基于小波包络的重载货运列车滚动轴承振动故障诊断优秀毕业论文.pdf

分类号 u dc 密级 编号 午 匆大学 c e n t r a ls o u t hu n 工v e r si t y 硕士学位论文 论文题目基于小波一包络的重载货运 列车滚动轴承振动故障诊断 学科 专业控制科学与工程 研究生姓名缪荣松 导师姓名及 专业技术职务鲁五一教授 20 11 年5 月 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论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经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 馒壶毖日期 竺1 年 月蛳 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位 论文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论 文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 储签名 粤丛翩签名盏 日期 衄年自卫日 i 摘要 滚动轴承作为重载货运列车的重要部件 其工作状态直接影响到 货车列车的提速和安全运行 滚动轴承发生故障时 一般为磨损故障 和损伤类故障 磨损故障是由于轴承磨损造成零件间隙逐渐变大 振 动加强 这是一类渐变性的故障 振动波形变化缺乏规律 具有较强 的随机性 但通频带的振动幅值变化量往往能清晰地反映磨损的严重 程度 损伤类故障是指当轴承元件滚过表面损伤点时 就会产生一个 突变的冲击脉冲力 引起轴承和机械设备的共振 这是损伤类故障的 基本特征 磨损类故障一般是一个比较长的发展过程 可以采取定期 的轴承振动总量监测 进行趋势分析作状态预报 而损伤类故障是一 种具有较强突发性而又比较危险 早期故障症状又比较难识别的一类 故障 并且是进行故障诊断时重点研究方向 事实上 滚动轴承产生 故障时 由于轴承元件受到刚度非线性 接触摩擦 零件间隙和外载 荷等的影响 其振动信号往往会表现为非平稳特征 因此 如何从非 平稳振动信号中提取滚动轴承故障特征信息 是滚动轴承的故障诊断 中的重中之重 针对滚动轴承故障振动信号的非平稳特性 结合小波变换 h i l b e r t 变换 包络谱细化分析的优点 提出先将压电式加速度传感器 采集的轴承振动信号进行d b l o 小波滤波重构 对滤波重构信号进行 h i l b e r t 变换得到包络信号 最后对包络谱细化得到振动幅值谱图 根 据细化后的幅值谱图判别轴承故障的小波一包络分析方法 并通过仿 真和实验分析滚动轴承的故障 验证理论分析的正确性 所提出的基 于小波一包络分析的重载货运列车滚动轴承振动故障诊断方法同传统 的时频分析 小波变换 共振解调方法相比有所突破 诊断的速度和 准确度都有所提高 对国内重载货运列车滚动轴承故障诊断的发展有 一定的意义 经过在滚动轴承振动实验台采集的实验轴承的振动信号数据的 分析和处理 能从具有强干扰和噪声的轴承振动加速度信号中提取故 障特征 实现了滚动轴承故障诊断 关键词 滚动轴承 振动信号 非平稳 小波一包络 故障诊断 a bs t r a c t a sa ni m p o r t a n t p a r to fo v e r l o a d i n gf r e i g h tt r a i n s t h ew o r k i n gs t a t u s o fr o l l i n gb e a r i n gw i l ld i r e c t l ya f f e c t st h es p e e do ff r e i g h tt r a i n sa n d s a f e t yo p e r a t i o n t h eb e a r i n gf a u l ti sd i v i d e di n t ow e a rf a u l ta n dp a r t i a l d a m a g ec l a s sf a u l t w e a rf a u l ti sd u et ot h eb e a r i n gw e a rc a u s i n gp a r t s c l e a r a n c eg r a d u a l l yb e c o m i n gb i g g e ra n dv i b r a t i o ns t r e n g t h e n i n g t h i si s ak i n do f g r a d u a lf a u l ta n dv i b r a t i o nw a v e f o r l nl a c k so fr u l ec h a n g e sw i t h s t r o n gr a n d o m i c i t y b u tv i b r a t i o na m p l i t u d ev a r i a t i o no fp a s s b a n do f t e n c l e a r l yr e f l e c t st h ew e a rs e v e r i t y d a m a g ec l a s sf a u l tm e a n st h a tw h e n b e a r i n g sc o m p o n e n t sr o l l e dt h es u r f a c eo fd a m a g ep o i n t s i tp r o d u c e sa m u t a n ts h o c k p u l s ef o r c ea n dc a u s e sr e s o n a n c eo fb e a r i n ga n dm e c h a n i c a l e q u i p m e n t w e a rc l a s sf a u l ti sg e n e r a l l yar e l a t i v e l yl o n gd e v e l o p m e n t p r o c e s s a n dw ec a nd os t a t ef o r e c a s tt h r o u g ht h et o t a lr e g u l a r l yb e a r i n g v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n dt r e n da n a l y s i s d a m a g ec l a s sf a u l th a ss t r o n g s u d d e na n dr e l a t i v e l yr i s k a n di t s e a r l yf a u l ts y m p t o m si sd if f i c u l tt o i d e n t i f y i ti sak e yr e s e a r c hd i r e c t i o no ff 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 s o ft h ef a u l tb e a r i n gp e r f o r m a n c ef o rn o n s t a t i o n a r yf e a t u r e sb e c a u s eo f s t i f f n e s sn o n l i n e a r c o n t a c tf r i c t i o n p a r t sc l e a r a n c ea n dt h el o a di nf a c t t h e r e f o r e h o wt oe x t r a c tf a u l t c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no fr o l l i n g b e a r i n gf r o mt h en o n s t a t i o n a r yv i b r a t i o ns i g n a li st h et o pp r i o r i t yo f r o l l i n gb e a r i n gf a u l td i a g n o s i s a c c o r d i n g t o n o n s t a t i o n a r y c h a r a c t e r i s t i c so ff a u l t r o l l i n g b e a r i n g sv i b r a t i o ns i g n a l w ep u tf o r w a r dw a v e l e te n v e l o p m e n tm e t h o d w h i c hc o m b i n e sw i t ha d v a n t a g e so fw a v e l e tt r a n s f o r m t r a n s f o r m a t i o n e n v e l o p es p e c t r u m f u r t h e r a n a l y s i s f i r s tb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l c o l l e c t e db yt h ep i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r si sp r o c e e d e db yf i l t e r r e c o n s t r u c t i o n u s i n g d bl0w a v e l e t t h e nt h e r e c o n s t r u c t i n gs i g n a l i s p r o c e e d e db yh i l b e r tt r a n s f o r mt oo b t a i ne n v e l o p es i g n a l f i n a l l yw e o b t a i na m p l i t u d es p e c t r u md i a g r a ma f t e re n v e l o p es p e c t r u mr e f i n i n g a c c o r d i n g t ot h e r e f i n i n ga m p l i t u d es p e c t r u md i a g r a m w e c a n d i s t i n g u i s ht h eb e a r i n gf a u l t w ev e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a l a n a l y s i st h r o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fr o l l i n g u b e a r i n gf a u l ts i g n a l w ep u tf o r w a r dar e l o a d i n gf r e i g h t t r a i nr o l l i n g b e a r i n gf a u l td i a g n o s i sm e t h o d b a s e do nw a v e l e t e n v e l o p m e n ta n a l y s l s h a ss o m eb r e a k t h r o u g ha n de n h a n c e st h es p e e da n da c c u r a c yo fd i a g n o s l s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s w a v e l e t t r a n s t b r m a n dr e s o n a n td e m o d u l a t i o nm e t h o d t h i sm e t h o dh a sc e r t a i ns i g n i f i c a n c e f o rt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i co v e r l o a d e df r e i g h t t r a i n sr o l l i n gb e a r i n g f a u l td i a g n o s i s t h r o u g hp r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a ld a t ao fr o l l i n g b e a r i n gv i b r a t i o nt e s tb e n c h f a i l u r es y m p t o mc a n b ee x t r a c t e dt r o m b e a r i n gv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lw i t hs t r o n gi n t e r f e r e n c ea n d n o l s e t h i sm e t h o dr e a l i z e st h er o l l i n gb e a r i n gf a u l td 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 b r a t i o ns i g n a l n o n s t a t i o n a r y w a v e l e t e n v e l o p e f a u l td i a g n o s i s 1 1 1 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 i v 第一章绪论 l 1 1 论文选题的背景 目的及意义 l 1 2 滚动轴承故障诊断的研究现状及发展方向 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 3 1 2 3 滚动轴承故障诊断的发展方向 4 1 2 4 传统特征参数提取方法的缺陷 4 1 3 本文的主要工作 5 第二章滚动轴承故障诊断基础 7 2 1 滚动轴承的振动机理 一7 2 2 滚动轴承特征频率 固有频率及频谱结构 一9 2 2 1 特征频率 9 2 2 2 固有频率 一1 2 2 2 3 频谱结构 1 2 2 3 滚动轴承振动信号的监测 1 3 2 3 1 选择测量的位置 方向及测量参数 1 3 2 3 2 确定测奄周期 1 4 2 3 3 确定测量标准 1 4 2 4 滚动轴承振动信号的常规故障特征提取方法 l5 2 4 1 概率密度分布 15 2 4 2 时域参数分析 l5 2 4 3 频域参数分析 l7 2 4 4 频域分析 1 7 2 4 5 时频分析 2 0 2 5 本章小结 2 3 第三章小波变换理论及其在信号处理中的应用 2 4 3 1 引言 2 4 3 2 基本理论 2 5 3 2 1 小波分析 2 5 3 2 2 小波包分析 2 6 3 2 3 常用小波函数 2 7 3 2 4 多分辨率分析及m a l l a t 算法 2 8 3 2 5 信号重构中的应用 31 3 3 小波包降噪处理及信号特征提取 3 2 i v 3 3 1 信号的阈值降噪 3 2 3 3 2 信号的小波包能量特征提取 一3 3 3 3 3 小波降噪的仿真研究 一3 4 3 4 本章小结 3 5 第四章包络分析技术在滚动轴承故障诊断中的应用 3 6 4 1 包络分析技术 3 6 4 2h i l b e r t 变换的定义及解调原理 3 7 4 2 1h i l b e r t 变换的定义 3 7 4 2 2 希尔伯特解调原理 3 9 4 3 细化包络谱基本原理 3 9 4 4 仿真信号的处理 一4 l 4 5 本章小结 4 3 第五章滚动轴承振动实验与仿真 4 4 5 1 实验方案 4 4 5 1 1 滚动轴承实验台 4 4 5 1 2 测试轴承 4 5 5 1 3 数据采集系统 一4 6 5 1 4 操作流程 一4 7 5 2 实验仿真分析 4 8 5 2 1 正常轴承 一4 8 5 2 2 外圈点蚀轴承 4 9 5 2 3 内圈点蚀轴承 一5 1 5 2 4 滚动体点蚀轴承 5 3 5 2 5 磨损轴承 一5 4 5 3 本章小结 5 6 第六章结论和展望 5 8 6 1 结论 5 8 6 2 下一步的工作 5 8 参考文献 6 0 致谢 6 4 攻读硕士学位期间科研完成情况 一6 5 v 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 第一章绪论 1 1 论文选题的背景 目的及意义 本论文以8 6 3 计划 基于无线传感器网络的重载铁路货运车辆危险状态监测 系统研究与应用 这一课题为研究背景 对滚动轴承振动信号故障诊断方法进行 研究 并对滚动轴承振动实验平台进行了实验方案设计和仿真分析 对滚动轴承 故障诊断领域深入研究 近几年随着铁路重载货运列车载运量不断增长和提速 货运车辆运行中危险 状态逐渐增多 严重影响了重载货运的安全 从列车重载运输的发展方向看 货 运列车在途运行故障将成为影响列车运行安全的关键因素 由于货运列车运行故 障非常复杂 并且实例再现困难 目前对重载货运列车运行滚动轴承危险状态的 研究大都集中于纯理论研究和仿真试验研究方面 尽管取得了大量的研究成果 但这些理论成果很难在实际货运列车上得到有效验证 现实要求理论和现场实践 研究结合起来 紧密联系 但由于货物列车车厢不能提供稳定电源及需要频繁解 编组 一些成熟的监测手段和正在重点建设的5 t 系统都难以运用到重载货物列 车运行状态的实时监测中 现有故障检测方法通常是地面设备对运行列车的动态 检测 需要沿铁路干线建立众多监测点 这样就存在检测死区 而且列车运行过 程中有些工作状态地面检测装置无法监测 故存在较大的技术缺陷 本课题拟通 过对滚动轴承现有检测手段和方法两方面来研究车载式铁路重载货运车辆运行 危险状态的检测方法 滚动轴承作为重载货运列车的重要部件 其工作状态直接影响到货车车辆提 速和安全运行 滚动轴承发生故障时 一般为磨损故障和损伤类故障 磨损故障 是由于轴承磨损造成零件间隙逐渐变大 振动加强 这是 类渐变性的故障 振 动波形变化缺乏规律 具有较强的随机性 但通频带的振动幅值变化量往往能清 晰地反映磨损的严重程度 损伤类故障是指当轴承元件滚过表面损伤点时 就会 产生一个突变的冲击脉冲力 引起轴承和机械设备的共振 这是损伤类故障的基 本特征 磨损类故障一般是一个比较长的发展过程 可以采取定期的轴承振动总 量监测 进行趋势分析作状态预报 而损伤类故障是一种具有较强突发性而又比 较危险 早期故障症状又比较难识别的一类故障 并且是进行故障诊断时重点研 究方向 轴承元件存在刚度非线性 接触摩擦 零件间隙及其外载荷 故障轴承 的振动信号为非平稳信号 把故障特征信息从非平稳的振动信号中提取出来 是 滚动轴承的故障诊断中的重点和难度l l j 传统频谱分析方法以快速傅里叶变换为 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 核心 主要适用于平稳信号的特征提取 但对非平稳信号分析处理时其结果失去 了物理意义 2 3 而小波变换尽管能够同时提取信号时域和频域的局部信息 但 其本质只是窗口可调的f o u r i e r 变换 而小波基长度有限 因此对信号时频分析 时 会产生一定的能量泄露 4 引 针对滚动轴承故障振动信号的非平稳特性 结合小波变换 h i l b e r t 变换 包络谱细化分析的优点 提出先将压电式加速度传感器采集的轴承振动信号进行 d b l 0 小波滤波重构 对滤波重构信号进行h i l b e r t 变换得到包络信号 最后对包 络谱细化得到振动幅值谱图 根据细化后的幅值谱图判别轴承故障的小波一包络 分析方法 并通过仿真和实验分析滚动轴承的故障 验证理论分析的正确性 试 验了基于小波一包络分析的重载货运列车滚动轴承振动故障诊断新的方法 同传 统的时频分析 小波变换 共振解调方法相比有所突破 诊断的速度和准确度都 有所提高 对国内重载货运列车滚动轴承故障诊断的发展有一定的意义 1 2 滚动轴承故障诊断的研究现状及发展方向 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代中期 受益于快速傅里叶变换 f f t 的发展 加快了轴承振 动信号的频谱分析的发展 6 0 年代末期 瑞典s p m 仪器公司开发的冲击脉冲计 能够诊断轴承早期损伤类故障 7 1 9 7 4 年 美国波音公司的d r h a t t i n g 捧j 发明的 共振解调系统 能够诊断出轴承正常与否 而且可以准确判断出故障部位和 程度 可更加有效地应用于轴承早期损伤类故障诊断 7 0 年代新日铁株式会社研制了m c v 0 2 1 a 机器检测仪 可分别对轴承各频 段的异常信号进行检测 9 1 8 0 年代日本精工公司 n s k 相继研制成功轴承监视 仪n b 1 n b 2 n b 3 n b 4 型 测量1 k h z 1 5 k h z 范围内的轴承振动信号 利用求取的m r s 值和峰值来检测轴承故障l l o l 随着对货运列车轴承的运动学 动力学 振动信号频谱结构 轴承故障特征频率的深入研究 快速傅里叶变换技 术 f f t 的发展 信号处理技术广泛应用于货运列车轴承的故障诊断和监测 特 别是时频分析 频率细化技术 f f t f t 1 1 1 倒频谱 1 2 包络谱 相干波 1 3 1 自适应滤波 1 4 1 使诊断的准确度和灵敏度大大提高 8 0 年代后期 小波变换得到了快速发展 小波变换能够提取信号在时域和频 域的局部信息 并且拥有可变的时频窗和多分辨率特性 更适合处理非平稳信号 故具有 数学显微镜 的美誉 在机械设备故障诊断中广泛应用 n i k o l a o ung 等 1 5 提出了使用小波包变换 w p t 分析系统振动信号来诊断轴承的局部缺陷 j p i n e y r o 等 1 6 采用h a a r 小波提取滚动轴承早期故障信号 在振动信号分析方面 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 d a v i db r i e 把滚动轴承简化为线性时变模型 揭示了轴承发生故障时的振动信号 规律1 1 7 j g k c h a t u r v e d i 和d w t h o m a s 在对滚动轴承的故障诊断中采用自适应 降噪技术 a n c 进行统计分析及谱分析中 使故障诊断更加有效 1 8 1 d c b a i l l i e 和j m a t h e w 分析了滚动轴承的3 种自回归模型在故障诊断中的应用 并研究了采 样长度对振动信号分析结果的影响 1 9 1 j p d r o n 等采用时序分析 大大提高了滚 动轴承故障监测的分辨率 2 m o r ik 等对轴承的振动信号采用离散小波变换分解 基于小波变换系数的 变化能成功在线诊断轴承的早期疲劳剥落故障 2 l l r u b i n ir 和m e n e g h e t t iu 利 用包络解调的方法提取时域信号中所包含的轴承内环 外环及滚动体的早期微弱 故障信息 求取故障特征频率 并研究了载荷对测量结果的影响圈 1 2 2 国内研究现状 目前国内许多单位和个人对滚动轴承的振动信号进行故障诊断方面的研究 以铁道科学研究院车辆所为主体 先后研制成功j l 2 0 1 j s c 2 0 6 机车轴承诊断 仪 2 3 1 j l 5 0 1 机车轴承动态诊断系统 2 4 1 j l 6 0 1 机车走行部诊断系统 2 5 几 6 0 1 a 机车走行部诊断系统 2 6 1 并分别应用于1 4 个铁路局 6 0 8 所在广铁株洲 车辆段研制了轴承故障振动分析系统 可用于货车滚动轴承的定期检测 2 7 1 北 京磁通设备制造公司及西马力检测仪器公司等也研制了数种滚动轴承故障诊断 设备1 2 引 这些设备大都采用共振解调即包络分析技术提取故障特征信号 实现 对轴承的检测 孟庆峰和屈梁生1 2 9 j 在国内较早地采用w i g n e r 分布用于轴承故障诊断 赵学 智 陈统坚等1 3 0 j 探讨了采用小波包方法提取滚动轴承早期微弱故障信号 检测 滚动轴承的早期故障 赵纪元等对齿轮箱的滚动轴承微弱振动信号采用小波包自回归谱技术进行 分析 提取了该轴承的特征故障 诊断出早期缺陷 3 1 j 徐刚等对在变工况下的 测得的振动信号进行瞬时功率谱和遗传基因方法分析处理 生成故障识别特征参 数 用于滚动轴承的故障诊断 3 2 j 苏文斌等利用高阶谱对轴承振动信号分析 提取非线性涡合特征 解决了传统线性方法无法解决的问题 3 3 1 张文明等利用 滚动轴承振动信号时域序列的自相似性 通过重构振动信号对应的相嵌入空间序 列 得到分维数 并表明可以作为滚动轴承的特征量 3 4 祝海龙和屈梁生对采集的故障轴承振动信号采用神经网络的自组织包络解 调 s o e d 算法 提取出故障特征 显示了神经网络算法的突出优点 3 5 1 张中民 等提出了应用正交小波一包络细化谱分析方法对滚动轴承进行故障诊断 3 6 何晓 霞等采用连续小波分析的方法分别提取了正常和内圈 外圈及滚动体剥落的故障 3 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 特征 3 7 1 唐英和孙巧采用小波奇异性分析原理对采集的轴承振动信号抑制或小 消除噪声 对损伤类故障具有较高的诊断灵敏度和分辨率例 徐玉秀等采用极 大熵谱法功率谱分析对滚动轴承故障进行了定性诊断 提高了滚动轴承的故障诊 断的可靠性 3 9 朱利民等采用短时分析方法在低信噪比情况下 提取了滚动轴 承振动信号中周期性故障信号特征 4 0 1 林京和屈梁生采用连续小波变换建立小 波熵 可识别滚动轴承滚道缺吲4 1 1 傅勤毅等对轴承信号采用无频带错位的小 波包算法实现了滚动轴承的故障特征信号提取 信噪比较高 4 2 1 吕志民等采用 分形维数描述滚动轴承在不同状态下的非线性行为 结果表明不同故障状态下的 滚动轴承的分形维数明显不刚4 引 1 2 3 滚动轴承故障诊断的发展方向 滚动轴承故障诊断是一门综合性技术 是一门发展的学科 随着科技的突飞 猛进 很多涌现出的新理论 方法和技术丰富了故障诊断的内容 近年来发展起 来的影响较大的有专家系统系统 模糊诊断法 神经网络理论 极大地推进了故 障诊断进步 专家系统就是一个庞大的智能的计算机程序 一个实用的故障诊断系统结构 包括知识库 数据库 推理机 人机接口 解释程序和知识获取程序 它能模拟 专家处理问题时采用的一些推理方法 利用先验知识建立模型并解决问题 采取 基于知识的专家系统对滚动轴承故障的诊断和决策分析 结果更加准确可靠m j 滚动轴承振动信号中 故障特征与故障类型没有绝对的对应关系 一种故障 可能表现出多种特征 而一种故障特征又可能对应多个故障 模糊诊断法主要用 到了模糊综合评判 模糊模式识别等模糊数学方法 滚动轴承诊断概念是模糊概 念 可以用模糊集合来表示 而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的 4 引 滚动轴承故障诊断要求实现故障定位 进而确定故障的严重程度 由于神经 网络能够处理复杂多模式信息并具有联想 推测和记忆的功能 因而近年来在故 障诊断领域广泛应用l 4 6 j 滚动轴承作为重载货运列车的重要部件 其工作状态直接影 f i n n 车的提速 和安全运行 r o b i nc l a r k 指t 4 n 未来在铁路行业中要实现对每列列车的连续 监测 而不像现在的预防或定期检修 1 2 4 传统特征参数提取方法的缺陷 滚动轴承发生故障时 会引起轴承振动异常 时域参数发生变化 时域参数 监测只能判断轴承是否有故障 但不能精确诊断出轴承故障的部位 功率谱分析 4 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 可以诊断出滚动轴承由于安装故障或加工误差故障的故障特征 但不适合轴承损 伤类故障信号的特征提取 局部损伤类故障引起的冲击振动持续时间很短 而覆 盖的频宽又比较大 其低频特征振动的能量微弱 值得注意的是 功率谱分析要 求信号在一定的频宽内的故障特征成分能量较为集中 4 8 1 共振解调法即包络分析法常用于提取滚动轴承局部损伤类故障特征 但是基 于f o u r i e r 变换的包络分析法存在以下局限性 4 9 1 一是传统的滤波方法无法提取损伤类故障激起的特征信号 二是需要预先对带通滤波器的中心频率和滤波带宽等参数进行设定 不同设 备中轴承系统各部件固有频率相差很大 要预先设定固有频率非常困难 滤波带 宽太大降低消除效果 反之可能会漏掉高频固有振动的中心频率 无法进行故障 的诊断 其三 预先设定滤波频带具有局限性 研究结果表吲5 0 l 滚动轴承早期损 伤类故障所引起的系统共振频率并不固定 故障的不同阶段可能激起不同部件的 共振响应 而不同部位 外圈 内圈 滚动体 的故障也会激起不同部件的共振响 应 故障形态不同 也会激起不同部件的共振响应 因为不同形态的故障 如产 生的裂纹形状和方向不同 发生剥落处的大小和形状不同 会引起冲击效应的波 形发生很大变化 从而使频率结构变化很大 综上 传统的故障特征提取方法都有一定的缺陷 为实现滚动轴承早期损伤 类故障的诊断 本文设计了基于小波一包络的重载货运列车滚动轴承诊断方法 1 3 本文的主要工作 本文经过广泛查阅文献 理解滚动轴承故障诊断 掌握振动信号分析的基础 上 结合实验室滚动轴承振动实验平台 研究了基于小波一包络的重载货运列车 滚动轴承的振动故障诊断方法 主要做了以下方面的工作 1 详细地阐述了货运列车滚动轴承故障诊断的研究背景 现状 发展方 向 意义及本文的研究目的 2 分别介绍了滚动轴承的振动机理 故障特征频率 固有频率 频谱结 构 振动信号的监测方法及故障特征常规提取方法 3 详细分析了小波变换理论在信号处理中的应用 介绍了小波分析 小 波包分析的基本原理 常用小波函数 多分辨率分析及m a l l a t 算法 小波包降噪 处理和信号的故障特征提取 4 详细分析了包络分析在滚动轴承故障诊断中的应用 介绍了包络分析 的基本原理 h i l b e r t 变换的定义及基于h i l b e r t 的包络解调原理 细化包络谱基 本原理 包络分析技术对仿真信号的处理 硕士学位论文 第二章滚动轴承故障诊断基础 5 先对滚动轴承振动实验平台进行了实验方案的设计 依次对滚动轴承 实验台 测试轴承 数据采集系统 操作流程进行了详细介绍 然后分别对正常 轴承 外圈故障轴承 内圈故障轴承 滚动体故障轴承以及磨损轴承的振动信号 进了了仿真分析 针对滚动轴承故障振动信号的非平稳特性 结合小波变换 h i l b e r t 变换 包络谱细化分析的优点 先将压电式加速度传感器采集的轴承振 动信号进行d b l 0 小波滤波重构 对滤波重构信号进行h i l b e r t 变换得到包络信号 最后对包络谱细化得到振动幅值谱图 根据细化后的幅值谱图判别轴承故障 来 验证理论分析的正确性 6 最后 对本文的主要研究工作做了简要总结 并对下步的工作做了展 望 6 硕士学位论文 第二章滚动轴承故障诊断基础 第二章滚动轴承故障诊断基础 作为重载货运列车轮对中最易损坏的重要部件 滚动轴承的工况为 高d n 值 高温以及润滑比较困难 滚动轴承运行状态好坏直接影响到铁路重载货运列 车的运行安全 据统计 机械设备故障的7 0 是振动故障造成的 约3 0 的旋 转机械设备故障是由滚动轴承损坏导致的 滚动轴承的工况特点决定了其失效的 损伤成因与失效模式复杂多样 失效模式不同 振动特性也不同 因此必须先对 滚动轴承的振动信号进行分析处理 提取出故障特征 进而准确地进行故障诊断 下面就滚动轴承的振动机理 特征频率 固有频率 频谱结构 振动信号的 监测方法和故障提取方法作简要介绍 2 1 滚动轴承的振动机理 滚动轴承外圈与轴承底座或机壳固定或相对固定联接 内圈与传动轴联结 随传动轴一起运转 由于轴承结构 装配误差及运行中元件故障等内部因素 以 及其它零部件的外部因素 当转速和载荷一定时 传动轴 轴承 轴承底座组成 的轴承系统将产生激励振动 引起滚动轴承振动的激励很多 因此其运行过程中 的振动和噪声信号非常复杂 轴承本身 固有振动 与轴承精度 有关的振动 轴承不妥处 引起振动 引起振动 滚动体通过振动 卜一 套圈固有频率 轴承弹性引起的振动 表面波纹度引起振动 保持架振动 杂质引起的振动 分布类缺陷 磨损等 局部损伤类缺陷 点蚀等 振动卜 叫噪音 轴承回转 夕p 部激自i d 图2 1 轴承系统的振动传递路径 如图2 1 所示 根据振动机理不同滚动轴承的系统振动大致可以分为 7 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 1 轴承本身固有振动 由于轴承是弹性变形物体 承受载荷时 承载区的 滚动体的数量和位置不断发生变化 引起轴承系统的总体刚度发生变化 导致柔 度变化振动 这种弹性振动与轴承的工作状态没有关系 2 与轴承加工精度有关的振动 加工中轴承各元件难免出现加工误差 如 表面波纹等 也引起轴承振动 3 轴承不妥处理或存在缺陷引起的振动 滚动轴承故障样式及成因非常复杂 具体见表2 1 袁2 1 滚动轴承故障形式及成因 损伤形式 损伤原因损伤特征损伤结果 1 轴向载荷过大 i 向心轴承的滚道仅一侧表面剥落 2 轴向载荷过大 对中不良 2 双列轴承的滚道仅一侧表面剥落 3 保持架的圆度误差太大 制造原因 3 滚动体及滚道接触边缘剥落 使滚动体或滚道 4 装配不当 对中不良 轴弯曲 4 滚动体的周围方向在对称位置上有 表面产生剥坑 疲 5 保持架精度不高 制造原因 剥落 并向大片剥落发 劳 6 安装时冲击载荷过大 圆柱滚子轴 5 深沟球轴承滚道的斜向表面产生剥 胀 导致轴承失 承的装配过盈量太大 落 效 7 对中不良 润滑不良 6 滚子轴承的滚道和滚动体靠近端部 8 间隙过小 载荷过大 润 处表面产生剥落 滑不良 预压过大 7 受力表匝较大面积压光和微观剥落 8 滚道面和滚动体早期出现表面剥落 f 9 装配后轴承早期出现表血 剁落 i 润滑不良 润滑脂过硬 启动时加速 1 滚道面和滚动体表面出现胶合 导致表面烧伤 胶 度太大 2 深沟球轴承的滚道面出现螺旋 并使金属从一个 厶 2 滚道面不平行 转速过局 状胶合 表面粘附到另一 口 3 润滑小良 装配 1 i 当 转向载荷过大 3 滚子端面和挡边外 j j 现胶合 表面 1 运输中轴承受到振幅很小的摇 i 类似静压痕 磨 摆运动的作用 2 在配合面一 出现红褐色磨损粉 2 配合面问有微小间隙造成的滑 末的局部磨损 损伤轴承 降低 损 动磨损 3 滚道面 滚动体面 凸缘面 轴承运转精度 3 异物荡入 润滑不良 对中不 保护架等磨损 良 装配不当 4 圆锥滚子轴承挡边磨损过大 烧 装配不当 润滑不良 滚道面 滚动体面 挡边面变色 表面局部化 伤 软化 熔体降低使用寿命 腐 i 轴承内部配合面等锈蚀 1 空气中水分的凝结 腐蚀性介质 表面电流 化学 蚀 2 滚动面上出现搓板状凸凹 侵入 和机械作用产生 3 表面红色或黑色的锈斑 2 电流通过产生电火花熔化 损伤 丧失精度 3 微振 装配不当 而不能继续工作 1 冲击载荷过大 装配不当 胶合发 导致产生裂纹 破 展 1 外环或内环产生裂纹 断裂 使轴承 2 冲击载荷 热处理不当 制造原 2 滚动体产生裂纹 失效 损 因 装配不当 胶合发展 3 保持架断裂 3 对中小良 装配不当 润滑不良 异常载荷 转速过快 异物进入 压 1 静载荷过大 冲击载荷过大 异 i 滚道面上有按波动体间距分布的 导致表面凸凹 物进入 压痕 滚道面 滚道体面上有压痕 不平 降低使 痕 2 装配不当 滚道承受载荷不均匀 2 圆柱滚予轴承的滚子和滚道接触 用寿命 处有形压痕 8 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 本文主要对轴承缺陷所引起的振动信号展开研究 轴承缺陷的样式与失效原 因复杂多样 但其振动信号可分为以下两大类 局部损伤类缺陷信号和分布类缺 陷信号 分布类缺陷 如磨损 滚动轴承的振动信号与正常轴承相比除振动水平 较高外 波形上没有明显的差别 针对磨损轴承振动信号的特点 可用有效值为 故障诊断参数 图2 2 表明轴承的磨损程度和有效值随着使用时间增加而增长 有效值可以大致判断出轴承是否发生磨损故障和故障的严重程度 但无法确定故 障发生的部位 3 0 0 0 趔 较 忙 2 0 0 0 1 4 01 7 02 0 02 4 0 小时 图2 2 磨损轴承振动信号有效值随使用时间的增长 损伤点通过滚动轴承元件表面时 会产生突变的冲击脉冲力 由于该冲击脉 冲力是一个宽带信号 覆盖了轴承系统的固有振动频率 引起轴承系统共振 产 生冲击振动 这是局部损伤类故障引起轴承振动信号的主要特点 激振力导致的 振动是由多频率成分混在一起的随机振动 轴承故障特征频率为振动信号的主要 频率成分 2 2 滚动轴承特征频率 固有频率及频谱结构 2 2 1 特征频率 滚动轴承的固有频率 轴承运转时 滚动体与内外圈冲击产生振动 振动频 率为轴承各元件的固有频率 轴承固有振动频率很高 其频率范围为数千赫兹至 9 硕士学位论文 第二章滚动轴承故障诊断基础 数万赫兹 滚动轴承运转时的振动依据振动机理可分为两大类 一是正常工况下 所引起的振动 包括与轴承结构及制造工艺有关的振动 二是与轴承故障激发的 振动 1 正常滚动轴承的信号特征 这里正常是一个相对概念 例如对于普通机械 为 正常 轴承 如用在航空等精密机械上就可能被认为是 异常 轴承 即便 正常轴承也会在工作时产生振动和噪音 此外由于制造工艺 安装调试等过程中 也会引入误差 如元件表面的波纹度 粗糙度等 也会使滚动轴承在工作时产生 振动和噪声 2 故障滚动轴承的信号特性信号特性 依据振动信号特征 轴承出现的故障 也可分为两大类 一为表面损伤类故障 如点蚀 剥落 擦伤等 二为磨损类故 障 正常使用情况下 工作时间较长会出现轴承表面磨损故障 这是一类渐变性 故障 出现磨损故障后产生的振动同正常轴承的振动性质相同 表现为振动波形 无规则 具有较强的随机性 但其振动幅值非常明显地高于正常轴承 除了振动 幅值加大外没有另外的特征差别 因此诊断磨损故障可以采用振动的有效值与峰 值来判定 一般而言 磨损不会立刻引起轴承破坏 从危害程度上看远小于表面 损伤类故障 所以轴承故障诊断的重点是表面损伤类故障 从性质上看 冲击振动成分可分为以下两类 其一 轴承元件的表面损伤点在转动时反复撞击相接触的其它元件而产生低 频振动 称之为轴承的 通过振动 其发生频率由受力轴转速和轴承元件几何 尺寸决定 称为滚动轴承的故障特征 其频率一般在1 k h z 以下 其二 损伤冲击激励作用引发轴承系统相对故障特征频率的高频固有振动 其频率范围为数千赫兹至数万赫兹 特征频率可以根据滚动轴承元件尺寸和运动学工作参数计算得到龉 以向心 推力轴承为例 如图2 3 所示 对应的特征频率理论值可以通过公式计算得到 a 滚动轴承 b 球轴承的剖面图 c 滚柱轴承的剖面图 图2 3 滚动轴承结构 l o 硕士学位论文第二章滚动轴承故障诊断基础 滚动体的自转频率 滚动体的故障特征频率 石 缶 警肌刮 弘 滚动体通过内圈频率 内圈故障特征频率 厶 等 i 五一z l 2 2 滚动体通过外圈频率 外圈故障特征频率 厶 争等 l 五一彳i 2 3 保持架通过 内圈 频率 厶2 扣等 i 五一z i 2 4 保持架通过 外圈 频率 厶 扣警 l 五一z l 2 5 式中 z z 为内 外圈的通过频率 通常五 0 z n 6 0 n 为工 作转速 眈滚动体直径 绒为轴承节径 a 为接触角 z 为滚动体数量 根据滚动轴承元件尺寸和工作参数 可以分别计算出轴承各部件故障特征频 率的理论值 滚动轴承出现缺陷后 在振动频谱中会出现特征频率或其倍频的谱 峰 但实际上 谱峰的频率与理论计算值的差值并不精确地为零 这是由于滚动 体并不是纯滚动等 如实际轴承的几何参数的误差 轴承安装调试后变形 造成 的 因此在频谱图上寻觅各特征频率时 需在特征频率理论值的上下找近似的值 来做判断 一般情况下 滚动轴承以上四个部位的故障特征频率各不相同 还可以通过 测得的轴承声音信号的频率分析处理判断故障发生的准确位置 如图2 4 所示 图2 4 内圈 外圈 滚动体及保持架的故障特征频率分布 硕士学位论文 第二章滚动轴承故障诊断基础 2 2 2 固有频率 滚动轴承工作时 滚动体转动可能导致轴承元件的固有振动 轴承元件振动 的固有频率只由制造材料 构造结构 元器件尺寸及装配安装方式决定 与滚动 轴承的工作转速无关 相应的计算公式 5 1 1 如下 滚动体振动时 固有频率为 厶 晋偿 2 6 厶2 百 云 轴承内 外圈在自由状态下 径向弯曲发生振动的固有频率为 五 丽n n 2 1 瓦42 2 r r q n 4 厝 2 7 2 1 fp 以 滚动轴承为钢材材质时 其内 外圈振动的固有频率为 厶以4 呶毒 丽n n 2 面 1 p 8 式中 n 是振动阶数 z 2 3 e 是弹性模量 g p a i 是套圈横截面 的惯性矩 m m 4 p 是密度 k g m m 3 a 是套圈横截面积 m m 2 哦是套圈 横截面中性轴直径 m m g 是重力加速度 g 9 8 0 0 m m s 2 h 为圆环的厚度 2 2 3 频谱结构 图2 5 为滚动轴承系统振动信号的频谱结构 可分为以下3 个部分 5 l j 1 低频段频谱 1 k h z 以下 包括轴承的故障特征频率及因装配误差引起 的振动特征频率 理论上对低频段的谱线进行分析处理可监测出相应的轴承故 障 但是低频段信号易受干扰很大 并且故障早期时损伤的特征频率成分能量很 小 通常淹没在噪声中 因此对早期故障的诊断不适宜使用低频段信号 2 中频段频谱 1 2 0 k h z 主要包括表面损伤引起的轴承元件的固有振动 频率 受故障特征信号调制 经过滤波解调后可用来分析滚动轴承的局部损伤类 缺陷 滚动轴承产生故障时 一般在2 z f n 6 0 为轴的旋转频率 频率段存 在较明显的谱峰 此外 外界因素引起的 疋和2 疋成分的高次谐波随着频率的增 大 衰减很快 在2 z f 处已经很小 选用该频段信号对滚动轴承进行诊断可在很 大程度上减少外界因素的影响 获取信噪比较高的故障特征信号 3 高频段频谱 2 0 k h z 以上 滚动轴承局部损伤