（机械设计及理论专业论文）基于小波分析和虚拟仪器技术的滚动轴承测试分析系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 滚动轴承广泛用作各种旋转机械设备的支承零件，也是最易损伤的零件之 一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承工作性能的好坏往往直接影响 到整台设备的运转性能和寿命。我国是轴承生产的大国，但轴承性能与国外先进 水平相比尚有差距，要生产出高性能的轴承就必须有先进的测量和分析设备。因 此，研发高性能测试和分析系统具有迫切的现实意义。 本文根据滚动轴承振动机理，建立了滚动轴承故障诊断模型。并对滚动轴承 故障诊断方法进行了分析研究，将先进的小波和小波包分析应用于滚动轴承振动 信号分析中，从而能够较准确地诊断出轴承的故障。 此外，本文引入了虚拟仪器技术。它将传统的由硬件实现的数据分析、处理 与显示功能，改由功能强大的计算机来执行。以软件形式取代了硬件。 从而，本文采用虚拟仪器技术和小波分析相结合的方法实现了滚动轴承的性 能检测。在此基础上，应用l a b v i e w 和m a t l a b 探索、开发了一套较为先进、 准确的测试分析系统。利用m a t l a b 中功能强大的小波分析工具箱进行数据处 理；采用近年来发展起来的虚拟仪器技术，用图形化编程语言一l a b v i e w 设计 界面和采集数据。l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程，充分发挥它们各自的优点， 使得本套系统功能更强大、更完善。 利用本文所研发的系统对滚动轴承进行了实际检测和与诊断，收到了满意的 效果，证明其设计和开发是成功的。该系统功能完备，测量和判断准确，使用方 便，可以代替目前国内普遍使用的传统的滚动轴承测振仪，具有较好的生产实际 应用价值。 关键字：滚动轴承，小波分析，虚拟仪器( v i ) ，故障诊断，振动信号 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l i n g b e a r i n g sa r ew i d e l yu s e di na l lk i n d so f r o t a t i n gm e c h a n i c a le q u i p m e n t s a n dv u l n e r a b l et ob ed a m a g e d m a n yf a u l t so fr o t a t i n gm e c h a n i s ma l er e l a t e dt o r o l l i n gb e a t i n g s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fb e a r i n g sd i r e c t l y a f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ee q u i p m e n t c h i n ai so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc o u n t r i e si n m a n u f a c t u r i n gb e a r i n g s ，b u tt h e r ea r es t i l ls o m eg a p si np r o d u c t i o nl e v e lb e t w e e n c h i n aa n do t h e ra d v a n c e dc o u n t r i e s t op r o d u c eh i g hq u a l i t yb e a r i n g s ，s o p h i s t i c a t e d m e a s u r i n g i n s t r u m e n t sa n d e q u i p m e n t a r o n e e d e d t h e r e f o r e ，r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nh i 曲q u a l i t ym e a s u r i n g & a n a l y z i n gs y s t e mf o rr o l l i n gb e a r i n g sh a s g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rb u i l d st h ef a u l td i a g n o s i sm o d e lo f b e a r i n ga c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o n m e c h a n i s mo fr o l l i n gb e a r i n g , a n da n a l y z e st h em e t h o d so ff a u l td i a g n o s i sf o rr o l l i n g b e a r i n g s a p p l ya d v a n c e dw a v e l e ta n dw a v e l e tp a c k e ta n a l y s i st oa n a l y z ev i b r a t i o n s i g n a lf o rb e a r i n gf a u l t s ，t h e r e f o r et h eb e a r i n gf a u l t sc a nb ef o u n d e de a s i l ya n d c o r r e c t l y o nt h eo t h e rh a n d ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi su s e di nt h i sp a p e r i tr e a l i z e s s o m ef u n c t i o n ss u c ha sd a t aa n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yb yc o m p u t e ri n s t e a do f t r a d i t i o n a lh a r d w a r e t h e r e b y , i nt h i sp a p e r , u s ev i r t u a li n s t r u m e n ta n dw a v e l e ta n a l y s i st o g e t h e rt o r e a l i z ep e r f o r m a n c et e s t i n gf o rr o l l i n gb e a r i n g s b a s e d0 1 1t h e s et e c h n o l o g i e s u s e l a b v i e wa n dm a t l a bt or e s e a r c h & d e v e l o pas e to fm e a s u r i n g & a n a l y z i n g s y s t e m ，w h i c hi sm o r ea d v a n c e da n de x a c t u t i l i z ew a v e l e ta n a l y s i st o o l b o xi n m a t l a bt oa n a l y z et h ed a t a ；u s el a b v i e wt od e s i g ni n t e r f a c ea n da c q u i r et h ed a t a c o m b i n i n gl a b v i e ww i t hm a t l a bm a k e st h e ms h o wm e i ra d v a n t a g e sc o m p l e t e l y a n dm a k e st h i ss y s t e mb es 仃o n ga n d p e r f e c t u s i n gt h es y s t e md e v e l o p e di n t h i sp a p e r , w eh a v ed o n eal o to ft e s t so nt h e m e a s u r i n ga n dd i a g n o s i so fr o l l i n gb e a r i n g , a n dt h er e s u l t sa r es a t i s f i e d i tp r o v e dt o b es u c c e s s f u l t h es y s t e mh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t i e ss i n c ei t sc a p a b i l i t yi sm u c hb e t t e r v i 上海大学硕士学位论文 t h a nt h a to fa n a l o ge q u i p m e n t t h i ss y s t e mh a sf i l l e dag a pi nt h es a m ek i n do f e q u i p m e n ti nc h i n aw i t hi t sc o m p l e t ef u n c t i o n sa n ds t r o n gc a p a b i l i t yf o rf a u l t d i a g n o s i s k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g , v i r t u a li n s t r u m e n t ( v d ，f a u l td i a g n o s i s ， v i b r a t i o ns i g n a l v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 滚动轴承故障诊断系统研究的意义和发展概况 随着科学技术与生产的发展，机械设备的自动化程度越来越高，同时设备更 加复杂，各部分的关联密切。一旦出现故障，就会产生链式反映，导致整个设备 损坏，不仅造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，甚至造成严重后果。因 此对机械设备、特别是关键设备部件进行状态监测和故障诊断非常重要。 滚动轴承是各种旋转机械设备中应用最为广泛的机械零件之一，也是最容易 损坏的零件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，据统计，在使用滚动 轴承的旋转机械中，大约7 0 的机械故障是由于滚动轴承而引起的。它的运行状 态是否正常，往往直接影响到整台机器的性能。滚动轴承在实际使用中往往会出 现这样的情况，有的轴承已大大超过设计寿命而依然正常工作，有的轴承未达到 设计寿命就出现故障。因此，对重要用途的轴承进行工况监视与故障诊断是必要 的，可以减少或杜绝事故发生，充分发挥轴承的工作潜力。所以对滚动轴承进行 在线状态监测与故障诊断就显得十分重要，该领域一直是近年来国内外机械故障 诊断技术发展的重点。 滚动轴承的工况监测与故障诊断在国外大概开始于2 0 世纪6 0 年俐”】。在 其后2 0 多年的时间里，随着科学技术的不断进步，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，监视与诊断的有效性不断提高。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。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发展和完善，s p m 公司及 世界上其他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 g a u t o a n a l y s i ss y s t e mb 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 技术产生于4 0 多年前，但现在仍然被广泛使用。这主要是因为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，有探头式的，有螺纹快速联 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监测结果， 第l 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 用起来非常灵活和方便。7 0 年代日本新日铁株式会社研制了m c v 一0 2 l a 机器检测 仪( m a c h i n ec h e c k e r ) ，可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。另 有油膜检查仪，可探测油膜状况而对其润滑状态进行监测。8 0 年代日本精工公 司( n s k ) 相继研制了轴承监视仪n b 一1 、n b 一2 、n b 一3 、n b 一4 型。利用1 k h z 1 5 k h z 范围内的轴承振动信号，测量其r m s 值和峰值来检测轴承的故障。由于去掉了低 频干扰，灵敏度有所提高，其中还有报警设置。1 9 7 4 年，美国波音公司的 d r h a t t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利【1 6 1 ，这就是我国现在 统称的“共振解调技术”的雏形。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。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监视与故障诊断系统引起了国内外研究者的重视。当前，滚 动轴承微机自动监测仪器以瑞典s k i ：公司生产的s k f - - i v h 9 0 c 型滚动轴承性 能分析仪为代表，它代表着目前国际先进水平。该型机器已经实现了利用计算机 技术进行数字化显示的功能，并可以判断滚动轴承不合格产品的产生原因和部 位，对轴承的设计和生产有一定的指导意义。随着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【1 2 1 。例如，根据幅域信号对滚动轴承进行工况监视，刚开始人 们用均方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作为指标， 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一一峭度来判断轴承的工况。使用结果 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【2 】。 我国在滚动轴承监测与故障诊断技术方面的研究经历了2 个阶段：第一阶段 是从7 0 年代末到8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些 故障机理和诊断方法展开研究；第二阶段是从8 0 年代初期到现在，在这一阶段， 全方位开展了对滚动轴承的故障诊断新理论及其应用的研究工作，引入计算机测 控等先进技术，大大推动了诊断系统的研究和实施，并取得了丰硕的研究成果。 在故障诊断系统设计与实现方面，国内许多大学和科研单位都在进行开发和 第2 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 研究，并且取得了一定的成效，其中，上海市轴承技术研究所、洛阳轴承研究所、 杭州轴承研究所、浙江大学、武汉大学、上海交通大学、西安交通大学、上海大 学、吉林大学等在该领域走在国内的前列。吉林大学在2 0 0 1 年开发的滚动轴承的 振动监测与故障诊断系统采用了振动监测系统对滚动轴承进行巡回在线监测，发 现故障后发出声光警告，然后则自动转入诊断模块，用共振解调法进一步判断故 障发生部位及其趋势等【2 8 1 。吉林工学院开发的滚动轴承的状态监测系统，采用 了振动监测和温度监测系统对轴承进行在线监测，发现故障后，则采用共振解调 法诊断出故障的部位及其趋势等【2 9 1 。浙江大学开发的滚动轴承故障诊断虚拟仪 器系统是一套基于计算机数据采集的虚拟仪器系统，具有比较全面的功能，除了 能在线计算和显示轴承的各种运行参数以外，还具有相当全面的频谱分析的功 能，并配有扬声器，但其故障诊断功能较差，不能确定滚动轴承的故障位置，不 能实现自动分辨轴承等级【3 0 1 。华侨大学开发的滚动轴承在线监测与故障诊断专 家系统可用于对轴承的运行情况进行在线监测，能及时预报轴承在运行中出现的 异常现象并对故障进行诊断，分析故障原因和提出相应的处理对策，但该系统不 能实现高速采集，缺乏轴承幅域参数计算，工业现场的实际应用性不强【3 1 1 。 1 2 虚拟仪器技术的发展概况 传统测量仪器主要由3 个功能模块组成：信号采集与控制单元、信号分析与 处理单元和结果表达与输出单元。由于这些功能模块基本上是以硬件或固化的软 件形式存在的。仪器只能由生产厂家来定义和制造。因此传统仪器设计复杂、灵 活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式。整个测试过程几乎仅限于简单地 模仿人工测试的步骤。在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用极不方便。 随着计算机技术、软件技术以及网络技术的高速发展。计算机在电子测量和 仪器领域的应用越来越广泛。与之相关的新的测试理论、测试方法和测试仪器也 不断出现。虚拟仪器【3 8 1 就是在这种情况下产生的。它作为传统仪器观念的一次 巨大变革，是仪器产发展的重要方向。所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机平 台上，根据测试任务需求，定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台 计算机时，就像在操作一台他自己设计的测试仪器，实现了计算机与测试仪器的 一体化。虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模 式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。与传统仪器相比，虚 第3 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 拟仪器在经济性、灵活性、扩展性和可维护性等方面都具有独特的优势，实质上 代表了一种创新的仪器设计思想。 用户可以采用各种编程软件来开发其软件系统( 如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c l a b v i e w , l a b w i n d o s c v l ，h a v e e 等) 。其中最具代表性的是美国国家仪器公司 ( n i ) 推出的图形化编程语言i l a b v i e w 。在以p c 机为基础的测量和工控软件 中，l a b v i e w 的市场普及率非常高，并且在不断地得到更广泛的应用。从流程 图式的编程、不需要预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据探针，到其 丰富的库函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，l a b v i e w 开发环境具 有一系列优点。鉴于此，本文在仪器研制中使用l a b v i e w 作为软件开发平台。 1 3 小波分析的发展概况 小波分析( w a v e l e t a n a l y s i s ) 是近年来迅速发展起来的一种新的分折方法。它 的产生、发展和应用始终受惠于计算机科学、信号处理、图像处理、应用数学、 地球科学等众多科学领域和工程技术应用的专家、学者和工程师们的共同努力。 正因如此，小波分析现在已成为科学研究和工程技术应用中广泛使用的分析方 法。 小波分析的思想早在2 0 世纪初就被数学家提出，但直到2 0 世纪八九十年代 才被重新重视并迅速得到广泛关注，在科学研究的许多领域都取得成功应用。小 波变换同傅立叶变换一脉相承，突破傅立叶变换分析的局限并继承了它的优点。 小波分析具有良好的时一频分析特性1 ，即在低频部分具有较高的频率分辨率 和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率， 很适合于探测正常信号中夹带的瞬变反常信号并分析其成分，所以被誉为分析信 号的显微镜。由于小波分析具有多重分辨分析率的能力，可以对信号和图像在不 同尺度上进行分解，在小波域进行去噪、压缩处理后，作反变换得到去噪和压缩 后的信号和图像。小波分析用于非平稳信号和图像的处理优于传统的傅立叶变 换，已被许多应用领域的事实所证实。因此，自小波分析诞生到现在不过1 0 年 的时间，就在诸如信号信息处理、故障诊断等领域内取得了很佳的应用效果。现 在小波分析的思想已经渗透到现代科学研究的几乎所有领域，引领科学研究的潮 流。 国外研究小波的时间较早，8 0 年代就有相关的文章和著作发表，m a l l a t t l 】算 第4 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 法是小波分析理论突破性的成果，其作用相当于傅立叶分析的f f t 。1 9 8 9 年， m e y e r 出版的小波与算子是目前较权威较系统的小波理论著作。美国t e x a s a & m 大学数学与电气工程教授、逼近论中心主任、小波研究的权威之一崔锦泰 ( c h u ic k ) 著的“a ni n t r o d u c t i o nt ow a v e l e t s ”是美国科学出版社出版的一部小 波分析的入门书。其主编的会议论文集使得小波研究向深广方向发展。 d a u b e c h i e s i 的“t e n l e c t u r e s o n w a v e l e t s ”总结了她的研究成果，为小波理论在科 学界的普及做出了积极的贡献。我国对小波的研究起步较晚，1 9 9 4 年形成国内 小波研究高潮，并在信号的去噪和图像的压缩、机械故障检测等方面取得了较大 的进展。 1 4 课题来源和研究的目的及意义 1 4 1 课题来源 本课题来源与上海市青年基金资助项目“多平行轴齿轮一轴承一转子系统耦 合振动的有限元分析”( 项目编号：2 0 0 0 0 n 7 2 ) 和上海轴承研究所、上海市安德 机电科技有限公司与上海大学合作项目“滚动轴承振动性能诊断分析仪研制”。 1 4 2 课题研究的目的及意义 目前国内广泛使用的轴承故障测量仪器都是用模拟电路来实现对轴承的振 动信号处理，功能简单、精度不高、易受各种外来因素的影响，尤其是灵活性很 差、更新换代困难。国内相应的基于虚拟仪器的测试仪器具有精度不高，不能确 定滚动轴承的故障位置，不能实现自动分辨轴承等级等不足。国外虽有功能比较 强大的仪器，但价格比较昂贵；由于属于高、精、尖技术，相关国家己就相关技 术对我国进行封锁，难以实现大规模引进。因此，研制具有自主知识产权的高性 能、多功能的先进滚动轴承动态性能分析仪具有重要的现实意义，它将对轴承行 业以及国民经济相关的行业产品质量的提高产生重要的影响。 振动信号分析是对滚动轴承进行在线监测和故障诊断的重要手段，瞬态信号 或时变信号往往反映了重要的故障信息。传统的傅立叶变换和窗口傅立叶变换都 不能满足工程上希望高低频率信号应有不同分辨率的要求。滚动轴承发生故障 时，其振动信号中往往首先出现相应的瞬态脉冲波形，能否及时准确地予以捕捉 分析，是能否及时发现故障的先决条件。 针对这样的现实状况，我们采用了近年来迅速发展起来的一种新的信号时频 第5 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 分析理论一小波变换理论及小波包分析以及虚拟仪器技术研发以两者为基础的 滚动轴承测试分析系统，将小波分析理论和虚拟仪器技术应用于故障诊断领域， 以获得更为有效的特征信息，分离出系统所有的固有振动，从而不漏过任何一个 可以反映损伤故障的特征信息，把存在于轴承的损伤故障很有效地检测出来。及 时准确地发现轴承的故障及其损伤的程度和部位，并进行“异音”特征分析。开 发本系统的目的是为了满足轴承工业发展的迫切需要以及适应静音轴承的要求， 为研究开发低噪声轴承的提供有利条件。同时可以降低专用诊断设备的高昂研制 费用，并将该技术应用于军工、民用等行业，使故障诊断技术在国民经济领域得 到更广泛的应用。 研发的滚动轴承动态性能分析系统可以完全取代目前国内流行的s 0 9 1 0 型 轴承振动测量仪等，实现该产品的更新换代。由于具有更完善的检测和分析功能， 可以为生产高性能轴承提供检测手段和指导。本系统具有智能化程度较高，可以 直观给出轴承的级别、振动是否超标以及轴承中元件发生故障的位置，便于推广 使用。若该产品在轴承行业和相关行业得到推广使用，其经济效益将是巨大的。 从另一个角度讲，可以避免由于技术封锁对我国轴承行业的发展所产生的不利影 响。 1 5 本文研究的主要内容 本课题所涉及的理论基础主要包括：小波分析及虚拟仪器开发平台l a b v i e w 。 小波分析具有良好的自适应性。在信号的高频部分具有较高的时间分辨率和较低 的频率分辨率在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率。基于g 语言的图形化编程环境l a b v i e w 是美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司的创新 软件产品。它是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。 本课题的一个关键点就是开发l a b v i e w 平台下的小波变换功能。本文所做的主要 工作包括： i 根据滚动轴承的振动机理，建立了滚动轴承诊断模型，利用幅、频域分析理 论对滚动轴承进行故障诊断，将小波及小波包理论进行振动信号分析中，利 用小波带通滤波方法放大( 高频部分) 和分离( q 通滤波) 故障特征信息， 极大地提高了信噪比，从而准确地诊断出轴承的故障。 第6 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 2 编写了相关的程序，采用双缓存中断技术搭建高速数据采集系统，并与前置 调理模块进行连接，确保信号采集的实时性和准确性。并且实现了硬件电路 和软件系统的连接和整合。 3 采用l a b v i e w 7 0 虚拟仪器开发环境，编写了滚动轴承测试分析系统的虚拟 仪器软件，编写了各种幅域参数计算的子v i ，同时采用m a t l a b 7 0 编程语言 编写了小波及小波包分析程序，实现了在l a b v i e w 中调用姒t l a b 程序，解 决了小波分析的程序化。 4 设计了基于虚拟仪器技术的滚动轴承测试分析系统的硬件系统，并实现了硬 件系统与软件系统的集成，达到了预期的效果。 第7 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章滚动轴承的故障特征及振动机理 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件组成的。滚动体是滚 动轴承区别于滑动轴承的核心元件，其接触处的周期性接触应力可以很大，有时 可达到5 0 0 0 m p a 9 1 。因此易于产生表面疲劳现象。滚动轴承属于点接触或线接触 的运动副，因此要求有良好的润滑条件，否则易产生过度磨损。由于滚动轴承没 有疲劳极限，因此对于承受一定载荷的轴承来说，都有一定的寿命，那么滚动轴 承的失效是无法避免的。 2 1 滚动轴承的失效形式 滚动轴承由于某种原因丧失其规定的功能，轴承就失效了。由于其结构和工 作条件的不同，因此滚动轴承的失效形式有以下几种常见形式【6 9 1 。 1 疲劳失效 这是滚动轴承常见的一种失效形式，一般是由于轴向载荷过大，对中不良， 装配不当或机械制造等原因造成的。首先在表面下一定深度处形成裂纹，继而扩 展到接触表面使表层产生剥落或者脱皮。 2 磨损失效 这是滚动轴承另一种常见的失效形式，这主要是由于运输中轴承受到振幅很 小的摇摆运动作用，配合面间有微小间隙造成的滑动磨损或者异物落入，润滑不 良，对中不良，装配不当造成的。一般来说，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 后的振动水平( 幅值) 明显高于正常轴承，因此对这种故障进行诊断的方法常常 是监测振动信号的有效值和峰值，如果明显高于正常轴承，即判定为磨损。 3 腐蚀失效 滚动轴承的腐蚀失效损伤原因是：润滑油，水分或湿气的化学腐蚀：轴承表 面间有较大电流通过造成电腐蚀；轴承环在套孔中或轴颈上产生微小相对运动造 成的微振腐蚀。使得轴承产生损伤，丧失精度而不能工作。 4 破损失效 由于冲击载荷过大，装配不当。胶合发展，热处理不当，对中不良，润滑 不良，异物载荷，转速过快，异物进入等而使得滚动轴承的外圈，内圈或滚动体 第8 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 产生裂纹，及保持架断裂的现象称为破损失效。 5 压痕失效 压痕失效的损伤原因是：静载荷过大，冲击载荷过大，异物进入，装配不当， 滚道承受载荷不均匀。结果是在滚道或滚动体表面上产生局部变形而出现凹坑， 从而降低了滚动轴承的使用寿命。 6 胶合失效 胶合是指滚道和滚动体表面由于受热而局部粘合在一起的现象。其产生原因 为：润滑不良，润滑脂过硬，起动时加速度太大，滚动面不平行，转速过高。 7 保持架损伤 由于装配或使用不当可能会引起保持架变形，增加它与滚动体之间的磨损， 甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内环发生摩擦等。这一 损伤进一步使振动与发热加剧导致滚动轴承损伤。 2 2 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，以及传动轴上其他 零部件的运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2 - 1 滚动轴承振动产生机理 在实际诊断中，人们通过布置在轴承座或外壳适当位置的传感器拾取的振动 信号是上述各种内部和外部激励源施加于轴承座和外壳组成的振动系统的综合 振动。如果不考虑轴承加工和装配误差，在这一综合振动中，我们重点研究的是 运行故障这内部因素所引起的振动信号。那么，如何从综合振动中把运行故障 第9 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 引起的振动信号突出出来，从而有效地把故障特征从综合振动中提取出来，首先 需要研究轴承内部三种因素引起的振动信号的各自特征。 1 轴承本身结构特点及加工装配误差引起的振动 当轴承旋转时，滚动体便在轴承内、外圈滚道上滚动，即使对加工装配毫无 误差的轴承来说，由于滚动体在不同位置时所受的力大小不同，同时承载的滚动 体的数目也不同，这些轴承本身的结构特点造成承载刚度的变化，引起轴承振动， 当轴的转速一定时，这一振动具有确定的性质；轴承元件加工时留下的表面波纹 度、粗糙度及形位误差以及装配误差等原因产生交变激振力使轴承系统振动，虽 然这些加工装配因素造成的激振力都具有周期性的特点，但由于实际构成因素十 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，含有多种频率成份，那么轴承系统在这些激振力的作用下所产生的振动当然 也具有多种频率成份并具有较强的随机性。 2 轴承运行故障引起的振动 滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号的特征不同可分为两大类： 一类称为磨损类故障；另一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、剥落、擦伤掣删。 ( 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故障经历时间较长， 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 高于正常轴承。这就是磨损类故障引起的振动信号的基本特点。 由于磨损故障引起的振动信号除了振动水平高于正常轴承外没有别的特征 差别，所以诊断这类故障就找不到一种很好的信号处理方法。通常做法是检测振 动的有效值和峰值，如果明显高于正常轴承，即判定为磨损。 由于磨损不会马上引起轴承破坏，其危害程度远小于表面损伤类故障，所以 通常人们最为重视的还是下面要讨论的表面损伤类故障。 ( 2 ) 表面损伤 对于表面损伤类故障，当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。这就是损伤类故障引起的振动信号的基本特点。 第l o 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 损伤类故障产生的冲击振动成份从性质上可分为两类： 其一，是由于轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其 他元件表面而产生的低频振动成份，有些文献上称之为轴承的“通过振动”。其 发生周期t c 是有规律的，可以从转速和轴承的几何尺寸求得。并且，损伤发生 在内外圈或滚动体上时，该频率f c ( = l t c ) 不同，可进行计算。这一轴承“通 过振动”发生的频率称为故障特征频率。利用频率分析诊断轴承故障时，其基本 原理就是查看轴承振动信号中有无这些故障特征频率成份，若有，则可根据这些 频率成份的大小进一步确定故障发生的部位( 是内、外圈或是滚动体上) 。滚动 轴承故障特征频率一般在1 i ( h z 以下，是滚动轴承故障的重要特征信息之一。 其二，是由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成份。这里所 说的“高”是相对故障特征频率而言的。轴承系统的高频固有振动很复杂，如轴 承内、外圈的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，甚至测振传感器的固有振 动等都可由于损伤冲击而产生并反映在轴承的振动信号中。在这些固有振动中， 因为通常测轴承振动时往往把传感器布置在轴承座上测外圈的振动，所以轴承外 圈的径向弯衄固有振动是我们比较感兴趣的。 2 3 滚动轴承故障特征频率计算 从以上可知滚动轴承常见的失效方式有磨损、疲劳、腐蚀、断裂、压痕、胶 合失效等。当轴承元件的工作表面出现局部缺陷时，会以一定的通过频率( 取决 于转频、轴承型号) 产生一系列的宽带冲击，称为轴承的“通过频率”或“故障 频率”，实际中滚动轴承故障振动监测就是检测这个频率。 下面以角接触轴承为例，通过分析轴承各元件之间的相对运动关系来推出轴 承故障特征频率的计算公式。图2 2 所示为滚动轴承各元件之间运动关系示意 图。为简单起见，设轴承外圈固定，内圈( 即轴) 的旋转频率为f ，轴承节径 为d ，滚动体直径为d ，接触角为a ，滚动体个数为z ；并假定滚动体与内外圈 之间纯滚动接触。由于外圈固定，所以滚动体上b 点的速度为零，而a 点的速 度v a = 2 v 。= 矾( d - d e o s a ) = 2 矾d ，由此可以得到 fi 五= 譬( 1 一- 告c o s a ) ( 2 - - 1 ) 第1 1 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 其中正为滚动体的公转频率，即保持架的转动频率。 幽2 - 2 轴承各兀件之同的运动关系 设滚动体的自传频率为f b ，则f b 可以这样求得：给整个轴承加一转动角速 度“一z ”( 相当于站在保持器上看轴承运动) ，则此时保持器固定不动，外圈 以一工转动，滚动体只有自传角速度五，根据纯滚动关系，此时b 点的速度( 注 意此时滚动体上的a 点绕其中心c 转动) v 口= 忍玩= x ( v + a c o s a ) l ( 2 - - 2 ) 由此可得 以= 昙【l 一( 吾) 2c o s 2 口m ( 2 3 ) 进而推得： ( 1 ) z 个滚动体与外圈上某一固定点接触的频率为 工= 玩= 2 1 1 - 吾c o 鲫】工 ( 2 4 ) ( 2 ) z 个滚动体与内圈上某一固定点接触的频率为 z2 z ( 丘一只) = 主【l + 吾c o s 口】丘 ( 2 5 ) ( 3 ) 滚动体上某一固定点与外圈或内圈接触的频率为 ，= 以= 虽【l - ( 寺2 c o s 2a l l( 2 - 6 ) 工、z 、和z 分别称为外圈、内圈和滚动体的通过频率。当上述的“某一 固定点”是局部损伤点( 例如点蚀点、剥落点、烧伤点等) 时，无、z 、和f 分 第1 2 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 别成为局部损伤点撞击滚动轴承元件的频率，所以又分别称为外圈、内圈和滚动 体的故障特征频率。 2 4 轴承元件固有频率 滚动轴承在运行时，当工作表面发生局部损伤类故障时要产生冲击而诱发轴 承的各阶固有振动。其中轴承元件的固有频率如下： ( 1 ) 轴承套圈径向弯曲振动的固有频率计算公式： 工：9 4 1 0 5 i h n 7 ( n 2 = 。_ 1 ) ( 舷) ( 2 7 ) b 、n + l 式2 7 中：n - - 一固有频率的阶数( n - i ) ，n = 2 ，3 ，4 ，； b 一一套圈宽度( m m ) ； h 一一套圈厚度( m m ) ： 以上公式是假定套圈为钢材而得出的。 ( 2 ) 钢球的固有频率的计算公式： = 4 8 1 0 4 r ( h z ) ( 2 8 ) 式中：r 一一球的半径( m m ) ： 一般测量轴承振动时是把传感器布置在轴承上测外圈的振动【4 刀，所以外圈 的径向弯曲固有频率比较重要，按公式计算得到的固有频率只是理论值，它实际 上是按照弹性力学中薄壁圆环在自由状态下的固有振动的计算方法而导出的，因 为实际的滚动轴承外圈并非薄壁圆环，并且它的外面与轴承座相联，里面与滚动 体接触，并非自由状态，所以按公式的计算往往与实测值有出入，此公式只能作 为外圈固有频率的一个估算公式。 一般来说，滚动轴承外圈的一阶径向弯曲固有振动频率为数千赫兹。 第1 3 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 第三章滚动轴承的振动信号分析及故障诊断的基本方法 滚动轴承的监测诊断技术有很多种，如振动信号分析、声发射诊断、油液分 析诊断、光纤监测诊断等，它们各具特点，其中振动信号分析技术应用最为广泛。 滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法可分为简易诊断法和精密诊断法两 种。简易诊断的目的是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障：精 密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认为出现了故障的轴承的故障类别及原 因。 3 1 滚动轴承的简易诊断 在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常是测得的振值( 峰值、 有效值) 与预先给定的某种判断标准进行比较，根据实测的振值是否超出的界限 来判断轴承是否出现了故障，以决定是否需要进一步进行精密诊断。 1 振幅值诊断法 振幅值是指峰值、均值以及均方根值。这是最简单、最常用的诊断方法，它 是通过将实测的振幅值与判定标准中给定的值进行比较来判断的。 峰值：这是有量纲参数指标，是信号最大瞬时幅值，反映信号的强度。适用 表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况，也 常采用峰值进行诊断。它还特别对初期阶段轴承表面剥落，非常容易由峰值的变 化检测出来。 设利用某一峰值计数法已从( x i ) 的n 个值中找出n 个峰值 x p j ( j = l 神， 则( x i ) 的峰值指标为： x 删2 寺萎厶 。 简单的方法还可以把( ) ( i ) 的n 个采样点分成若干段，在每一段中找出一 个绝对值的采样点作为该段的峰值，然后再对各段的峰值取平均值作为总的峰值 指标。 均值：它描述了信号的平均变化情况，代表信号的静态部分或直流分量。均 值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，一般用于转速 较高的情况。其数学表达式为： 第1 4 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 段= 。l i m 1 ，。f x ( f ) 出= 了印( x ) 出 ( 3 2 ) 离散化公式为 厄2 专善“) 3 - 3 ) 均方根值：均方根值是有量纲参数指标，它反映了信号下x ( t ) 相对于零值的 波动情况，表示信号的平均能量。均方根值对具有表面裂纹无规则振动波形的异 常，可对其测量值作出恰当的评价。但是对于表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振 动的异常是不适用的。 信号( ) ( i ) ( i _ l n ，n 为采样点数) 的均方根值为： k 瓣 ( 3 - 4 ) 2 波形因数诊断法 波形因数为峰值与均值之比，是无量纲指标。该值也是用于滚动轴承简易诊 断的有效指标之一。当波形因数值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀；当波形因 数过小时，则可能发生磨损。 一般说来，正常轴承振动的峰值指标为和5 。当滚动轴承出现剥落、裂纹、 碎裂时，峰值指标达到1 0 以上。所以用该方法也比较容易对滚动轴承的异常作 出判断。 波形因数不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，不受传感器、放大器等一，二 次仪表灵敏度变化的影响，也不受振动信号绝对水平的影响。这种方法适用于点 蚀故障的诊断。通过对波峰因数值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴 承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。当滚动轴承无故障时，波 形因数值为一较小的稳定值；一旦出现损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显 增大，但此时均方根值无明显变化，故波形因数值增大。当故障不断扩展，峰值 逐步达到极限值后，均方根值则开始增大，波形因数值逐步减小，直至恢复到无 故障时的大小。 3 概率密度诊断法 概率密度函数p ( 力定义为信号振幅为j 的概率，其数学表达式为 第1 5 页共8 7 页 上海大学硕士学位论文 出) = 2 | l i 唧m1 - ! - i l i r a 酬 s ， 概率密度函数提供了信号沿幅值分布的信息，是信号( 特别是随机信号) 的 一个主要特征参数。不同类型信号的概率密度函数形状不同，以此可以判断信号 的性质。概率密度可直接用于轴承的故障诊断。无故障滚动轴承的振幅的概率密 度是典型的正态分布曲线：而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分 散的现象。 4 峭度系数诊断法 峭度是一个无量纲参数指标，对信号中存在的微小冲击成分比较敏感。峭度 k ( k u r t o s i s ) 对于零均值的振动信号x ( t ) ，峭度k 的定义 n 苦等 6 ， 其中p ( x ) 为x ( t ) 的概率密度分布函数。 对于离散序