（机械电子工程专业论文）形态滤波解调在滚动轴承损伤类缺陷诊断中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 当滚动轴承存在局部损伤类缺褊时，其振动表现为复杂的调福振动。该调幅振动 的载波为滚动轴承的某一高频固有振动，而调制波为与缺陷或损伤有关的通过振动。 因魏要遗行滚动辘承缺貉诊鞭，努籁先采嗣一定韵辩调援术疆取调潮渡。由于形态滤 波解调可以肖效地提取信号的边缘轮廓以及信号的形状特征，因此本文提出利用形态 滤波来鬟取滚动辘承振动稳鸯中豹赫狰售号，劳成功蘧将形态滤波躲调技拳疲瘸至g 滚 动轴承损伤类缺陷诊断中；间时，本文通过将小波滤波应用到包络解调中来验证形态 滤波瓣调鬓缛窭豹终论。零文熬其体工终毯据塔下死令方甏： 1 形态运算的选择：形态滤波的基本思想就魑通过选择特定的结构元索与被研 究镶号皴形惑运算嚣实理滤波。采掰苓弱戆影态运冀瑟耩残茨不嗣形态滤波器，茭滤 波效果是不嗣的。在比较各种滤波器滤波效果之后，本文针对滚动轴承缺陷信号的特 廷，采惩毙魄较宠整遮提取爨售号巾靛正黥净鹣 l l 遮算进程滤渡。 2 结构元素的选择：形态滤波的效果也与结构元素的滤择有糟直接的篾系，一 般只鸯与缝梭元素驰尺寸秘形状相隧配的傣号基元绣4 毅傈罄。为了完整逑保整信譬 的形状特征，同时在研究了不同尺寸的直线结构元豢所提取出来的脉冲信号与噪音信 号之间关系的基础上，本文采用了摇值为零、长度必0 。6 t ( t 为通过周期) 的直线激 结构元素。通过实验验证，所采用的结构元素能够比较完整地将滚动轴承的脉冲信母 提取出来。 3 将澎态滤波运用蓟滚动轴承缺陷诊断中，并给出相应的诊断判据：通过上孟盎 所选的形态运算及缩构元素，本文对滚动轴承的振动信号进行形态闭运算滤波，然聪 对滤波看的信号迸孳予f f t 交换，最终得至日信号的包络谱。在对魏包络谱进行分析的簇 础上，给出了相应缺陷的诊断判据。 4 。将，j 、渡滤波斑用飘瓴络解调中，势验证形态滤波解调所得潞的结论：在包络 解凋中，带邋滤波尤为重要。由于小波变换具有带邋滤波的性质，本文提出采用小波 滤波来筏替传统熬数字滤波器，并绘出了稳癍静算法。逶邋对应静爽验分耩及t 较， 验证了形态滤波所得出结论的正确性，同时也得出形态滤波解调具肖较高信噪比，对 线经振动绩号分掇受其逶痰往敬教雯蕊逡含现场在线整测静结论。 关键掌：滚动轴承疆陷诊断形态滤波龟络解调夸波交换 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 弧ev i b r a t i o no fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n gw i t hl o c a ld e f e c t p r e s e n t sp r o p e r t i e so f a m p l i t u d e - m o d u l a t i n gv i b r a t i o n i t s c a r r i e rw a v ei sak i n do ft h e b e a r i n g s i n h e r e n t v i b r a t i o nw i t hh i g hf r e q u e n c y , a n di t sm o d u l a t i n gw a v ei sa p a s sv i b r a t i o nc o r r e s p o n d i n g t o t h el o c a ld e f e c t t h e r e f o r em a k i n gd i a g n o s i so ft h el o c a ld e f e c tn e e d st od e m o d u l a t et h e v i b r a t i o nt o g e tt h em o d u l a t i n gw a v e 。b e c a u s et h em o r p h o l o g i c a lf i l t e rc a n a v a i l a b l y i d e n t i f y t h ef e a 吣f c so f f r i n g e a n d s h a p e o f s i g n a l ，t h e d e m o d u l a t i o nb a s e do n m o r p h o l o g i c a lf i l t e rh a s b e e nu s e di nt h i st h e s i st oe x t r a c tt h ei m p u l s i v es i g n a l sd u et ot h e l o 妇ld e f e c t sf r o mt h ev i b r a t i o no ft h er o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g t h u st h ed i a g n o s i so fl o c a l d e f e c t so f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g h a sb e e n s u c c e s s f u l l yr e a l i z e db y m e a n so ft h i st e c h n i q u e ， m o r e o v e f t h et e c h n i q u eo f w a v e l e tf i l t e r i n gh a sb e e na p p l i e di ne n v e l o p e d e m o d u l a t i o nt o v a l i d a t et h er e s u l t so fm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g t h em a i nc o n t e n t sa n dt h er e s u l t so ft h i s t h e s i sa r ga sf o l l o w s ： 1 s e l e c t i o ne lm o r p h o l o g i c a l o p e r a t o r ：m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n gi sa k i n do fo p e r a t i o n b a s e do nm o r p h o l o g i ca r i t h m e t i cb e t w e e n8s i g n a lt ob es t u d i e da n das t r u c t u r i n g e l e m e n ts p e c i f i e db ym o r p h o l o g y d i f f e r e n tm o r p h o l o g i ca r i t h m e t i c ，w h i c hf o r m sa m o r p h o l o g i c f i l t e rn a m e l ym o r p h o l o g i c o p e r a t o r , c o u l dg e td i f f e r e n tr e s u l to ff i l t e r i n g 。 c o m p a r i n g t h e f i l t e r i n g r e s u l t sf r o md i f f e r e n t m o r p h o l o g i c a lo p e r a t o r s ，t h e c l o s e - o p e r a t o ro fm o r p h o l o g i c a r i t h m e t i ci ss e l e c t e dt oi d e n t i f yt h e p l u si m p u l s ec a u s e d b yt h el o c a ld e f e c t 2 s e l e c t i o no fs t r u c t u r i n ge l e m e n t ：t h e s t r u c t u r i n gc l e m e n t a l s oa f f e c t st h er e s u l to f m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g i ng e n e r a l ，o n l ys t r u c t u r i n gs i g n a l ，w h i c h m a t c h e st h e s t r u c t u r i n gd e m e n t b o t hi ns c a l ea n d s h a p e ，c o u l dr e m a i na f t e rm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g b a s e do ns t u d yo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o i s e si nb e a r i n gv i b r a t i o n sa n dp u l s e s e x t r a c t e db yf l a ts t r u c t u r i n ge l e m e n t sw i t hd i f f e r e n ts c a l e s ，al i n es t r u c t u r i n ge l e m e n t w i t h0 6 ti nl e n g t ha n dz e r oi nw i d t hh a sb e e nu s e di nt h i st h e s i sf o rm o r p h o l o g i c a l f i l t e r i n g t op e r f e c t i ye x t r a c tr e q u i r e di m p u l s e sc a u s e db yl o c a ld e f e c t so f b e a r i n g 1 th a s b e e ns h o w n b ye x p e r i m e n t r e s u l t st h a t u s i n g t h el i n e s t r u c t u r i n g e l e m e n tf o r m o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n go fb e a r i n gv i b r a t i o nc a na v a i l a b l yi d e n t i f yt h ei n f o r m a t i o no f l o c a ld e f e c t so ft h e b e a r i n g s 珏 华中科技大学硕士学位论文 3 a p p l i c a t i o no fm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n gi nd i a g n o s i so ft h el o c a ld e f e c to fb a l l b e a r i n g a n dt h ec r i t e r i o n sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i a g n o s i s ：u s i n gt h e c l o s e o p e r a t o r a n dl i n es t r u c t u r i n ge l e m e n tm e n t i o n e da b o v e ，as e r i e so f s i g n a l so fb e a r i n gv i b r a t i o n s h a v eb e e np r o c e s s e db ym e a n so fm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g t h e nt h ef i l t e r e d s i g n a l s ， w h i c ha r em o d u l a t i n gs i g n a l sw i t he n v e l o p ea m p l i t u d e a r et r a n s f e r r e db yf f ri n t o t h e i r e n v e l o p e - s p e c t r a b a s e d o n a n a l y s i s o fe n v e l o p e - s p e c t r ao ft h e s i g n a l s ，t h e c r i t e r i o n sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i a g n o s i sa r eg i v e nf i n a l l y 4 a p p l i c a t i o no fw a v e l e tf i l t e r i n g i n e n v e l o p e - d e m o d u l a t i o n ，a n dv e r i f i c a t i o n o f r e s u l t so fm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g ： b a n d p a s sf i l t e r i n g i s i m p o f l a n ti ne n v e l o p e d e m o d u l a t i o n t h ew a v e l e t f i l t e r i n gh a st h ep r o p e f l i e so fb a n d - p a s sf i l t e r i n ga n d h a si t s u n i q u ea d v a n t a g e s ，s o i th a sb e e nu s e df o re n v e l o p e - d e m o d u l a t i o ni nt h i st h e s i st o r e p l a c ec o m m o nd i g i t a lf i l t e r , a n d i t s c o r r e s p o n d i n ga r i t h m e t i ch a sb e e ng i v e na l s o t h r o u g ha n a l y s i so fa n dc o m p a r i s o nw a v e l e tf i l t e r i n gw i t hm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n g , t h e v a l i d i t y o fm o r p h o l o g i c a lf i l t e r i n gh a sb e e nv e r i f i e d m e a n t i m e ，t h ea d v a n t a g e so f d e m o d u l a t i o nb a s e do n m o r p h o l o g i c a l f i l t e ra r ek n o w n ，s u c ha si t sh i g hs i g n a l - t o - n o i s e r a t i o ( s n s ) ，g o o da d a p t a b i l i t yt on o n - l i n e a rv i b r a t i o n ，g o o da d a p t a b i l i t yt om o n i t o r o n l i n ea n ds oo n k e y - w o r d s ：r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n d e f e c td i a g n o s i s w h v e l e tt r a n s f e r m o r p h o l o g i c a l f i l t e r i i i 独创性声明 本人声臻魇里交的学位谂文是我个人在导嚣拯导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引朋的内容外， 本论文不包含强侮其钝个人或集体已经发表或撰写遥游研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声睽酌法律结果壶本入承掇。 学位论文作者签名：粒铋牮 日期： 砂叶年瞥月荔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 郾：学校有权探整共囱匿家有关部羹藏机构送交论文鳇复印辞和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文懿全部藏都分内容编入有关数据摩进行检索，霹以采磁影露、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 绦密圈，亳年瓣密瓣适用奉授投书。 本论文属子 不保密豳。 ， ( 请在以上方框内打“”) 靴澈储躲枉琳华指导教师繇艄 日期： 三e 呔降吁月淤尽 日期：卿年r 月扩日 华中科技大学硕士学位论文 1 概论 1 1 滚动轴承缺陷诊断的意义 随着人们对噪音的日益关注，对滚动轴承降噪问题的研究也在不断的深入。虽然 滚动轴承产生噪音的原因有很多，如滚动轴承的制造精度、保持架的结构、滚动轴承 的游隙、滚动轴承的清洁度等，但局部存在缺陷是滚动轴承产生噪音最为重要、也是 最为危险的因素。因而，滚动轴承局部缺陷的早期诊断对滚动轴承降噪有着重要的作 用。另外，由于滚动轴承是应用最为广泛的支撑部件之一，其运行状态也直接关系到 整套设备的性能。当滚动轴承存在缺陷时，不但会使得设备产生异常振动和噪音，甚 至还会使得整套设备不能正常工作。因此滚动轴承缺陷早期诊断方法的研究，对滚动 轴承制造质量的评价与监控，以及设备状态在线监测都有着重要的意义。 1 2 滚动轴承缺陷诊断概述 1 2 1 滚动轴承缺陷诊断的基本环节 早期，人们对轴承的故障主要凭经验来进行简单的诊断。随着传感器技术及信号 处理技术的发展，人们开始将传感器技术、信号处理技术、计算机技术引入到滚动轴 承缺陷诊断之中，逐步形成了滚动轴承缺陷诊断技术。 滚动轴承缺陷诊断的目的是保证轴承在一定条件下可靠的运行，以保证设备的工 作性能。为了达到此目的，我们必须先要获取滚动轴承运行状态的信息并从中提取出 能够反映滚动轴承实际状况的特征量，然后对此特征量进行处理和分析，最后得到滚 动轴承实际的状况。所以，从一定程度上可以说，滚动轴承缺陷的诊断就是滚动轴承 状态的识别。具体的说，滚动轴承缺陷诊断一般包括以下五个环节。 ( 1 )信号提取根据滚动轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映滚动轴承 状况的信号。根据使用的传感器不同，所测取的信号分为声音和振动两种。受现场环 境的影响，噪音比较大，要想提取出滚动轴承自身所产生的声音比较困难，因此声音 信号一般使用的较少，振动信号使用的较为广泛。 ( 2 )特征量的提取根据所采取的分析方法，从测取的信号中提取出能够反映滚 动轴承状况的有用信息。 ( 3 )状态识别( 粗诊)根据( 2 ) 所提取的信息，以一定的识别方法，初步判断 华中科技大学硕士学位论文 滚动轴承是否存在缺陷。 ( 4 )诊断( 细诊)在( 3 ) 的基础之上，对存在缺陷的滚动轴承，进行具体的分 析，具体诊断出缺陷所产生的原因。 ( 5 ) 判断决策根据( 4 ) 所得的结果，判断出滚动轴承的状况及其发展趋势，并 做出决策，指导生产实践。 1 2 2 滚动轴承监测方法简介 要实现对滚动轴承缺陷的诊断，首先要确定监测的方法。目前，在滚动轴承缺陷 诊断中，采用最多的监测方法有两种：一种是直接监测滚动轴承运转过程中产生的声 音信号i m l 。另外一种就是监测滚动轴承运转过程中产生的振动信号1 6 胡l 。 第一种方式也称为非接触式，一般采用电容式传声器或声压计测量轴承在运转过 程中产生的声音信号【7 l 。其特点是能直接得到滚动轴承在运转过程中产生的声信号， 但对环境和传感器的要求较高，在监测时对外界噪音通常有着严格限制。由于实际所 监测到声音信号中难免混有大量的噪音，因此要想从中提取出滚动轴承自身的声音信 息十分困难，另外要严格限制噪音在工作现场难以实现，所以在实际应用中，很少采 用这种方法。 第二种方式也称为接触式，一般采用加速度或速度传感器测量滚动轴承在运转过 程中产生的振动信息【7 1 。其主要特点有对环境和传感器的要求不是很高；可以有 效的诊断出滚动轴承早期的缺陷；信号分析与处理的方法相对简单：所以这种方法 在实际中得到了广泛的应用。目前，国内外开发的各种滚动轴承监测与诊断仪器，都 是采用这种方法，并且大量的研究也是基于这种方法的。 除了这两种方法之外，滚动轴承缺陷诊断另外还有温测、油样分析等方法。温测 法是通过监测轴承座处的温度来判断滚动轴承是否存在缺陷。由于温度对载荷、速度、 润滑条件的变化比较敏感，并且当滚动轴承出现早期缺陷时，如早期点蚀、剥落等， 温度基本上没什么变化，因此在实际的应用中，这种方法很少被采用。油样分析法是 通过分析所抽取的油样来判断滚动轴承是否存在缺陷，这种方法只适用于油润滑的滚 动轴承，而不能用于脂润滑的滚动轴承，所以，这种方法在实际的应用中也存在着很 大的局限。 随着传感器技术的发展，一些新的监测技术不断涌现出来，例如声发射技术、光 纤技术等，但受现场因素的影响，这些技术还只是处于理论研究阶段，离实际应用还 有一段距离。 由于本课题是基于现场在线监测的，受现场因素的影响，噪音较大，采用声测法 华中科技大学硕士学位论文 比较困难，只能采用振动法。通过加速度传感器拾取滚动轴承的振动信号，然后通过 分析滚动轴承的振动信号，将缺陷所在的元件诊断出来。 1 2 3 滚动轴承缺陷诊断技术概况 最初，人们是通过听觉和经验来判断滚动轴承是否存在缺陷，随着人们对滚动轴 承的运动学和动力学的深入研究，以及传感器、计算机技术的发展，各种诊断方法不 断出现。总的说来，滚动轴承缺陷诊断的发展经历了以下四个阶段1 1 】： 第一个阶段：2 0 世纪中期，随着快速傅立叶变换的出现，人们开始将滚动轴承的 时域振动信号变换到频域里，然后根据滚动轴承元件的特征频率来判断滚动轴承是否 存在缺陷。 第二个阶段：2 0 世纪6 0 时代末期，人们发现当滚动轴承存在局部缺陷时，如果 其在负载情况下运行，便会产生冲击，并且该冲击会激起滚动轴承产生压缩波，人们 开始开发利用冲击脉冲技术来诊断滚动轴承的缺陷。通过用一个具有高频响应特性的 压电加速度机来监测冲击引起的压缩波，然后根据冲击脉冲的最大幅值来判断滚动轴 承是否存在缺陷。 第三个阶段：2 0 世纪7 0 年代初期，随着信号处理技术的不断发展，人们开始将 解调技术引入到滚动轴承缺陷诊断中，利用共振解调技术将滚动轴承的调制波从调制 信号中分离出来，然后对分离出来的信号进行频谱分析，便可以很容易诊断出滚动轴 承缺陷产生的原因。 第四个阶段：2 0 世纪8 0 年代以后，随着微机技术的飞速发展，开发以微机为中 心的滚动轴承在线监测及诊断系统引起了国内外研究者的广泛关注。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，随着设备故障诊断理论的发展，新的信号测量技术和 处理方法不断出现，人们开始利用各种其它有效的方法和技巧来诊断滚动轴承的缺 陷，滚动轴承缺陷诊断进入了一个空前繁荣的阶段。 目前，设备故障诊断所采用的方法大致可分为基于信号处理、基于解析模型、基 于知识三种类型【1 0 】，但只有基于信号处理方法已在滚动轴承缺陷诊断中得到了成功 的应用。基于信号处理的方法是一种传统的诊断方法，也是国内外轴承厂家主要采用 的诊断方法，大多数的研究也是基于这种方法的。它主要是通过直接分析监测的信号， 提取相关的特征值，从而得到识别缺陷的目的，主要包括时域诊断、频域诊断、时频 诊断三种方式。 时域诊断主要是通过分析滚动轴承时域的振动的波形，通过监测时域的一些统计 参数或无纲量参数来实现缺陷诊断的目的，应用较为广泛的统计参数有峰值、均值、 华中科技大学硕士学位论文 均方根值( 有效值) 、峭度等。以上这些参数都是有量纲参数，利用这些参数进行缺 陷诊断有一个很大的缺点，那就是对数据的依赖性太大，并且对载荷转速的变化比较 敏感。为了克服这个缺点，在滚动轴承缺陷诊断过程中，人们又引入了波形因数、脉 冲因数、峰值因数、峭度等无量纲因数。峰值对于损伤类故障比较敏感，均方根值对 于磨损类故障比较敏感，而峰值因子既综合了峰值的特点，又考虑了均方根值的特点， 因此对于两种故障都可以判断。通过监测时域参数，只能实现粗诊滚动轴承是否存在 缺陷，如果要实现精密诊断，还必须引入其他时域诊断手段，如时域同步平均分析、 相关分析等。 在时域对滚动轴承的振动波形进行分析，只能确定滚动轴承是否存在缺陷，如果 要分析缺陷所存在的具体元件，还必须分析滚动轴承的频域结构。当滚动轴承局部存 在缺陷时，不同的部位，对应着不同缺陷频率。因此，频域分析是滚动轴承缺陷诊断 地重要方法，并且已被广泛采用。目前，共振解调法被认为是频域分析方法中最有效 的一种方法。该方法以滚动轴承振动系统的共振频率区为监测频率带，滚动轴承的原 始振动信号经过放大、带通滤波、解调后，只剩下低频的脉冲信号，并以此信号作为 分析的对象，对该信号进行频谱分析，便可以准确的诊断处缺陷所存在的元件。在共 振解调法中，解调尤为重要，目前，解调的方法有绝对值算子解调、线性算子解调、 平均算子解调、希尔伯特算子解调、能量算子解调等五种常用方法，这五种方法虽然 都可以将滚动轴承振动信号中的高频载波分量分离出去，只剩下低频的脉动信号，但 这五种方法都是线性解调的方法。针对滚动轴承缺陷信息的具体特征，本文另外采用 了一种非线性的解调方法即形态滤波解调。形态滤波在图像处理领域已得到了广泛应 用，这种非线性的滤波器可以有效的消除噪声而保留原信号中的一些必要形状特征， 能够有效的提取出图像的局部几何特征。对于滚动轴承的振动信号而言，其局部特征 便是由于损伤点的冲击而引起的脉冲信号，形态滤波能够有效的提取这些脉冲信号， 从而实现解调。 时域分析只能获取信号时域的特征，频域分析只能获取信号频域的特征。为了既 能得到信号时域的特征，又能得到信号频域的特征，人们又发展了一种新的分析方法， 即时频分析。时频分析将时域分析和频域分析综合起来，在获取信号时域特征的同时 还可以同时获取信号的频率特征。目前，应用到滚动轴承缺陷诊断中的时频手段主要 包括：w i g n e r - - - v i l l e 分布、短时傅立叶变换、小波变换等。时频分析的主要特点便 是时间和频率的局部化，能将时域和频域结合起来考虑，这对于分析突变的信号非常 有用。在滚动轴承缺陷诊断中，短时傅立叶变换、小波变换得到广泛的研究。 短时傅立叶变换的基本思想是：用一个具有适当宽度的窗函数从信号中提取一段 作傅立叶变换，便得到信号在这段时间内的局部的频谱。如果再让窗函数沿时间轴推 4 华中科技大学硕士学位论文 移，褒能鼹德号避褥逐羧鞭谱努爨。短辩德立畸爱换虽然在一定程度上舞殴了瓠缓缮 立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，假它也存在着自身不可克服的缺陷，即窗函数 确定嚣，矩形塞翻戆影状裁确定了，势辨率逛裁被霾定了，因越缀射蹲交靖变换不其 肖多分辨率的特点。在倍号分析中，对于那些非平稳信号，在波形变化剧烈的时刻， 骚求寿较高熬对潮分辨攀；两当波形变饿较幔黪，则要求骞较离豹频率分辨率。漫然 艇时傅立叶变换不能兼颥两者，因此在实际应用中存在潜一定的局限性。 小波变换( c w t ) 怒一静饔翻大小，即窑口疆积不变但其形状可改交，对阈襄和 频率窗都可改变的时频两部化分析方法。其可根据信号的特性来选择适当的窗函数， 即小波变换对信号具有囱适应性。另外，小波变换对高频成分采蹋逐濒糙细的时域或 空域采样步长，从而可戳聚焦到信号的任意细节。由于傅立叶变换雒完成的工作小波 变换也完成，并且还具有傅立时变换不可能具有的优点，因此小波变换在滚动轴承 缺陷诊断中的应阁得到了广泛的关注l m l ”。 基于解析模型和知识的这两种方法，在轴承缺陷诊断中的应用还溅处于研究阶 段，还没有在实袋中褥到应用。在文献f 1 8 l 、【1 9 、【2 。】中，对神经网络猩滚动轴承缺 陷诊断中的应用进行了研究，并用实验进行验证，表明了神经网络是一种有效的诊断 方法。袋发震蘸袭来看，模撅入藏裙建臻褐帮蠢觉联慧鲶久工耱经弼络麓能诊断系统 肖着广阔的应用前景，将各种诊断理论翰神经网络结合起来，以及基于知识的专家系 统瓣嚣发将是戳爱滚动辘承缺黧诊瑟重患磷究豹方自。 由予本课题的主要掰的是诊断出缺陷所在的元件，因此仅仅在时域进行分析是远 逡不够豹，必缀透过窥翡交换手段( 解凌) ，褥滚动辘承薅域豹振动镶号交换蘩频 城，然餍通过分析滚动轴承的频率结构来实现对滚动轴承缺陷的诊断。由于形态滤波 艇调翼鸯疆糍有效戆瀵豫噪声嚣又戆保辫滠售警中豹一魑必要形炊特蔹，蜀骞效提取 出图像的局部几何特征，将其引入到滚动轴承的缺陷诊断中将是本文的麓要研究工作 之，一。 1 3 本文研究内蜜 本课题涉及懑庆长波轴承工l 巨有限公司技术改造项髓滚动轴承振动、异啬在线 自动检测系统的研翩的部分工作。其体研究工作内容如下： ( 1 ) 归纳分析了当滚动轴承存在损伤类缺陷时理论上的振动模型 当滚动轴承精部存谯损伤爽缺陷辩，在受载运转遘耩中将产生衰减冲击脓冲力， 从而激越滚动轴承的高频固有振动。这种高频固有振动作为滚动轴承振动的载波。其 疆僮蒋受翻缺陷孳l 起静躲冲激强力匏谲稍，获露使滚葫辘承最终靛振动波形表瓒海复 华中科技大学硕士学位论文 杂的幅值调制波。当缺陷存在的部位不同时，所产生的衰减冲击脉冲力也不同，因而 所得到的幅值调制波也不一样。文献【1 】、【2 1 】、f 2 2 q b 建立了滚动轴承局部存在单个 损伤类和多个损伤类缺陷时滚动轴承的振动模型，本文便是在模型下对滚动轴承进行 诊断的，并验证该模型的正确性。 ( 2 ) 采用形态滤波解调进行滚动轴承缺陷的诊断 形态滤波是形态信号处理技术常用方法，在图像处理中有着广泛的应用，这种非 线形的滤波器可以有效的消除噪声而保留原信号中的一些必要形状特征，能够有效的 提取出图像的局部几何特征。虽然形态滤波在二维图像处理中有着广泛的应用，但在 一维数字信号领域中还仅仅是在医学中有着应用【2 3 , 2 4 】。由于形态滤波能够将信号的轮 廓信息提取出来，本文提出用形态滤波技术来实现解调，将调制信号中的脉冲信号提 取出来，从而实现解调，并将这一技术应用到滚动轴承的缺陷诊断中。 ( 3 ) 小波滤波应用到包络解调中，并验证形态滤波解调所得出的结论 当滚动轴承局部存在损伤类缺陷时，其振动信号为复杂的调幅信号，因此要实现 对缺陷的诊断，必须通过一定的解调技术，将滚动轴承的缺陷信息从复杂的调幅振动 信号中分离出来。在滚动轴承的缺陷诊断中，目前采用最多的解调的方法是包络解调 法。在用包络解调法进行解调时，滤波是最为关键的一步。能否将滚动轴承的高频固 有振动提取出来，决定着最后是否能够将缺陷频率分离出来。目前，滤波一般都采用 的是数字带通滤波。由于小波变换具有带通的性质，本文提出采用小波变换技术来实 现滤波，并给出了相应的算法。通过实验验证，形态滤波解调所得到的结果和该方法 所得到的结果完全吻合。 华中科技大学硕士学位论文 2 滚动轴承缺陷诊断的理论基础 滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的支撑部件，也是最易损坏的部件之一。滚 动轴承工作状况直接影响着旋转机械的性能，其缺陷将导致设备产生异常振动和噪声， 更为严重的是造成设备不能正常工作。滚动轴承的缺陷一般有两种，即损伤类缺陷和 磨损类缺陷。其中损伤类缺陷是最为危险的，也是滚动轴承缺陷诊断主要研究对象。 2 1 滚动轴承的振动 滚动轴承的振动，原则上可分为两大类：一类与滚动轴承的结构有关；另一类与 滚动轴承的状况有关。前者代表滚动体的传输振动，无论滚动轴承是否正常，这种振 动都会发生。后者与滚动轴承的表面状况、工作环境等因素有关，因此需要具体分析。 2 1 1 滚动轴承的基本振动 滚动轴承在旋转过程中，引起滚动轴承产生振动的原因有很多。根据振动产生机 理的不同，可将滚动轴承的振动分为以下几种形式呻川 1 滚动轴承的结构特点引起的振动 滚动轴承在受载运转过程中，在受载区内承受载荷的滚动体个数以及每个滚动体 所承受的载荷的大小不同，这就使得在受载区内每个接触点的弹性变形不一样，从而 导致滚动轴承旋转的中心的位置发生改变，引起滚动轴承的振动，称为滚动体的传输 振动。图2 - 1 所示的两个位簧是滚动轴承在旋转过程中较为典型的两个位置。由于受 载后两者的变形不同，因此两者轴心的位置也明显不同。这种弹性变形引起的振动又 称为变化的柔性振动( v a r y i n gc o m p l i a n c e v i b r a t i o n ) 。滚动体的传输振动与滚动轴承的结构 直接相关，是无法完全避免的固有振动。通常这种 振动的级别比较低，通过减小游隙或加大预紧力可 以减少这种振动。文献 2 8 1 详细论叙了这种由于结 构特点引起的振动。 2 滚动轴承加工误差引起的振动 露囊 ( _ ) ( h ) 图2 - i 受载的不同引起的振动 7 华中科技大学硕士学位论文 滚动轴承在运转过程中，滚动体和内、外圈之间的油膜厚度随着滚动体的旋转而 不断变化。油膜的改变量与滚动体、外圈、内圈的尺寸误差有着密切的关系。在t 时 刻，第n 个滚动体所引起的油膜厚度改变量可以用以下表达式来描述【2 9 】 x ( f ) 2 【g o p ) + g 。0 ) + y 。( f ) + y 。( f ) 一z n o ( f ) 一z 。( f ) 】2( 2 - - 1 ) 式中g o ( t ) 、g 1 0 ) 为滚动体与外圈和内圈接触处表面的尺寸误差，y 0 0 ) 、y , o ( f ) 为 外圈和内圈的尺寸误差，z a 0 q ) 、z n o ( t ) 为接触表面处的弹性变形。油膜厚度的变化 必将引起外圈、内圈、滚动体受载的变化，受载的变化可描述为 o ) = k 。( t ) a x ( t ) 式中k ( f ) 表示的是润滑油的硬度。外圈、内圈、滚动体受载的变化必定会引起滚动轴 承振动。 大量实践证明，滚动体的表面波纹度对轴承的振动影响最大，内圈次之，外圈最 小【3 0 1 ，而粗糙度和圆度对滚动轴承振动的影响较小。g a s t a f s o n 在研究大量实验后， 给出了振动频率与波纹度之间关系，如表2 - 1 所示1 2 6 】。 表2 - 1 振动频率与波纹度之间的关系 滚动轴承波纹度峰值振动频率 的元件径向振动轴向振动径向振动轴向振动 内圈船1k z 蝎。一lrk z l 外圈 k z 1k z 吼吼 滚动体2 k 2 k k z f 。4 - f ：戤名 表中，k 为正整数，z 为滚动体的个数， 。为单个滚动体在内圈滚动上的通过频率， 正为保持架的转动频率，凡为滚动体相对保持架的转动频率，r 为内圈转动频率。 3 滚动轴承工作条件引起的振动 在滚动轴承运转过程中，载荷、转速和润滑条件的变化，都会引起轴承的振动。 滚动轴承固有振动频率随着轴向载荷的增大而增大，振幅与径向载荷的6 5 次方成正 比f 划。转速对滚动轴承的固有振动影响不大，但与强迫振动的频率和幅值近似的成正 比【划。润滑剂所形成的油膜能缓和滚动体与滚道之间的相互冲击，降低振动的幅值。 随着润滑油、润滑脂的粘度的增加，振动的幅值降低，但主要表现在中、高频段。 4 滚动轴承局部缺陷引起的振动 华中科技大学硕士学位论文 当滚动轴承存在局部损伤类缺陷时，在受载运转过程中将产生衰减冲击脉冲力， 从而引起滚动轴承振动。这种振动是由滚动轴承的通过振动及固有振动叠加而成的。 在运转的过程中，由于滚动轴承元件上的损伤点反复冲击与之相接触的其他元件 表面而产生的低频振动称为通过振动。其特点是具有周期性，损伤点所在的元件不同 时，这种振动所表现出来周期也不同。根据滚动轴承的尺寸及转速可直接求出各种元 件的通过频率，具体计算公式将在下节介绍。 在损伤冲击力的作用下，滚动轴承某一高频固有振动会被激发。这种固有振动很 复杂，滚动轴承的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，甚至是传感器的固有振动 等都有可能由于损伤冲击力的作用而被激发。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冲击力的调制，从而使轴承最终的振动波形表 现为复杂的幅值调制波，如图2 2 所示( 上图为所采集的振动信号，下图为局部信号) 。 局部缺陷所引起的振动最为剧烈，它是滚动轴承缺陷诊断重点研究的对象，也是 本论文所要研究的对象。 上l i l “l h | i l “址l 1 i i 山i i j l h “ 下啊p ”7 州吖啊 l f l 丌1 1 02 0 帅6 08 0 0 01 1 01 瑚铷4 0 05 0 0 锄瑚咖咖i 叨 图2 - 2 局部存在损伤时滚动轴承的振动信号 2 1 2 滚动轴承的特征频率 当滚动轴承局部存在损伤类缺陷时，滚动轴承会产生两种振动，一种为通过振动， 一种为固有振动。这两种振动有一个共同的特点，就是都表现为一定的周期性，都有 自己的特征频率。根据滚动轴承的尺寸及转速可以直接求出滚动轴承的各种特征频 率，滚动轴承的有关尺寸如图2 3 所示。 m m 舟m 田 m m m m m 耋| 弧撇m o 慨姗狮帅。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 滚动轴承的结构 1 滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承各元件的固有振动频率与轴承的外形、材料和质量有关，而与轴的转速 无关。 ( 1 ) 滚动体的固有频率 r 0 一4 2 4 旦 ( 2 2 ) “ r 、f2 p 、 式中r 为滚动体半径( m ) ，e 为材料的弹性模量，p 为材料密度。 ( 2 ) 内外圈的固有频率 i 一誊- 击, k1 偿 q q ，。_ f 5 亍一1 f 百 一j j 勿承22 + y 肘 式中k 为共振阶数，尺为中性轴线的半径，m 为圆环单位长度上的质量，为圆环截 面绕中性轴的惯性矩。 2 滚动轴承的缺陷特征频率( 通过频率) 对滚动轴承进行损伤类缺陷诊断时，缺陷特征频率( 通过频率) 是一个重要特征 参数，每种类型损伤类缺陷都有相应的缺陷频率与之对应。滚动轴承损伤类缺陷诊断 的关键就在于识别和提取损伤类缺陷所引起的通过振动。 为了得到滚动轴承各元件的通过频率，我们有必要先对滚动轴承进行运动学分析 【2 6 】。图2 4 为滚动轴承的剖面图，图中外圈的旋转频率为丘，内圈的旋转频率为，l ， 保持架的旋转频率为正，滚动轴承的节圆直径为d ，滚动体的直径为d ，接触角为8 ， 这些参数与缺陷频率密切相关。在进行运动学分析之前，我们假定滚动体在保持架中 均匀分布，且同时与内外圈滚道相接触，在旋转的过程中滚动体与内外圈之间无相对 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 滑动。 d 怀、料 nl 乃k匕历 夕刀“ 图2 - 4 滚动轴承运动学 由运动学知识可知，内圈的旋转速度( a 点的切线速度) k 为 k 。石( d dc o s a ) e 外圈的旋转速度( b 点的切线速度) k 为 k 2 万( d + d c o s a ) l 滚动体的公转速度( c 点的切线速度) k 为 k = i 1 以+ 圪) 一喊 由式( 2 - - 6 ) 得 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ，c 。警一扣一万dc o s 毗+ ( 1 + 吾s 毗】( 2 - - 7 ) 单个滚动体在外圈滚道上的通过频率，即滚动体相对于外圈的旋转频率允，可 由下式求得 将式( 2 - - 7 ) 代入上式得 l o o f 。( 2 8 ) 止= l 厶一正i = d - - 瓦d 广c o s c ti ，口一，f i( 2 9 ) 同理可得单个滚动体在内圈滚道上得通过频率，即滚动体相对于内圈的旋转频率 f 。为 ，f c 2 i l 刊= 警i 厶- ，f | ( 2 - - 1 0 ) 华中科技大学硕士学位论文 滚动体的自转频率，即滚动体相对于保持架的旋转频率允为 允= 生等咝f , i ( 2 - - 1 1 ) 对于有z 个滚动体的滚动轴承，其相应的通过频率为 岛= 巩一( d - - d z c “o s a ) z f o 一，fl (2-12) 丘一矾一( d - - d z c u o s a ) z f o 一 i ( 2 - 1 3 ) 氏= 生等熊， f 2 1 4 ) 当外圈固定内圈随着轴一起旋转时，l = o ，正为轴的旋转频率。设为轴的转 速，则 - n 1 6 0 ，此时式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 对应的变为 岛2 巩2 ( d - - 气dc 矿o s a ) z n ( 2 - 1 5 ) 丘= 矾= ( d - - 1 d 猫c o s 厂a ) z n ，：【d 2 一似c o s c t ) 2 】 “一面面厂 r 2 1 6 ) r 2 1 7 ) 如果滚动轴承在外圈滚道上存在损伤类缺陷，则会产生频率为，0 的脉冲冲击； 如果滚动轴承在内圈滚道上存在损伤类缺陷，则会产生频率为凡的脉冲冲击；如果 滚动轴承的滚动体上存在损伤类缺陷，则会产生频率为允的脉冲冲击：因此岛、丘、 允又称为缺陷频率。 2 2 共振解调的基本原理 在图2 5 所示的阻尼弹簧振动系统中，系统的固有频率可由下式求得 、胆 y m ( 2 1 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 在系统平衡状态下，如果向系统施加一千扰力f ( t ) 一