（电机与电器专业论文）高速牵引电机轴承试验与测试研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fh i g hs p e e dt r a i n si nr e c e n ty e a r s ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o no f h i g hs p e e dt r a c t i o nm o t o ri ss t r i c t l yi n s p e c t e d d u r i n gt h eo p e r a t i o no fh i g h - s p e e dt r a i n t h er o l l i n gb e a r i n gi st h ek e yc o m p o n e n t so fas a f eo p e r a t i o n ，i ti sa l s oo n eo ft h em o s t v u l n e r a b l ep a r t s i t sp r o b l e m sd i r e c t l yr e l a t e dt ot r a n s p o r t a t i o ns a f e t y ，s oi ti sn e c e s s a r y t od od u r a b i l i t yt e s ta n df a i l u r ed i a g n o s i st oh i g h s p e e dt r a c t i o nm o t o rb e a r i n gr e g u l a r l y w h e nl o c a l l ys c a t h e d ，t h eb e a r i n g sw o u l db u m pt h eo t h e rp a r t sp e r i o d i c a l l yw i t ht h e r e s u l tt h a tt h es e a s o n a li m p u l s e sc o m ei n t ob e i n g w i t hb a n de n o u g hb r o a dt oo v e r c a s t e a c hc o n n a t u r a lv i b r a t i o n sa n dt h e r e b yt h es t a t i o n a r yv i b r a t i o n st u mi n t ot r a n s i e n t s e x c e l l e n te f f e c t sc a nn o tb eo b t a i n e d b yu s i n gr e g u l a rf o u r i e ra n a l y z i n gt h e n o n s t a t i o n a r yv i b r a t i o ns i g n a l sp r o d u c e db yt h ew r o n gr o l l i n gb e a r i n g h a v i n ga m u l t i s c a l er e s o l u t i o ni nt i m ea n df r e q u e n c y ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi se n d o w e dw i t ht h e i n d i s p u t a b l eh e g e m o n y i ns i g n a lp r o c e s s i n ge s p e c i a l l yf o rt r a n s i e n t s a i m i n ga tt h ef a i l u r ed i a g n o s i so ft h er o l l i n gb e a r i n g s ，t h i st h e s i sw o u l dd e v o t e m o s to fi t se f f o r t st ot h ef o l l o w i n g ：i n t r o d u c i n gs y s t e m a t i c a l l yt h ev i b r a t i o nm e c h a n i s m o ft h er o l l i n gb e a r i n g sa n dt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e ro ft y p i c a lf a i l u r e ，b u i l d i n gv i b r a t i o n s i g n a lm o d e lw i t hs i n g l ed e f e c to ne a c hc o m p o n e n ta n da n a l y s i s ；e x p a t i a t i n go nt h e e s s e n t i a lt h e o r i e sa n dt h ea p p l i c a t i o n si ns i g n a lp r o c e s s i n go ft h ew a v e l e tt r a n s f o r m ； e x p a t i a t i n go np r i n c i p l eo fe n v e l o p ed e m o d u l a t i o n ；i n t r o d u c i n gt h eb e a r i n gt e s t m a c h i n ea n dt h eb e a r i n gt e s tc o n t e n t ；s h o w i n gt h eb e a r i n gt e s td a t a ，d i a g n o s i n gt h e f a i l u r eo ft h er o l l i n gb e a t i n gt h r o u g ht h ew a v e l e ta n a l y s i s t h r o u g hp r o c e s s i n ga n d a n a l y s i s ，t h ed i a g n o s i sr e s u l ti ss a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：b e a r i n gt e s t ，f a i l u r ed i a g n o s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s ，e n v e l o p ed e m o d u l a t i o n 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月同 7 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：臀夤、留 签字日期：切印年厂月髟日 导师签名： 签字日期：哕年乡月历日 致谢 在本学位论文完成之际，首先向我的导师张奕黄教授致以衷心的感谢。张老 师不仅在专业的学习、实践工作上给予我耐心的指导，而且在生活上也给予我很 大关怀和爱护。导师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我的工作精神以及积极达 观的生活念度，在令我钦佩的同时也使我在学习、生活和做人等方面都学习到了 不少的东西，而这些都将使我受益终身。 感谢施洪生老师，桂俊峰老师和李继红老师在试验过程中的帮助和指导，再 次表达深深的i 胄 意；感谢实验室各位同学对我平时研究工作给予了热情帮助，在 此向他们表达我的感激之情。 感谢同班的同学们，给我营造了一个友好互助团结的学习生活环境。 最后由衷的感谢家人，他们的理解和默默的支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 绪论 1 1 选题背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 近年来铁路运输不断提速，高速列车的出现，更是对高速牵引电机滚动轴承 的工作状态提出了更加严格的要求。在铁路机车车辆运行中，滚动轴承是安全运 行的关键部件，也是最容易损坏的部件之一，它的故障直接关系到运输的安全。 在列车长时间运行中，轴承既要传递力，受到轴承载荷的作用，又存在与轴颈表 面的相对滑动，因此，轴承在工作过程中将不断地出现不同程度的损伤，而在高 速、重载、长交路下运行的列车，轴承的故障往往会迅速扩大，在短时问内会造 成热轴、燃轴、切轴，最终导致列车颠覆、停运等重大行车事故。当轴承损坏的 程度超过预先规定的范围，其功能的恶化将造成机车技术经济指标的损失超过规 定值，这时就认为轴承失效。对失效的滚动轴承及时准确的检测出来并确定轴承 故障原因，是确保机车安全运行的一个重要环节，这也一直是铁路部门安全检测 最重要的工作之一。据统计，列车大修现场实际故障中有相当一部分是由于滚动 轴承故障引起的。这是因为滚动轴承是机械设备中工作条件最为恶劣的部件，它 在机械设备中起着承受载荷和传递载荷的作用。与其他机械零部件相比，滚动轴 承有一个很大的特点，其寿命离散性很大。有的轴承已大大超过设计寿命而依然 完好的工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现各种故障【1 1 。滚动轴承故障的准 确诊断可以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支， 对于高速列车的安全运行具有重大意义。因此，对滚动轴承的故障诊断已经成为 各国研究的热点。 我国轴承行业缺乏相应的关键试验技术及试验设备。长期以来，不能对高速 铁路用轴承进行完善的模拟性能试验，因而不能全面正确评估和控制轴承的质量， 不能消除轴承使用中的安全隐患，高速铁路用轴承基本依赖从国外进口。开展轴 承模拟试验技术研究己是当务之急。采用模拟试验技术对轴承产品进行评估是我 国轴承行业试验技术发展的方向。先进的轴承试验台可以为轴承技术的发展，如 轴承性能、结构、工艺、材料、润滑、失效及性能试验提供大量的试验数据，为 轴承的改进设计提供依据。 北京交通大学电气工程学院的牵引电机轴承试验台对高速牵引电机所采用滚 动轴承进行9 0 万公里轴承耐久性试验；随后又进行了轴承加速性能、高温性能， 以及轴承润滑脂的研究。为高速列车的安全运行提供了重要的理论依据。 北京交通人学硕十论文 1 2 滚动轴承故障诊断的内容 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一定的载荷，以 一定的转速运转等) 下和一定的工作期问( 一定的寿命) 内可靠有效地运行，以保证 整个机器的工作精度。与此目的相适应，轴承故障诊断就是要通过对能够反映轴 承工作状态的信号的观测、分析与处理来识别轴承的状态。所以，从一定程度上 说，轴承故障诊断就是轴承的状念识别【5 】。一个完整的轴承故障诊断系统应包括以 下五个环节： 信号测取根据轴承的工作环境和性质，选择并测量能够反映轴承工作情 况或状态的信号； 特征提取从测量的信号中以一定的信号分析与处理方法抽取出能够反映 轴承状态的有用信息； 状态识别根据征兆以一定的状态识别方法识别轴承的状态，即简单判断 轴承工作是否j 下常或有无故障； 诊断分析根据征兆，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、产生原因及趋势等； 决策干预根据状态及发展趋势，做出决策，如调整、维修或监视等。整 个诊断过程如图1 - 1 所示： 图1 1 故障诊断过程 f i g1 1f a u l td i a g n o s i sp r o c e s s 2 绪论 1 3 滚动轴承故障诊断的基本原理和基本方法 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 与传动轴的轴颈过盈配合，工作时随轴一起转动；而外圈安装在轴承座、箱体或 其它支撑物上，工作时一般固定或相对固定。由于内圈与轴联接，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十分 复杂，且随机性比较强。引起振动的激励是多方面的，就轴承本身而言，产生激 励的原因有：轴承元件制造误差( 尺寸和形位误差，如表面波纹，滚动体大小不 一致等) ；装配误差( 如不对中，不平衡等) ：在运行过程中出现的故障( 如疲劳 点蚀、剥落、裂纹、磨损、润滑不良等) 。不同的原因对轴承系统的激励不同。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的；由于各 元件表面波纹引起的激励近似正弦。由于激励不同( 即故障形式不同) ，轴承系统 产生的振动响应也不同。所以，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所有类型的故障。但是实际上，安装在轴承 座上的传感器拾取的振动信号除了反映有关轴承本身的工作情况的信息外，也包 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，早期的轻微的滚 动轴承故障所特有的信息往往淹没在其中，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诊断技术的关键所在。 滚动轴承的实效可能有多种原因，如不良的设计或装配、酸性腐蚀、润滑不 良和塑性变形。而最常见的损伤时由于材料疲劳引起的，这种现象开始时是在表 面以下有细小的裂纹，随着运转，由于循环载荷的作用，裂纹逐渐发展到表面， 在表面形成浅坑和分散的裂纹。 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 的传统模型是局部缺陷，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。 据统计，各种轴承失效中内圈或外圈裂纹占失效总数的9 0 9 6 ，余下的部分主要是滚 动体裂纹和少见的保持架破裂。根据这一论述，本文主要介绍前三种损伤。 轴承出现局部损伤类故障时，滚动体和套圈接触，通过缺陷部分时将会产生 北京交通人学硕十论文 宽频带的脉冲，并且轴承不同部位( 内圈、滚动体、外圈) 的缺陷将产生不同特 征频率的脉冲，对这些频率的理论估计即是特征缺陷频率。 轴承零部件和其它轴承结构的固有振动，将会被这些周期性脉冲所激励。对 应于缺陷处的冲击，每一共振的上升边都有一个很陡的上升，此共振的衰减近似 呈指数衰减。其能量被内阻尼所消耗。因此，损坏的轴承信号是由周期性呈指数 衰减的j 下弦波振动的脉冲串组成的。通常认为响应就是特征缺陷频率的振幅已被 调制的结果f 3 4 1 。 特征缺陷频率处响应的调制，使得我们能够检测到有缺陷存在，并诊断出缺 陷出现在轴承的什么零件上。如我们观察到出现的一串振动脉冲与缺陷在内圈上 的特征缺陷频率的理论估算值相近，那么就可以得出局部缺陷在轴承内圈上的结 论。 现存检测轴承局部缺陷的技术大致可分为两类：时域法和频域法。时域法涉 及到实际的一些指标，这些指标对轴承上来自局部缺陷的脉冲振动很敏感，例如 峰值水平、均方根值、峰值因子分析、峰态分析及冲击脉冲计数等。另一方面， 从轴承信号波形中，检测一串发生在某些特征缺陷频率处的脉冲，已经研究出许 多频域技术。其中包括频谱分析、同步平均、倒谱分析和差频分析等。 本文的目的是应用小波分析技术，从轴承振动信号中提取有用的特征，确定 损伤点的位置，以确定轴承故障类型。 1 4 基于小波分析的滚动轴承故障诊断研究现状 众所周知，故障诊断过程中最关键的环节就是从动态信号中提取故障特征， 而信号处理是特征提取最常用的方法。傅利叶变换对分析稳念信号非常有效，但 当滚动轴承出现故障时，在轴承运动过程中，轴承的其它元件会间断地撞击故障 部位，产生冲击力，从而激励轴承座或其它机械零部件产生共振，形成一系列冲 击振动，这些冲击振动的出现使原来的平稳信号变成了非平稳振动信号。如果对 非平稳信号采用基于平稳过程的经典信号处理方法，分别仅从时域或频域给出信 号的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域中的全貌和局部化特征，而 这些局部化特征恰恰就是故障的表现。 目前较热门的方法是应用小波分析法，它是一种全新概念的时频分析法，它 将信号分解为一系列具有局部特性的小波函数，这种小波变换对低频信号在频域 里有较高的分辨率，而对高频信号在时域罩具有较高的分辨率，具有可调窗口的 时频局部分析能力，所以越来越被广泛地应用于滚动轴承故障诊断中。这些基于 小波分析的滚动轴承故障诊断方法大致分为以下几种： 4 绪论 1 单纯运用小波分析及信号的奇异性理论的滚动轴承故障诊断方法。 运用小波分解对信号进行分析，提取信号特征，能克服f f t 变换不能分析非平 稳信号的缺点。文献【1 6 】运用小波分析将信号分解到时间一尺度域，从发生脉冲的 时间间隔来获取滚动轴承故障特征频率，从而判断故障类型。文献1 1 7 】采用小波包 分解把信号分解到相邻的不同频段上，提取感兴趣的频段成分进行重构，能有效 地提取信号的特征，为故障诊断提供依据。文献 1 8 】采用小波变换过零表示和小波 变换的模极大值来提取信号特征，在给定故障或状态的标准模型时，运用故障分 类曲线可以直观地区别设备运行状态和所发生的故障类型，而且在对机械故障没 有任何先验知识的情况下，可以由故障分类曲线来诊断滚动轴承的运行状态，判 断有无故障以及故障类型。但这种方法存在标准故障信号库是否完备的问题。文 献【l9 】提出了基于小波包分解的时频能量表达式，从故障信号频率尺度随时间的变 化，和时问变化在频域的响应两个方面综合反映信号的特征及其局部化指标。文 献【2 0 】用小波包分解将信号分解到不同的频带里，采用每个频带里信号的方差来表 示该频带里动态信号的能量。这些方法虽然对一些特定的信号能够进行分析，但 对另外一些信号这些方法的分析效果较差。 2 运用传统的滚动轴承故障诊断方法和小波分析相结合的滚动轴承故障诊断 方法。 对小波变换和小波包分解的结果，如果要提取这些结果的时域和频域信息， 还应将这些结果，也就是在一定频带里的时域波形，进行再处理以获得所需要的 时域或频域结果。因此，开展小波分析与其它分析方法相结合的研究并开发实用 技术是十分必要的文献【2 提出了基于小波系数包络谱的滚动轴承故障诊断方法， 利用正交小波基将滚动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，不仅能检测到滚动轴承故障的存在，而且能有 效地识别滚动轴承的故障模式。但采用h i l b e r t 变换进行包络分析对远离故障点的滚 动轴承振动信号分析效果较差。文献【2 0 】将小波包分解信号与自回谱分析结合起来， 也就是将小波包频带分解技术与滚动轴承各零部件的故障信息因其结构不同而分 布于不同频带对应起来，为滚动轴承的特征提取、噪声分离和早期故障诊断提供 一个有效的工具，文献【2 2 】将小波包变换变换结果作相关分析，能分析在时域上故 障特征比较明显的滚动轴承振动信号，对时域波形比较复杂的信号需要确定共振 频率值，而轴承振动系统的共振频率值是很难确定的。 3 将小波分析与分形几何、模糊数学、神经网络等现代数学方法相结合起来 的滚动轴承故障诊断方法。 基于多分辨原则的小波变换是一种时域与频域相结合的分析方法，如同人们 从远到近逐步深化地观察事物。分形是事物的形态、形状、结构与组织的分解、 北京交通人学硕士论文 分割、分裂、与分析。分形是一过程，是事物从整体向局部、从宏观向微观转化 的过程。因此，小波变换与分形过程在认识事物方面有共同之处。将两者结合起 来，会发挥更大的作用。文献【2 0 】采用小波包分解将振动信号分解到不同的频带里， 分别对不同频带罩的分解信号计算网格维数，为故障诊断提供了可靠的依据，但 这些方法直接用来进行滚动轴承故降诊断的很少。文献【2 3 】提出了基于小波变换特 征提取的人工神经网络信息融合方法，文献【2 4 1 提出了多分辩小波网络理论，这些 方法只局限于理论研究，实际应用的案例不多。 1 5 本文的主要研究内容 本文的主题在于通过牵引电机轴承试验台对高速牵引电机轴承进行耐久性试 验，模拟实际工况验证高速牵引电机轴承的运行可靠性；重点在于对试验过程中 发生故障的轴承进行故障诊断，运用小波分析从滚动轴承的振动信号中提取故障 信息，判断滚动轴承的故障类型。围绕这个主题，本文的研究内容如下： 第一章：引言。阐述了高速牵引电机轴承故障诊断的意义和内容，介绍了滚 动轴承故障诊断的基本原理和方法以及基于小波分析的轴承故障诊断的研究现 状。 第二章：滚动轴承振动的产生和故障机理。从理论上分析总结了滚动轴承典 型故障产生的机理，滚动轴承的失效形式及其故障特征频率的计算，并建立了不 同故障状态下的理论模型。 第三章：信号处理的一般方法和小波分析理论。介绍了振动信号的处理方法、 原理及其应用。阐述了小波分析的基础理论，讨论了小波分析理论在信号处理中 的应用，为滚动轴承故障诊断进行了理论准备。 第四章：包络解调在故障诊断中的应用。阐述了包络解调的基本原理及步骤。 第五章：高速牵引电机轴承试验台系统分析和试验内容。介绍了试验台的特 性，构成，控制系统和检测记录方式。简述了基于试验台的轴承可靠性试验内容。 第六章：高速牵引电机轴承试验结论。给出了高速牵引电机轴承可靠性试验 结果，并应用小波分析理论对故障轴承进行故障诊断，确定轴承故障类型。 第七章：总结与展望。 6 滚动轴承振动的产生和故障机理 第二章滚动轴承振动的产生和故障机理 2 1 滚动轴承的振动类型 滚动轴承的振动，原则上分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况 有关的振动两种类型。前者不论轴承j 下常或异常，振动都要发生，它虽与轴承异 常无关，但却决定了振动系统的传递特性；后者则反映了轴承的损伤状况。下面 分别对滚动轴承的各种振动进一步进行讨论。 2 1 1 滚动轴承的固有振动 此时的振动频率为滚动轴承元件的固有频率，一般为数千赫至数十千赫的高 频，该频率取决于轴承元件的材料、形状和质量以及安装条件等，与工作转速无 关。钢球和内、外环在自由状态下的固有频率如下： 钢球的故有频率为 氏= - 0 2 4 i 去p r 池) 式中，钢球的半径，m ； p 一材料的密度，蛔，z 3 e 一材料的弹性模量，n m 2 。 内、外环的径向弯曲振动固有频率( 将其视为矩形截面圆环) 为 j ，u , ：巫告1 等 ( 2 1 ) 一2 7 r ( d 2 ) z 庸i 1 硝 “ 怕h7 式中e 一材料的弹性模量，n m 2 ； ，一圆环中性轴截面惯性矩，m 4 ； g 一重力加速度，9 8 m s 2 ； 厂一材料的密度，堙m 3 ； a 一圆环的截面积，m 2 ： d 一圆环中性轴的直径，m ； 咒一圆环变形后的节点数。 若取e = 2 0 5 8 x1 0 1 1n m 2 , y = 7 8x1 0 3 k g m 3 ，则式( 2 1 ) 可简化为 7 北京交通人学硕十论文 f n r 9 4 0 x1 0 5x 歹h 拱慨) 式中h 一圆环的厚度，r n 。 一般测量轴承振动时是把传感器布置在轴承座上测外圈的振动，所以外圈的 固有振动频率比较重要，按上面的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计算方法导出的。因为实 际的滚动轴承外圈并非薄壁圆环，并且外面与轴承座相联，罩面与滚动体接触， 并非自由状态，所以计算值与实测值有出入，此公式只能作为固有频率的一个估 计公式f 6 】。一般情况下，滚动轴承的固有频率可达数千赫，是非常高的振动频率。 2 1 2 承载状态下滚动轴承的振动 ( 1 ) 滚动体公转产生的振动 滚动体在承载时，由于在不同位置承载滚予数目不同( 图2 - 1 ) ，因而承载刚度 有变化，引起轴心起伏波动。这种振动称为滚动体的传输振动。其振动主要频率 成份为丘z 。其中z 为滚动体数目，丘为滚动体公转频率。 t = 冬( 1 一吾c 。s 口) ，这里f 为轴的旋转频率。 1 一外圈 2 一内圈 3 一保持架 4 一滚动体 图2 - 1 承载滚动体数目不同 f i g2 - 1d i f f e r e n tn u m b e ro fb a l lb e a r st h ew e i g h t ( 2 ) 轴承刚度非线性引起的振动 滚动轴承振动的产生和故障机理 推力o 厂 轴向位移 图2 - 2 非线性弹簧特性 f i g2 - 2n o n l i n e a rs p r i n gc h a r a c t e r i s t i c 滚动轴承是靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，具有弹簧的性质。当 轴承的润滑状态不良时，就会呈现非线性弹簧的特性。 例如，轴向的弹簧特性如图2 2 所示，非线性导致在推力方向产生异常振动， 其频率有轴的旋转频率f 及高次谐波2 z ，3 ，分数谐波i 1z ，毒f ，。但是这 种振动多半发生在深槽球轴承上，在自动调心型和滚子轴承上不常发生。 ( 3 ) 轴承制造或装配的原因引起的振动 1 加工面波纹引起的振动，近似正弦，其频率比滚动体在滚道上的通过频率高很 多倍。 2 轴弯曲或轴装偏，由于轴承偏斜引起的振动，其振动频率成份为f z f 。 3 滚动体大小不均匀引起的振动，其频率包括滚动体公转频率以及矾- - f ，( 其中 以= 1 , 2 ，) 。频率数值一般在l k h z 以下。 4 装配过紧或过松引起的振动。当滚动体通过特定位置时，会产生频率相应于滚 动体通过周期的周期振动。 2 。1 3 异常轴承的振动 滚动轴承异常的种类是各种各样的，大体可区分为疲劳剥落损伤，磨损，胶 合等有代表性的三种类型。 ( 1 ) 疲劳剥落损伤 在这类异常中包括表面剥落、裂纹、压痕等滚动面发生局部损伤的异常状态。 在发生表面剥落时，会产生冲击振动。 这种振动从性质上可分成两类： 第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作面缺陷受到反复冲击而 产生的低频脉冲，称为轴承的“通过振动”，其发生周期可从转速和轴承元件的尺 9 北京交通人学硕十论文 寸求得。轴承是旋转机械中的一类重要部件，当滚动轴承出现局部损伤时，在受 载运转过程中，轴承的其他零件会周期地撞击损伤点，产生的冲击力激励轴承座， 形成一系列由冲击激励产生的减幅振荡，减幅振荡发生的频率称为故障特征频率， 它由轴的转速、轴承几何尺寸及损伤点的位置( 外圈、内圈、滚动体) 确定，根据 故障特征频率可以检测轴承是否出现故障并确定故障的位置，它们的计算公式如 下： 1 外环固定内环随轴转动 保持架相对于外环的旋转频率为： 厶= 三( 1 - 吾) ， ( 2 2 ) 2 内环固定外环旋转 保持架相对于内环的旋转频率为： 厶= 扣知 ( 2 3 ) 3 内外环均转动。 若内外环相对转动频率仍为，则当内外环同向旋转时两者相对转动频率等于 内外环转动频率之差：反向旋转时为两频率之和。 4 轴承内外环有一缺陷时的特征频率。 。 如果内环滚道上某一处有缺陷时，则z 个滚动体滚过该缺陷时的频率为 石= 厶z = 三( 1 + 昙) ，z ( 2 4 ) 如果外环滚道上某一处有缺陷时，则z 个滚动体滚过该缺陷时的频率为 以= 允z = 圭( 1 一丢妣 ( 2 5 ) 滚动体相对于外环的转动频率为 厶= 厶掣= 扣缸詈 弦6 ， 滚动体相对于内环的转动频率为 厶吒掣= 互1 ”知詈 ( 2 7 ) 5 一个滚动体某处有缺陷时特征频率。 如果该滚动体每自转一周只冲击内坏滚道一次，则其频率为 1 0 滚动轴承振动的产生和故障机理 厶= 等，= 扣萨d 2 蚺了d 如果每自转一周冲击内外滚道各一次，则频率加倍，即 如= ( 1 一萨d 2 ) ，了d 斋妥说明阴是，出于圆锥滚于轴承阴滚列俸本身仔在一个侯触用q 的工作直径应为d c o s o ! 而不是d ，因此轴承缺陷频率应该为如下形式： 内滚道缺陷z = l ( 1 + 石d c o s 口) ，z 外滚道缺陷以= 芝1 ( 1 一昙c 。s 口) f r z 保持架碰内环厶= 三( 1 + 五dc o s 口) f 保持架碰外环厶= j 1 ( 1 一吾c 。s 口) s t ( 2 8 ) ( 2 9 ) ，滚动体 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 滚动体缺陷如= 1 ( 1 - 矿d zc 。s 2 口) ，詈 ( 2 1 4 ) 式中，d 一轴承节径； d 一滚动体直径； 一内环滚道半径； r 2 一外环滚道半径； 口一接触角； z 一滚动体个数； 滚动体通过频率一般在l k t t z 以下，是滚动轴承重要特征信息之一。但由于这 一频带中的噪声，特别是机器中流体动力噪声的干扰很大，所以目前直接利用这 一频带诊断轴承故障已不多见。 第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有频率有 三种： 轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在( 1 8 ) k h z 范围内。在诸如离心泵、 风机、轴承寿命试验机这类简单机械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊 断信息。 轴承其他元件的固有振动。其频带在( 2 0 - - 6 0 ) k h z 范围内，能避开流体动力 噪声，信噪比高。 加速度传感器的一阶固有频率。合理利用加速度传感器系统的一阶谐振频率 作为监测频带，常在轴承故障信号提取中收到良好的效果，其频率范围通常选择 北京交通人学硕十论文 在l o k h z 左右。 由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与轴转速无关，一旦 轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动。所以，利 用这些固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断是否有疲劳剥落。 ( 2 ) 磨损 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。磨损与正常轴承的振动相比，两者都是无规则的，振动信 号的随机性很强，无明显周期信号存在，振幅的概率密度大体均为f 态分布，频 谱亦无明显差别，只是振动有效值和峰值比j 下常时大。可以通过分析轴承的振动 水平来诊断这类故障。 ( 3 ) 烧损 这类异常时由于润滑状态恶化等原因引起的。由于从烧损的征兆出现到不能 旋转的时间很短，因此难以预知或通过定期检查发现。烧损过程中，伴随着冲击 振动，且找不出其发生的周期，轴承的振动急速增大【7 丹】。 2 2 滚动轴承元件表面有损伤点的理论模型 在滚动轴承的故障诊断过程中，加速度传感器通常是安置在轴承座上，分析系 统将轴承故障表面撞击其它表面产生的脉冲力序列作为系统的输入，加速度传感 器测取的振动信号作为系统的输出，在轴承的运动过程中，轴承故障点的载荷密 度分布和高频信号的传递途径都在不断的变化，从而，系统输出的故障信号也会 随着变化。 当轴承组件( 包括外圈、内圈、滚动体) 的工作表面出现局部缺陷时，会以一 定的通过频率( 取决于轴频和轴承型号) 产生一系列的宽带冲击。同时，轴承系 统将被这些冲击所激励，产生一系列的冲击衰减响应，导致轴承系统的瞬时高频 共振，故障轴承振动信号的突出表现就是其非平稳性。一般情况下，无论滚动轴 承出现何种损伤，其振动形式往往是复杂的调幅振动。载波是轴承各组件的以其 固有频率振动的高频部分，起调制作用的是与损伤有关的通过频率。而缺陷的位 置不同，其振动特性也不完全相同。 1 2 滚动轴承振动的产生和故障机理 2 2 1 外圈上有单个损伤点的情况 占 图2 3 外圈上有一损伤点的情况 f i g 2 - 3b e a r i n gw i t had e f e c to no u t e rr a c e 图2 3 为外圈上有一损伤点的情况。假定传感器安装在径向载荷密度最大的 地方，损伤点位于载荷区内的某一位置。由于损伤点的位置相对传感器位置不变， 所以它引起的冲击脉冲力是理想性质的( 冲击作用时间趋近于零) ，可表示为 d 。8 ( t ) ，d 。为脉冲力强度，6 ( t ) 为单位脉冲函数。假定t = 0 时刚好有一滚动体与 损伤点接触而产生脉冲力，则外圈上局部损伤点在轴承运转过程中产生的脉冲力 ( 脉冲力串) 可表示为 二2 a o ( f ) = d o 万o 一七瓦) ( 2 1 5 ) k = - o o 式中，r o = 1 f o 为脉冲之间的时间i 、日j 隔，厶为外圈故障特征频率，k 为整数。 高频固有振动经带通滤波器后分离出来，可以把轴承振动视为单自由度弹簧 一阻尼系统脉冲力激励而产生的阻尼衰减振动，一个单自由度系统受脉冲力激励 产生的衰减振动波形。 对于轴承来说，在运行过程中，由于外圈损伤点引起的脉冲力以频率厶不断 产生，所以引起一系列的高频衰减振动。由于有阻尼存在，且固有振动的频率较 高，所以衰减所需要时间与e 相比要小的多，因此各个衰减振动基本上时独立的， 几乎没有相互影响，对应于一系列的脉冲力有一系列分离很清的高频衰减振动。 对其高频衰减信号进行幅值调制，得到一系列指数衰减脉冲。如图2 4 所示。 北京交通人学硕士论文 一l0l ( a ) 一瓦0l ( c ) a o ( ( d ) 0 ( e ) 0 f o2 f o f ( f ) 图2 4 外