（机械制造及其自动化专业论文）滚动轴承故障诊断系统开发研究.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 滚动轴承是机电系统中的易损零件，许多机械的故障都与滚动轴承的状态有关。 据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约3 0 的机械故障是由滚动轴承的损坏 造成的，可见滚动轴承的好坏对机电系统的工作状况影响极大。设计不当、安装工 艺不好、轴承的使用条件不佳或突发载荷等因素的影响都会使轴承在运行一段时间 后产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中进一步扩大，使轴承运行状态发生变化。 因此，滚动轴承的故障诊断一直是研究的热点。 本文通过大量的文献资料阅读，在对轴承振动检测以及故障诊断技术的现状和 发展趋势有了比较全面的了解的基础上，对滚动轴承各种振动信号的主要分析方法 进行了详细的说明，包括时域分析、频域分析、时频域分析以及各种时、频域特征 提取方法，并深入研究基于希尔伯特变换的包络分析( e n v e l o p e a n a l y s i s t e c h n i q r 孵一 e a t ) ( 共振解调) 方法，该方法对轴承进行故障诊断的效果非常明显，能够精确地判 断出故障类型。 本文介绍了滚动轴承的故障类型和故障特征频率的计算方法，并开发了一套以 n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司生产的n iu s b 9 2 3 3 为核心、基于希尔伯特变换和包络分析 的故障信号分析处理技术的故障诊断系统，能够准确地判断滚动轴承的故障及发生 的位置。本文介绍了以n iu s b 9 2 3 3 为核心的故障诊断系统的研制过程，主要包括： 振动信号采集、信号分析与处理、故障诊断三个模块以及利用l a b v l e w 软件进行 故障诊断的过程。 为了验证该开发系统的有效性，本文进行了实验研究，对6 2 0 3 型单列深沟球轴 承的故障进行了检测，把采集得到的数据经a d 转换输入计算机，基于w i n d o w s 肝 操作系统和l a b v i e w 软件平台进行信号分析和处理以及故障诊断，取得了满意的 效果。实验结果表明，本系统可以有效、准确地诊断出滚动轴承的故障类型。 最后，对本文的研究工作进行了全面的总结，并指出了有待进一步研究的几个 问题。 关键词：滚动轴承；振动信号；信号处理；故障诊断；包络分析 五邑大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l i n g e l e m e n t b e a r i n g i s o n eo ft h em o s t e a s i l yd a m a g e dp a r t s o f e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s al o to fm e c h a n i c a lf a i l u r e sa r cr e l e v a n tt ot h es t a t eo f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s i ti se s t i m a t e dt h a ta b o u t3 0p e r c e n to fm e c h a n i c a lf a i l u r e si s c a u s e db yt h ef a u l t si nt h er o t a t i n gm a c h i n ew i t hr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s i ti so b v i o u s t h a tt h eq u a l i t yo fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sh a sag r e a ti m p a c to nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s o fe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s b e c a u s eo f p o o rd e s i g n ，p o o rw o r k i n gc o n d i t i o no raj u m p h e a v yl o a d ，b e a r i n g sw i l lb ed a m a g e da n dw o r s ed u r i n gt h er u n n i n gt i m e t h ef a u l t d i a g n o s i so fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g si sar e s e a r c hh i g h l i g h t b a s e do nw i d e l yr e a d i n go fr e f e r e n c e sa n du n d e r s t a n d i n go fb e a r i n gv i b r a t i o nt e s t t e c h n o l o g ya n db e a r i n gf a u l ta n a l y s i st h e o r y , t h ea n a l y s i sm e t h o d s 。o fv i b r a t i o ns i g n a l s a r cd i s c u s s e dt h o r o u g h l y , i n c l u d i n gt i m ed o m a i na n a l y s i s ，f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s a n dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ，a sw e l la sg e n e r a la p p r o a c h e so fe x t r a c t i n gf e a t u r e sf r o m t h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na r ei n t r o d u c e d t h ee n v e l o p ea n a l y s i sm e t h o d b a s e do nh i l b e r t st r a n s f o r mi sd e e p l yi n v e s t i g a t e d t h i sm e t h o dc a nd i a g n o s i st h ef a u l t s o f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sw i t hh i g hp r e c i s i o n i nt h i sp a p e r , t h et y p e so ff a u l t sa n dt h ec h a r a c t i e r i s t i cf r e q u e n c yo ff a u l ta r e i n v e s t i g a t e d t h ed i a g n o s i ss y s t e mf o rr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sb a s e do nh i l b e r t s t r a n s f o r mi sd e v e l o p e d t h et h e o r yo fh i l b e r t st r a n s f o r ma n di t sa p p l i c a t i o ni ne n v e l o p e a n a l y s i sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eu s b9 2 3 3t y p ed a t aa c q u i r i n gc a r di su s e di n t h ed i a g n o s i ss y s t e m ，a n dt h i st y p eo fd a qc a r di sd e s i g n e df o rv i b r a t i o na n dn o i s e m e a s u r e m e n tb yn a t i o n a li n s t r u m e n t s t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h ed i a g n o s i ss y s t e m i n c l u d i n g ：v i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s sa n df a u l t sd i a g n o s i s t h ed i a g n o s i s s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e w i no r d e rt ov i l i d a t et h ed i a g n o s i ss y s t e md e v e l o p e di nt h i sp a p e r , a ne x p e r i m e n t a l s t u d yi sc a r r i e do u t t h er o l l i n ge l e m e n tb e a r i n go ft y p e6 2 0 3i sa n a l y z e di nt h e e x p e r i m e n t a ls t u d y t h eb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a li sc o l l e c t e db ys y s t e mf i r s t l y , a n di ti s a n a l y z e db yt h es o f t w a r e t h ef a u l ti no u t e rr a c ei sd i a g n o s e d t h ef u r t h e re x p e r i m e n t a l r e s u l t sv i l i d a t et h ea n a l y z i n gr e s u l t s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i a g n o s i s 五邑大学硕士学位论文 s y s t e mc a ni d e n t i f yt h eb e a r i n gf a u l t sa c c u r a t e l y f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ka n dt h ec o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ， a n ds o m ep r o b l e m sw h i c hn e e dt ob es t u d i e df u r t h e ra r ca l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s v i b r a t i o ns i g n a l s s i g n a lp r o c e s s f a u l t d i a g n o s i se n v e l o p ea n a l y s i s i i i 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均已在参考文献中列出。 作者：刘冬霞 签字：书l 椿 2 0 0 8 年3 月1 6 日 五邑大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百v 匕 在工业生产中，设备性能的好坏关系到整个生产系统的正常运行，甚至可能影 响到整个生产企业的运作。一台设备从它诞生到进行安装、运行的诸多环节中，任 何安全技术方面的问题都可能导致设备带病作业，形成故障，故障诊断技术也因此 应运而生。旋转机械的故障诊断是诊断技术应用最广、涉及行业最多的应用领域， 滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，也是机械设备中最容 易损坏的部件之一，它的运行状态是否良好会直接影响到整台机器的性能( 包括精 度、可靠性及寿命等) 。据统计，现场实际故障中的3 0 是由于滚动轴承的故障而引 起的。因此，对滚动轴承的故障诊断和预测已经成为各国研究的热点【1 - 5 】。 与别的机械零件相比，滚动轴承有一个很大的特点，这就是其寿命离散性很大， 即用同样的材料，同样的加工工艺，同样的生产设备，同样的工人加工出一批轴承， 其寿命相差很大。由于轴承的这个特点，在实际使用中就出现这样一种情况，即有 的轴承已大大超过设计寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出 现各种故障。所以，如果按照设计寿命对轴承进行定时维修，则出现以下情形：一 方面，对超过设计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理，造成浪费；另一方 面，未达到设计寿命而出现故障的轴承或者坚持到定时维修时拆下来报废，使得机 械在轴承出现故障后到拆下来这段时间内的工作精度下降，后者未到维修时间就出 现严重故障，导致整个机械出现严重事故。由此看来，对重要用途的轴承来说定时 维修是很不科学的，要进行监测与故障诊断，改传统的定时维修( t b m ：t i m e b a s e d m a i n t e n a n c e ) 为视情维修( c b m ：c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 或预知维修 ( p r m ：p r e d i c t i v e m a i n t e n a n c e ) t l o 】，这样不但可以防止机械工作精度下降，减少或杜 绝事故发生，而且可以最大限度地发挥轴承的工作潜力、节约开支等。因此在现代 化生产中，故障诊断技术越来越受到重视，如果某台设备出现故障而未能及时发现 和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。滚 动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 受到一定的载荷，以一定的转 速运转等) 下和一定的工作期间( 一定的寿命) 内可靠、有效地运行，以保证整个机械 的工作精度。同此目的相适应，轴承故障诊断就是要通过对反映轴承工作状态的信 五邑大学硕士学位论文 号的观测、分析与处理来识别轴承的状态。所以，从一定程度上可以说，轴承故障 诊断就是对轴承进行状态识别。 通过设备故障诊断能及时、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断、预防 和消除故障；能对设备的运行进行必要的指导，以期提高设备的可靠性、安全性和 有效性，把故障损失降低到最低水平；能制定合理的检测维修制度，以便在允许的 条件下充分挖掘设备潜力，延长服务期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用； 通过监测监视、故障诊断、分析评估等工作，为设备结构修改、优化设计、合理制 造及生产过程提供有益的数据和信息。大量事例表明，故障诊断技术不但能预防大 量事故的发生，同时也能带来巨大的经济效益【6 8 l 。 1 2 研究现状 1 2 1 滚动轴承故障诊断的技术发展概况 对机械设备状态进行监测与诊断，可以说从人类使用机械那一天就已经开始了。 只不过早期的监测与诊断主要是依靠人体的感官和人的经验，或者借助于某些简单 的工具来进行。随着科学技术的不断发展，工业化程度的不断提高，机械设备的精 密程度、复杂程度和自动化程度等越来越高，融现代传感技术、信号分析与处理技 术及微机技术为一体的机械设备诊断技术应运而生。滚动轴承作为机械设备的一个 组成部分，其故障诊断也是如此。为了能卓有成效地进行滚动轴承的故障诊断，有 必要对其诊断的一般过程及各个环节有一个比较系统的了解。 早期人们对滚动轴承的故障诊断是依靠听觉来加以判断的，虽然熟练的技术员 工能觉察到轴承刚发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。真正意 义上的滚动轴承的监测与诊断开始于2 0 世纪6 0 年代，人们用振动位移、速度或加 速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故障，这样减少了对人为经验的依赖。随着 科学技术的不断发展，各种方法和技巧不断产生、发展和完善：应用的领域不断扩 大；监测与诊断的有效性也不断提高。现在在工业发达国家，滚动轴承工况监测与 故障诊断技术已经实用化和商品化。总的说来，滚动轴承工况监测与故障诊断技术 的发展可以分为四个阶段【9 1 1 1 。 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，由于快速傅立叶变换( f f t ) 技术的出现( 1 9 6 5 年) 和发展， 2 五邑大学硕士学位论文 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，当时的频谱分析仪都比较昂贵，并且需要比较熟练的技术人员来操作，所以， 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 ：跗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、外圈或滚动体损伤时，当其受载相接触时要产生冲击，该冲击同钢球落在金 属棒上引起的冲击一样要在轴承内外圈滚道上产生压缩波。尽管冲击的时间非常短， 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检测冲击引起的压缩波，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 e m e t h o d ) 。由于 这种方法能比较有效地检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 来检侧轴承的局部损伤类故障，后来，随着这一技术的不断发展和完善，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 - 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3 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 仪器配有好几种类型的传感器，有的s p m 计还配有便携式微机以便进行数据处理并 给出监测结果，用起来非常灵活和方便。 3 五邑大学硕士学位论文 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 j - i a r t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统一的 专利，这就是我国现在统称的“共振解调技术 的雏型。根据文献的介绍，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 谐振范围之内，也就是说该脉冲力的频带宽度必然包含了加速度计的谐振频率，这 就必然引起加速度计的谐振( 共振) 。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，再经解调器进行包络检波，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，可以很容易地诊断出轴承中哪个元件发生了故障。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精确地诊断出到底是哪个元件发生了故障，所以该技术问世后 得到了非常广泛的应用 t 2 - 1 4 。由于这一技术包含了高频共振( 或谐振) 、带通滤波、 解调( 或包络检波) 和频谱分析等基本环节，并且由于不同的人对这一技术的各个环 节的重视的程度不同，所以这一技术除共振解调技术( 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 et e c h 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 ) 。关于包络分析技术的 高频共振环节可以有多种实现方法。d r a t t a r t i n g 利用加速度计的谐振，有的入利用 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包络分析技术可以看出，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，所以包络分析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 障发生在哪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。 4 五邑大学硕士学位论文 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承工况监测与故障诊断系统 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 动轴承工况监测与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。例如，文献【1 5 】中描述 的对感应电动机轴承进行工况监测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座处的适当部 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 某测点有问题，自动转入诊断阶段，根据数据分析与处理结果判断轴承是否有故障 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。 伴随着滚动轴承工况监视与故障诊断发展的四个阶段，由于各故障诊断理论的 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它有效的方法和技术 来诊断滚动轴承的故障，如根据幅域信号对滚动轴承进行工况监视的方法。刚开始 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，再后来英国南安普敦大学与英 国钢铁公司首次采用无量纲参数一峭度来判断轴承的工况。使用表明，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。 由于轴承在国民经济建设中具有举足轻重的地位，我国也非常重视轴承生产行 业的发展。经过几个五年计划的发展，从轴承生产总量和生产体系看，我国已成为 仅次于日本、美国和德国的世界轴承生产大国；但从产品开发、产品质量水平和生 产制造水平来看，我国与主要轴承生产强国相比还存在较大的差距，还不是轴承生 产强国【l 】。另一方面，随着我国逐步融入世界贸易组织( w t o ) ，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。因此，我国轴承行业“十 五一纲要明确提出：目前轴承行业的重要任务就是提高滚动轴承的产品质量，特别 是致力于提高低振动、低噪声轴承的产品质量。我国设备故障诊断技术自1 9 8 3 年起 步，初期主要应用于石化、冶金及电力等行业；进入2 0 世纪9 0 年代后，迅速渗透 到国民经济的各个主要行业。过去国内一直对轴承减振技术研究比较重视，“七五一、 “八五 期间，轴承业进行了深沟球轴承关键技术的研究，国产轴承振动性能有了 很大改善，国内设备故障诊断技术开发研制单位研制出了一系列国产的冲击脉冲仪 器，其中有c m j 一1 0 电脑冲击脉冲计、b t 2 0 0 0 智能轴承故障测试仪和b a 2 0 1 0 智能 5 五邑大学硕士学位论文 轴承故障分析仪，并已在国内各行业中广泛应用1 2 1 。王志刚等人针对低速重载轴承 的特点，提出了适合于低速重载轴承故障诊断的共振解调方法【】。黄海鹰等人利用 高频解调技术能突出滚动轴承的故障特征信息，有效地提高了信噪比，从而可准确 地诊断出其早期故障【1 7 l 。目前国内在利用包络分析法诊断轴承故障的文献中很多是 利用h i l b e r t 变换来实现包络解调的。何岭松等人采用垂直数字滤波技术实现包络信 号提取，将信号的窄带滤波与包络检测过程合二为一，新算法实时性强，包络检波 长度不受限制，为后续包络信号的重采样，提高包络谱分析精度提供了极大的方便 0 8 1 9 。武和雷等人采用能量算子对故障轴承的高频共振信号进行了包络解调，提取 故障特征，从而达到诊断故障的目的【2 0 1 。这几年在国内各轴承研究所的努力下，推 出了中华人民共和国机械行业标准j b t 5 3 1 4 2 0 0 2 滚动轴承振动( 加速度) 测量方 法，j b t 5 3 1 3 2 0 0 1 滚动轴承振动( 速度) 测量方法和j b t 7 0 7 4 - 1 9 9 9 滚动 轴承深沟球轴承振动( a n 速度) 技术条件。 国外对滚动轴承减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 a n s i a f bs t d l 3 1 9 9 3 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 s b l 5 4 8 1 9 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；从研究路线来看，日本对轴承噪声 的研究早于对轴承振动的研究，而且一直比较侧重于轴承噪声的研究；而欧美则一 。直偏重于对轴承振动，即轴承噪声产生的原因进行研究【2 1 1 。 综上所述，国外已经有成熟的滚动轴承故障诊断系统，国内尚没有非常成熟的 商用滚动轴承故障诊断系统，很多研究成果还处于实验室研究阶段。本文的目的是 在前述理论研究的基础上，开发出一套在线滚动轴承故障诊断系统。 1 2 2 滚动轴承故障诊断的基本环节及其方法 在对滚动轴承进行监测和诊断的过程中，故障信号的分析处理是其中的核心内 容，它在提高诊断的准确性和可靠性方面处于非常重要的地位。常规的故障信息处 理技术包括故障信号检测技术和故障信号分析技术两个部分，测量的信号通常是振 动、噪声、温度、压力、电流、电压等信号中的一种或几种，故障信号分析处理是 对检测到的各种状态信息进行加工、变换，以提取故障征兆。 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件组成的。通常，其内圈与 6 五邑大学硕士学位论文 机械中传动轴的轴颈通过过盈配合联接，工作时随轴一起转动；而外圈又装在轴承 座上，这样组成的轴承系统在运行过程中由于各种原因而产生的振动信号是十分复 杂的。一般来说，通过安装在轴承座上的传感器所拾取的轴承振动信号是一宽带信 号，且随机性比较强。引起轴承振动激励的因素是多方面的，就轴承本身而言，产 生激励的因素有：轴承各元件制造误差( 尺寸和形位误差，如表面波纹、不圆、滚动 体大小不一致等) ；装配误差( 如不对中、不平衡等) ；运行过程中出现的各种故障( 如 疲劳点蚀、剥落、裂纹、磨损、润滑不良等) 。不同的因素对轴承系统的激励是不同 的，例如，由于疲劳点蚀或剥落等轴承元件表面损伤所引起的激励是冲击性质的， 而由于元件表面波纹而引起的激励近似正弦激励。由于激励的不同( 即故障形式不 同) ，轴承系统中所产生的振动响应也不同。振动信号是轴承故障的载体，理论上可 通过对轴承振动信号的分析与处理诊断出轴承中存在的所有类型的故障。实际上， 安装在轴承座上的传感器所拾取的振动信号除反映了有关轴承本身的工作情况的信 息外，还包含了大量的机械中其它运动部件和结构的信息，这些信息对于研究轴承 本身的工况与故障来说，属于背景噪声。由于实际中背景噪声往往比较大，轻微的 滚动轴承故障所特有的信息往往淹没在背景噪声中，很难被发现和提取出来。因此 采用什么样的振动监测与信号处理技术来提高信噪比、突出故障特征信息、抑制背 景噪声，从而有效地诊断出轴承故障成为轴承振动监测与故障诊断的关键所在i i o 】。 l 滚动轴承故障诊断的基本环节 一个完整的轴承故障诊断过程通常包括以下五个环节【l o 】，如图1 1 所示。 1 ) 信号检测：根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承工作情况 或状态的信号。振动检测主要是指对振动的位移、速度、加速度、频率、相位等参 数的测量。由于被测信号振动强度近似与被测体的振动加速度成正比，所以现行的 滚动轴承振动测量所用的参数基本上是加速度。 2 ) 特征提取：采用一定的信号分析与处理方法，对振动信号进行维数压缩，去 掉冗余信息，抽取出与轴承状态具有某种对应关系的特征信息。 3 ) 状态识别：根据特征信息，建立判别模型，制定判别准则，以一定的状态识 别方法识别轴承的状态，判断轴承工作是否正常或者有无故障。 4 ) 状态分析：根据特征信息，进一步分析有关状态的情况及其发展趋势；当轴 承有故障时，详细分析故障的类型、性质、部位、产生原因与发展趋势等。 7 五邑大学硕士学位论文 图1 1 滚动轴承故障诊断过程 f i g u r e1 lt h ef a u l td i a g n o s i sc o u r s eo fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s 5 ) 决策干预：根据轴承状态及其发展趋势，作出决策，如调整、控制、维修或 继续监视等。轴承特征信息是对轴承故障各种特征表现的定性或定量描述，是滚动 轴承故障诊断的主要依据。由于轴承振动的复杂性和故障的多样性，再加上存在背 景噪声，提取与轴承状态密切相关的特征信息并不容易，因此也是轴承故障诊断的 一个难点。 当前最主要的特征提取方法有时域分析法、频域分析法和时频分析法等。时域 分析法是应用最早的一种检测方法，主要采用振动信号的基本统计特征及其概率分 布特征来进行分析和诊断。应用较广的主要有峰值、均方根值( r o o tm e a n s q u a r e , r m s ) 、峰值因子、峭度、脉冲因子和波形因子等等。形y w a n g 和m d 2 - i a r r a p 将时频分析法应用于滚动轴承的损伤检测【2 2 1 ，通过观察滚动轴承振动信号的时频分 布情况，来判断滚动轴承是否有故障。其研究结果表明，在几种时频分析方法中， w i g n e r 分布用于滚动轴承的局部损伤如外圈或内圈剥落的检测具有相对较好的效 果。但这些方法都存在计算量大、实时性差、易受噪声的干扰等缺点。 8 五邑大学硕士学位论文 频域分析法是一种基于功率谱的分析方法，可以对轴承的早期故障进行精确诊 断。除了象时域分析方法一样可以提取频谱的特征参数外，还可以通过对频谱形状 的分析来判断轴承的运行状态。频域上常用的特征诊断参数有功率谱密度函数的各 阶矩、均方频率、频谱重心、频域方差、相关因子和谐波因子等等。值得一提的是， 频域分析法中应用最成功的一种方法是包络分析法，应用包络分析技术可以更好地 获得轴承故障的频域特征。此外，倒频谱分析技术也是频域分析中比较重要的一种 方法。 2 滚动轴承故障诊断方法 关于滚动轴承故障诊断方法，传统上人们主要是根据监视与诊断所采用的状态 量来分类的，即按照测取信号的性质来分类。按照这一分类方法，滚动轴承工况监 测与故障诊断方法有温度法、油样分析法、振动法、声学测量法和声发射法 ( a c o u s t i ce m i s s i o nm e t h o d ) 等【1 0 】 2 3 , 2 4 】，其中振动法得到了最为广泛的应用。 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 对轴承载荷、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。但当轴承出现诸如早期点蚀、剥 落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反映，只是当故障达到一 定的严重程度时，用这种方法才能监测到。所以温度监测不适用于点蚀、局部剥落 等局部损伤类故障。 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，而不适用于脂润滑轴承。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的工况与故障的。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微小故障；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。 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，有关轴承监测与诊断方面的文献8 0 以上讨论的是振动法。这种方 法基于包络分析分析方法，可以有效提取振动信号中微弱的冲击成分，能够有效诊 断出滚动轴承的故障，文献 2 5 3 6 介绍了包络分析法的应用。从适用、实用、有效 的观点看，目前没有比振动法更好的滚动轴承监测与诊断方法了。文献 3 7 4 6 对此 9 五邑大学硕士学位论文 方法进行了改进，并引用了小波分析的方法，小波分析法是一种新的时频分析工具。 声学测量法，与振动法有着密切的关系，即通过滚动轴承在运行过程中的噪声 来判断其故障，通常有两种途径：声压和声强。t a n d o n 和n a k r a 证实了声强测量法 作为一种轴承诊断技术的有效性，并且得出结论【4 7 1 ：对滚动轴承进行诊断，声强测 量法是一种比声压测量法更有效的方法。用声学法进行轴承的故障检测，优点是不 必接触受测轴承即可得到检测信号；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，因此，噪声法一般很少被采用。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 向滤波器排除其它杂音，检测出轴承异音【4 3 1 。 声发射( 艇) 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查和预测的方法，它 是一种非常重要的无破坏性的检测方法。彳e 测量仪由传感器( 多为压电型) 、一个前 置放大器和一个信号处理单元组成【4 9 】。传感器的固有频率很高，具有谐振型频率特 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的，a e 信号 频谱信号较宽，而振动信号相对较低，用声发射的高频信号特性( 几十千赫以上) 可 有效抑制干扰，提高检测正确率。声发射法与振动法进行比较优点是：前者可以检 测到表面下裂纹的生成和扩展，而后者只有在裂纹扩展到表面后才能检测到。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，通过对a e 信号的解调也许可能打破这个限 度【5 0 , 5 1 】。 随着科学技术的不断发展，一些新的监测技术不断出现并应用于滚动轴承的工 况监测与诊断中，例如：声发射技术、光纤技术等。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故障诊断还有一段距离。本文在广泛阅读 文献的基础上，对各种分析方法进行综述，并指出了研究发展的方向。 1 3 本文的主要工作 本课题以机械中应用最广泛的滚动轴承的在线实时状态检测、质量检测以及智 能故障分析为研究方向，目标在于开发一套轴承故障诊断系统，能实现滚动轴承的 在线检测。在对轴承振动测量的基础上，对不合格的滚动轴承进行故障诊断，及时 发现故障类型。 i 0 五邑大学硕士学位论文 根据滚动轴承故障诊断的研究现状，本文提出基于h i l b e r t 变换的包络分析方法 在滚动轴承故障诊断中的研究与应用：即首先对滚动轴承的故障机理进行分析，研 究滚动轴承的常见失效形式及其特征，总结滚动轴承的振动机理和振动信号特点， 然后通过包络分析进行信号分析，提取特征参量，把采集得到的数据经过a i d 转换 输入计算机，用基于w i n d o w sx p 操作系统和l a b v i e w 软件平台进行信号分析和处 理，对滚动轴承进行故障诊断。本论文各章内容的描述如下： 第一章是绪论，简要介绍了本文研究的意义、滚动轴承故障诊断的过程和方法、 滚动轴承振动监测与故障诊断技术发展概况以及主要的工作内容。 第二章进行滚动轴承的故障特征分析。分析滚动轴承故障的主要形式和原因， 分析计算滚动轴承的理论特征频率和固有振动频率，研究滚动轴承的振动信号特征。 第三章介绍滚动轴承的振动信号分析处理方法，包括时域方法、频域方法，对 各种方法的特点进行了比较，并深入研究了包络分析的基本理论及其在滚动轴承故 障诊断中的应用。 第四章介绍本文设计的滚动轴承故障诊断系统，包括机械驱动系统、数据采集 系统( 传感器和数据采集卡) 和振动信号的分析系统( 计算机故障诊断系统) 。 第五章介绍滚动轴承振动信号的分析及故障诊断，该系统是基于包络分析并在 l a b v i e w 环境下实现的，用该系统可进行滚动轴承的故障诊断，实验结果表明了 本诊断系统的有效性。 第六章总结了本论文的工作，并给出一些结论、建议和展望。 五邑大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章滚动轴承的故障分析 滚动轴承是旋转机械主要基础部件之一，它具有效率高、摩擦阻力小、装配方 便、润滑易实现等优点，在中，小型旋转机械上应用较为普遍。滚动轴承在j 下常工 作条件下，由于受到载荷、安装、润滑状态等因素的影响，运转一段时间后将会产 生各种类型的失效，因此滚动轴承是旋转机械中较为薄弱的环节。滚动轴承产生失 效的初始阶段，由于失效程度较为轻微，往往不易被人们发现，只有当失效发展到 明显过热、强烈振动或滚动噪声足够大时才会被人们发现，由于发现不及时往往引 起设备停机或设备损坏，造成生产上不应有的损失。 轴承故障的监测与诊断一直是机械故障诊断中的重要内容。由于设计不当、零 件的加工和安装工艺不好、或轴承工作条件恶劣等，都会使轴承在加载一段时间后 产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中其缺陷会进一步扩展，使轴承运转状态逐 渐恶化以至完全失效。滚动轴承的失效形式较多，可能的故障种类有磨损、疲劳剥 落、腐蚀、塑性变形、断裂、胶合、保持架损坏等。从实践中可知，滚动轴承的故 障大部分可归结为表面的劣化，进而使振动加剧，这些故障引起的振动特征表现在 振动信号中存在着冲击脉冲；在时域中，冲击使信号的均值、方差等发生变化；在 频域中，信号高频成分明显增多，信号的能量分布发生变化。 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【5 2 1 。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 部件的运动和力的作用等外部因素，使得当轴以一定速度、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【5 3 1 。 1 2 五邑大学硕士学位论文 ；内 ! 铘 阕 ! 素 图2 - 1 滚动轴承的振动机理 f i g u r e2 - 1t h ev i b r a t i o nm e c h a n i s mo fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s 2 2 滚动轴承故障的主要形式与原因 滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、 水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。即使在安装、调滑和 使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不 能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承的主要故障形式 与原因【5 4 】如下： l 疲劳剥落 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作 用，首先在表面下一定深度处( 最大剪应力处) 形成裂纹，继而扩展到接触表面使表 层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运 转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的 主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命试验就是疲劳 试验。试验规程规定，在滚道或滚动体上出现面积为0 5 r a m 2 的疲劳剥落坑就认为轴 承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中，其最高寿命与最低 寿命可以相差