号 在滚动轴承工况监测与故障诊断的各种方法中，振动法由于其适用效果好、测 试及信号处理简单直观等优点而被广泛采用，振动信号作为预知滚动轴承故障的信 息载体，具有很优良的性质，但盲目的测定振动信号，对其特征不进行认真地分析 和研究，仍然不能成功且有效的诊断出故障，本章详细阐述讨论滚动轴承结构的振 动机理，失效形式、振动类型及发生故障的原因。 2 1 滚动轴承结构故障机理 滚动轴承是旋转机械转子系统以及部分往复机械曲轴组件的重要支承部件。其 基本结构包括外圈、内圈、滚动体、保持架等元件，结构如图2 1 所示： l ： f i 1 一外圈2 一滚动体 3 一内圈 4 一保持架 图2 1 滚动轴承结构 在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：其一为与轴承的弹性有关的振 动，其二为与轴承滚动表面的状况( 波纹、裂痕等) 有关的振动。前者与轴承的异 常状态无关，而后者反映了轴承的损伤情况。 滚动轴承在运转时，滚动体在内、外圈之间滚动，如果滚动表面损伤，滚动体 在损伤表面转动时，便产生一种交变的激振力。由于滚动表面的损伤形状是无规则 的，所以激振力产生的振动，将是由多种频率成分组成的随机振动。从轴承滚动表 面状况产生振动的机理可以看出，轴承滚动表面损伤的形态和轴的旋转速度，决定 了激振力的频率；轴承和外壳，决定了激振系统的传递特性。因此，振动系统的最 终振动频率，由上述二者共同决定。也就是说，轴承异常所引起的振动频率，由轴 的旋转速度、损伤部分的形态及轴承与外壳振动系统的传递特性所决定。 华北电力大学硕士学位论文 通常，轴的旋转速度越高，损伤越严重，其振动的频率就越高；轴承的尺寸越 小，其固有振动频率越高【3 。因此，轴承异常所产生的振动，对所有的轴承都没有 一个共同的特定频率。即使对一个特定的轴承，当产生异常时，也不会只发生单一 频率的振动。 2 2 滚动轴承失效表现形式 根据振动信号的特征可以把滚动轴承在运行过程中出现的故障分为两大类：一 类为损伤类故障，包括轴承元件表面点蚀、裂纹、剥落及擦伤等；一类为磨损类故 障，包括异物落入造成的磨料磨损以及由于润滑不良引起的元件表面直接接触造成 的磨损。 当轴承出现磨损类故障时，振动信号的特征是随机性很强，无明显的周期信号 存在，可通过分析轴承的振动水平来诊断这类故障。滚动轴承失效的传统模式是局 部缺陷，即损伤类故障。在这种失效中，一块相当大的接触表面在运行中脱落，其 主要原因是循环接触应力作用下轴承金属的疲劳裂纹和剥落。滚动轴承的失效形式 如下【3 l 】： 2 2 1 滚动轴承的正常失效 1 ) 滚动轴承的正常疲劳失效 滚动轴承在其运行总小时数超过轴承计算寿命后，所发生的疲劳剥落为正常疲 劳失效。产生正常失效的原因是滚动表面的金属由于运转时的应力循环数超过材料 的疲劳极限，从次表层开始萌生疲劳裂纹，并向表面层开裂而落下金属碎片一剥落。 正常疲劳失效所表现的特征：疲劳裂纹的萌生在次表层，故看不见，用普通仪器也 无法侦听到。剥落的屑片表面粗糙而不规则，原滚动表面留下疤痕状小坑，称为点 蚀。点蚀一旦出现，即迅速扩展，短时间内即引起全面疲劳剥落，应及早更换轴承， 否则将引起轴承的事故性报废，可能对安装部位甚至对整机带来严重的后果。 超过计算寿命的疲劳剥落，实际上是不可避免的最终必然发生的现象，这时材 料的潜力已被充分利用。如用户在工作寿命方面的要求仍不满足，可在轴承的润滑 剂中加添合适的极压添加剂，改用性能更高或尺寸更大的轴承，或选用真空冶炼， 多次真空重炼等钢材所制轴承。 2 ) 滚动轴承的正常磨损失效 滚动轴承在其运转总小时数或总转数超过轴承的计算寿命，或超过磨损寿命后的过 度磨损，为正常磨损失效。产生原因是：滚动轴承的运动都伴有微小滑动，所受负 荷也总有一定波动，因而润滑可以延缓磨损但实际不能避免两界面的固体接触，即 不能完全避免磨损。它所表现出的特征是：滚动表面沿运动方向发生较光滑的磨损 6 华北电力大学硕士学位论文 条纹，新条纹有显著的金属光泽。滚动轴承的正常磨损也有三个阶段，即短期的“跑 合磨损，很长时间的平缓磨损，以及短期的剧烈磨损，最终使轴承的精度丧失， 或引起振动和噪声而不能继续使用。 超过额定寿命或磨损寿命的磨损失效，在现有技术水平条件下实际上也是不可 避免的。如用户在工作寿命方面的要求仍不满足，可改进轴承的润滑方式，选用更 有效的润滑剂，或按具体情况加添合适的油性添加剂或抗磨添加剂，提高轴承及其 润滑剂的清洁程度，改进密封等。 上述滚动轴承的“正常失效形式，如果采取措施，仍有大幅度提高轴承使用 寿命的充分余地。 2 2 2 滚动轴承的非正常失效 1 ) 滚动轴承的磨损失效 磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式，是轴承滚道、滚动体、保持架、座空 或安装轴承的轴颈，由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损。在工作环境恶劣的 情况下，许多杂质会混杂在润滑油中，进入轴承，从而就会在滚动体和滚道上产生 磨料磨损，在滚动体和滚道上出现不均匀的划痕。磨料的存在，是轴承磨损的基本 原因。 2 ) 滚动轴承的疲劳失效 疲劳是滚动轴承的另一种失效形式，常表现为滚动体或滚道表面剥落或脱皮。 初期是在表面上形成不规则的凹坑，以后逐渐延伸成片。滚动轴承在工作时，由于 滚动体与内、外圈接触面积很小，因此接触应力很大。在高速旋转时，由于巨大交 变接触应力多次反复作用，轴承元件金属表面就会发生疲劳，产生剥落形成小凹坑。 造成剥落的主要原因是载荷引起的交变应力，有时是因为润滑不良强迫安装。 3 ) 滚动轴承的腐蚀失效 由于湿气或由于使用了品质不好的润滑油，就会在轴承表面形成腐蚀。轴承零 件表面的服饰是由于下面三种原因造成的：第一种是润滑油水分或湿气的腐蚀；第 二种是电腐蚀；第三种是微震腐蚀。 4 ) 滚动轴承的断裂失效 轴承零件的破断与裂纹主要是由于磨削或热处理引起的，也有的是由于运行时 载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善，使轴承某个部位发生应力集中，产生 裂纹，最后导致轴承元件断裂。 5 ) 滚动轴承的压痕失效 压痕是由于轴承过载，撞击或异物进入滚道内使得滚动体或滚道表面上产生局部变 7 华北电力大学硕士学位论文 形而出现的凹坑。其原因主要是由于装配不当，有时也可能是过载或撞击造成。 6 ) 滚动轴承的胶合失效 胶合发生在滚动接触的两个表面间，为一个表面上的金属粘附到另一个表面的 现象。当滚子在保持架内卡住，由于润滑不良、速度过高和惯性力的影响，保持架 的材料粘附到滚子端面上形成螺旋型污斑状的胶合。 2 3 滚动轴承的振动类型 2 3 1 滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承工作时，滚动体与内圈或外圈之间可能产生冲击，而诱发滚动轴承元 件的振动。这种振动是一种受迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动 加剧。固有频率仅取决于元件本身的材料，形状和质量，与转速无关。可按下式计 算求得3 2 】： 滚动体钢球的固有频率为： 五= 半= 居 浯d 厂vz p 式中： ，一钢球半径( m ) ； p 一材料密度( k g m3 ) ； e 一材料弹性模量( n m 2 ) 。 滚动轴承套圈在圈平面内的固有频率： ，= 拱口以居 2 ， ，一广：一 1j1 ， 厶厶 2 万刀。+ l y 朋 式中： ，一套圈截面绕中性轴的惯性矩( m 4 ) ； 口一回转轴线到中性轴的半径( m ) ； m 一套圈单位长度的质量( k g m ) ； 一节点数； e 一材料的弹性模量( n m 2 ) 。 当滚动轴承为钢材时，其内、外圈固有频率可用下式计算： 无巧4 o s 寺捌 浯3 ， ， 。l 式中： 华北电力大学硕士学位论文 日一圆环的厚度( 咖) ； d 一圆环中性轴的直径( 咖) ； 一节点数。 轴承元件的固有频率的可能范围大致在2 2 0 k h z ，人们往往利用此段频率作为 诊断频带，因为轴承元件的缺陷或其不规则表面在运转中产生的脉冲冲击能激发轴 承某个元件以其固有频率振动，从而使故障信号在此频带中得到放大，提高了故障 信号的信噪比。 2 3 2 滚动轴承的故障缺陷频率 当内圈、外圈、滚子出现点蚀等故障时，会产生一定( 特征) 频率的冲击，引 起轴承振动，机器运行会出现周期性脉冲【2 引。这种周期性脉冲作用时间短，形状陡 峭。根据轴承产生缺陷零件的不同，元件的故障特征频率也不相同。滚动轴承的故 障缺陷频率为： 1 ) 外环缺陷： k = 篙( 一警 浯4 ， 2 ) 内环缺陷： k = 篙( + 警) 浯5 ) 3 ) 滚子缺陷： 舻篙( - + 学 4 ) 保持架缺陷： 扁= 嵩( 卜警 式中： d 一滚动体直径( m m ) ； d 一轴承节径( m m ) ； 口一接触角； z 一滚动体数量； 一工作转速( r m i n ) 。 当轴承出现故障后，在其振动频谱中会出现其特征频率的谱峰。 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 但在实际中谱 华北电力大学硕士学位论文 峰的频率并不总是精确的等于理论计算值。这主要是因为滚动体并非纯滚动等因素 ( 如实际轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后的变形) 造成的。所以在频谱图上寻找 各特征频率时，需在计算的频率值的上下找其近似的值来做诊断判断。此外，随着 故障程度的增加，经常还会出现一些以特征频率为主频，以轴频为差值的调制边频 现象，而当内圈、外圈和滚子同时出现故障时，由频谱分析明确诊断比较困难。 2 4 滚动轴承振动的故障原因 滚动轴承不同类型的故障会引起轴承系统不同性质的振动，如图2 2 所示： 图2 2 滚动轴承故障框图 l o 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 滚动轴承构造故障 当滚动轴承加上一定的载荷时，旋转轴的中心( 轴心) 随着滚动体的位置变动， 这是因为载荷使内、外环和滚动体产生了弹性变形。随着轴心的变动，同时产生振 动。这时的振动称为滚动体的传输振动，它由滚动体的公转而产生。这个振动的主 要频率成分为矾( 其中z 一滚动体数；六一滚动体频率) 。 对于旋转轴弯曲或轴承与轴装歪的情形，此时将发生具有玩( 其中厂一轴 的旋转频率) 频率成分的振动。 当滚动体直径不一致，一个滚动体的直径比其它滚动体大时，轴心随滚动体的 频率五而变动；另外，五因轴向的刚性不同而产生差别，发生包括五及矾( 其 中n = l ，2 。) 两种频率成分的振动。这些振动的频率一般在一千赫兹以下，没有 固有振动频率那样的频率成分。 表2 1 轴承构造引起的振动( 低频) 异常原因发生频率备注 轴承弯曲或轴装歪时 乏 、l 发生左栏频率的振动 滚动体的直径不一致时 、及n q 发生左栏频率的振动 2 ) 精加工波纹 制造时如在滚道或滚动体的精加工面上留有波纹，当凸起数达到某一量值时就 会产生特有的振动。当由于精加工留下的波纹而可听到高频声时，它便成为旋转轴 发生振动的原因。 表2 2 精加工面波纹引起的振动 异常原因发生频率备注 内环的波纹嘲l 波纹凸起数为舷l 时，发生左栏频率的振动 外环的波纹，矾波纹凸起数为舷l 时，发生左栏频率的振动 滚动体的波纹2 晚六波纹凸起数为彪1 时，发生左栏频率的振动 3 ) 滚动轴承表面损伤 损伤类故障是滚动轴承最常见的一种故障形式，常表现为元件表面疲劳剥落、 压痕、裂纹、烧伤、划伤等，当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时 要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高 频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动。由于滚动轴承的均匀回转，使冲 击具有周期性。对发生在不同位置的损伤，冲击具有不同的频率。通常称为特征频 率，故障特征频率一般在1 k h z 以下。滚动体不同元件损伤故障特征频率各不相同。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 表2 4 损伤故障引起的振动 异常原因 发生频率备注 外圈损伤册一1 2 0 1 d ， 能引起高频衰减振动 内圈损伤嬲一1 2 0 1 d ，能引起高频衰减振动 滚动体损伤 且s f 1 2 0 d n 2 ， 能引起高频衰减振动 保持架损伤 ，用 f 一面l 1 一百一， 能引起高频衰减振动 4 ) 滚动轴承不同轴 当轴承不对中，或轴承装配不良时都会发生如下表2 3 所示的低频振动。 表2 3 轴承的不同轴引起的振动( 低频、特别是球轴承更容易发生) 异常原因发生频率备注 两个轴承不对中发生左栏频率的振动， 轴承架内表面划伤或进入异物 专 球轴承容易发生振动。 轴承支架的装配部分松动 轴承本身装配不良 内环面的圆度差发生左栏频率的振动， 轴径圆度差 2 球轴承容易发生振动。 轴径面划伤或进入异物 5 ) 滚动轴承表面磨损 磨损是滚动轴承常见的种故障形式，是轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或 安装轴承的轴颈，由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损，磨损故障经历的时间 较长，是一种渐变性故障。轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的诊断具有相同 的性质，随机性较强，但磨损后震动水平明显高于正常轴承。 6 ) 滚动轴承偏心 当轴承有偏心时，轴的内圈中心d 便以外圈中心0 为中心作振摆，这时会产生 振动频率矿( 厂一轴的旋转频率，= 1 ，2 ，3 ) 图2 3 滚动轴承偏心 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章详细阐述了滚动轴承结构的振动机理、失效形式、振动类型及发生故障的 原因，为以后几章的滚动轴承振动信号的故障分析提供了理论依据。 华北电力大学硕士学位论文 第三章小波包一细化包络分析在滚动轴承故障诊断方法中的研究 通过第二章分析可知滚动轴承发生故障的故障特征，用传统的时域分析方法和 频域分析方法分析了表面损伤类故障，但这些方法在共振频带较多的情况下难以区 分缺陷信息。小波变换滤波分析轴承的低频信号，可以把轴承的低频信号准确的提 取出来，但由于低频段信号能量较低，还受其它中低频干扰源影响，精确诊断故障 也不容易，并且小波变换不能对信号的高频进一步分解，不能准确有效的提取共振 的高频带信息。 本章根据滚动轴承缺陷信号的特点，融合小波包变换、希尔伯特( h i l b e r t ) 变换、包络谱细化分析等特点，提出了三种方法相结合的滚动轴承故障诊断方法。 首先将采集的轴承振动信号进行小波包变换滤波重构，并经希尔伯特变换得到包络 信号，然后经包络谱细化得到振动频谱图，最后通过试验分析了滚动轴承的故障。 3 1 小波包一细化包络分析滚动轴承故障诊断方法基本原理 3 1 1 包络解调的基本原理 包络解调分析法是利用信号包络检波和包络功率谱的分析，根据包络谱的谱峰 来识别故障的。对于高频冲击振动而言，包络分析法更是一项重要而有效的基于传 统功率谱分析的技术。 当轴承局部存在损伤或缺陷时，在受载过程中将产生突变的衰减冲击脉冲力， 从而激起轴承的高频固有振动，这种高频固有振动作为轴承振动的载波，其幅值将 受到这些缺陷引起的脉冲激振力的调制，从而使轴承的最终振动波形表现为复杂的 幅值调制波，由于这种调制波的调制频率为与缺陷相对应的通过频率，因此调制波 的频率成分中含有与缺陷对应的故障频率。通过一定的解调技术，能将轴承的缺陷 信息从复杂的调幅振动的信号中分离出来。文献 3 3 归纳了目前常用的几种幅值解 调方法，针对滚动轴承振动信号的特点，包络解调法是最实用的一种方法，其具体 原理如下图i 姐j ： 轴承振动信号 频谱分析 数字带通滤波 低频包络信号 图3 1 包络解调原理图 高频振动 包络检波 如图3 一l 所示：由于信号的低频分量被滤除，仅剩下被调制的高频分量，因此 1 4 华北电力大学硕士学位论文 包络解调法可以有效地排除各种低频分量的干扰，而进行包络解调的关键之一在于 带通滤波，能否将包含缺陷的固有振动分离出来十分重要。由于带通滤波器的设计 工作十分复杂，而小波包变换具有带通滤波的特性，可以很好的滤波。 3 1 2 小波包变换滤波原理 小波变换具有多分辨率分析的特点，多分辨率分析的基本思想是把信号投影到 一组互相正交的小波函数构成的子空间上，形成信号在不同尺度上的展开，从而提 取信号在不同频率段的特征，同时保留信号在各尺度上的时域特征。由于小波变换 只对信号的低频部分做进一步分解，而对高频部分，即信号的细节部分不再继续分 解，所以小波变换只能够很好的表征一大类以低频信息为主要成分的信号，但不能 很好的分解和表示包含大量细节信息的信号。小波包变换可同时在低频和高频部分 进行分解，自适应地确定信号在不同频段的分辨率，进行更好的时频局部化分析【3 4 1 。 所谓正交小波包，是一函数族，由它们可构造r ( r ) ( r ( r ) 指尺上平方可积函 数构成的函数空间。即厂o ) r 心) 【i o 】。衍 归( ( 3 一1 7 ) 式中： i 彳( f ) = x 2 0 ) + x ；o ) ：t a n l 嘲 1 8 ) 幅值彳( f ) 就是信号x o ) 的包络信号，这样经过希尔伯特( h il b e r t ) 变换检波，除 1 9 华北电力大学硕士学位论文 去高频的振动分量，然后用含有缺陷激振分量的彳( f ) 代替原始信号x ( f ) 进行频谱分 析，便可以进行缺陷的故障诊断。把存在缺陷的轴承振动信号，经过小波包变换滤 波和希尔伯特( h i l b e r t ) 变换检波后变成包络信号，再对此包络信号进行频谱分析， 则在频谱中含有低频的激振频率，即缺陷频率。 3 1 4 包络谱细化基本原理 实际运用中，通过包络谱分析所得的缺陷频率应该与轴承的理论缺陷频率有较 准确的对应关系。但由于频率分辨率受采样频率和采样点数的限制，一旦存在多个 缺陷频率，并集中在低频段时，缺陷便很难分辨。因此，为了精确地诊断出轴承缺 陷，有必要进行包络谱细化。 为了识别谱图中的细微结构，就必须要求信号分析既要有较高的分辨率，又要 有较宽的频率范围，然而对于常规的f f t 谱来说，二者难以同时兼顾。从f f t 谱分析 方法中已知，频率分辨率鲈为采样频率六与采样点数的比值。在对具有密集型频 谱的信号进行分析时，我们希望频率分辨率鲈越小越好，同时，采样频率疋必须保持 较大值以包含所有感兴趣的频率成分。要两者兼顾必须增大采样点数，这就意味着 运算速度和分析效率将大大地降低。 为了解决这一矛盾，出现了不少的频谱细化方法，如复调制z f f t ，相位补偿细 化，a r 谱局部表示法等。复调制z f f t 以及相位补偿细化可以在一定程度上提高频率 分辨率，但所需的数据量也成倍地增加。而a r 谱等现代谱分析方法，由于是连续谱图， 故不受采样点数的影响，在理论上频率分辨率可以达到无穷小，但由于建模方法和 模型阶次确定的差异会产生谱线偏移和谱线分裂现象而得不到非常准确的频率值。 采用f f t f s 的方法细化包络频谱是实现上述目的的一个有效途径。该方法是在 不增加数据长度的前提下，利用傅立叶( f o u r i e r ) 级数的原理得到连续的频谱曲线， 从而消除频率分辨率的限制，具体原理如下【3 5 1 ： 对于采样频率为z ，频率分辨率为缈，采样点数为的时间序列& 0 ) ) ，其傅 立叶( f o u r i e r ) 级数为： 酬= 鲁+ 薯卜。s 警咖m 等) 浯 式中： 铲号) c o s 等 吮= 专篓枇n 警 2 ，2 一睁2 。， 铲专势) 华北电力大学硕士学位论文 频率 处幅值的矢量表达式为吼一，6 。，其中q 和也分别对戍幅值的实部和虚 部。由采样定理可知，序列扛0 ) ) 中包含着频段o ，2 的连续信息，式( 3 2 0 ) 中 的女( o ! ，2 ) 看作为连续变化的实数变量，则式( 3 2 0 ) 可变为： n = 吾兰x ( 一) c 。s 兰芋 州：象陶。李 ”。2 ” 利用式( 32 1 ) 可以得到连续的谱线，在实际运尊中，由于式( 32 1 ) 直接采 _ | jf s ( f 。u r l 。rs e s ) 原理公式，计算量较大。因此可以先对扛0 ) ) 作f f t 变换， 得到o ，! 工2 频带内的博市叶谱，然后对感兴趣的频带用式( 32 1 ) 进行细化处 理提高，分辨率。这种方法实现起来简单易行，有利于缺陷的诊断。 32 小波包一细化包络法在滚动轴承故障诊断中的应用 321 滚动轴承试验设备 在争用滚动轴承试验台上，模拟生成滚动轴承典型故障，测量分析滚动轴承在 无战障和各种典型故障下运行时的振动信号，为滚动轴承故障诊断提供依据。 图3 ；是轴承故障试验台结构，试验轴承安装在电机输出轴上，由电机直接带 动轴承转动，参数如r ： “擎 图35 滚动轴承故障实验台 l ) 电机参数：型号a d 旺一5 6 一m 型交流电机，额定功率o 、0 9 k w ，额定转速花 月= 1 3 5 0 r m m 。 2 ) 轴承参数：型号6 3 0 5 ，节圆直径= 4 36 哪，滚动体直径d = 1 l8 f n m ，滚 动体个数z = 7 ，接触角口= o 4。 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 轴承参数和特征频率 几何尺寸特