基于Hilbert共振解調(diào)法的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷

王勇

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從共振信號(hào)中解調(diào)出故障特征信號(hào)，對(duì)故障特征頻率進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)診斷出軸承故障類(lèi)型和部位，驗(yàn)證了該損傷診斷方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；共振解調(diào)技術(shù)

1 概述

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械部件，它的運(yùn)行狀態(tài)影響整臺(tái)機(jī)器的性能，包括精度、可靠性等。同時(shí)它也是機(jī)器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對(duì)其按設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行定時(shí)維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時(shí)維修和替換，導(dǎo)致機(jī)械工作精度下降，甚至引發(fā)事故。因此對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行工況監(jiān)視與故障診斷，改傳統(tǒng)的定時(shí)維修為視情維修或預(yù)知維修，具有重要意義[1]。

滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發(fā)性，會(huì)加劇運(yùn)行時(shí)的沖擊載荷，有可能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)展為大片剝落，危害很大，因此力爭(zhēng)在局部損傷出現(xiàn)的早期，就檢測(cè)到其特征信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行定位[2，3]。

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置、軸系、加載裝置、振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置為變頻調(diào)速電機(jī)及齒輪減速箱，軸轉(zhuǎn)速可在15～748r/min之間調(diào)整。軸系包括直徑100mm的軸、1個(gè)推力軸承、1個(gè)圓柱滾子軸承和1個(gè)受測(cè)的6220型深溝球軸承。受測(cè)軸承共有三種試件，分別為無(wú)故障軸承、外圈故障軸承和內(nèi)圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內(nèi)圈上模擬出點(diǎn)蝕坑）。加載裝置通過(guò)總放大倍數(shù)為200的兩級(jí)杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由手持式轉(zhuǎn)速計(jì)、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機(jī)組成。

2.2 故障特征頻率計(jì)算

文章的實(shí)驗(yàn)分別模擬了外圈單處點(diǎn)蝕故障和內(nèi)圈單處點(diǎn)蝕故障。

可以計(jì)算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內(nèi)圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

分別對(duì)外圈故障和內(nèi)圈故障軸承的振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。

（1） 滾動(dòng)軸承外圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形經(jīng)過(guò)共振解調(diào)后的信號(hào)頻譜見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)共振解調(diào)的信號(hào)頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調(diào)法用于滾動(dòng)軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動(dòng)軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周?chē)鸁o(wú)邊頻帶譜，軸承點(diǎn)蝕故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)明顯的沖擊振動(dòng)。

（2） 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，共振解調(diào)信號(hào)頻譜見(jiàn)圖2。共振解調(diào)頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現(xiàn)了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內(nèi)圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計(jì)算所得內(nèi)圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

滾動(dòng)軸承發(fā)生局部損傷時(shí)的特征信息，通常會(huì)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生調(diào)制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從高頻共振信號(hào)中將調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，就放大和分離了故障特征信息，從而能準(zhǔn)確診斷軸承局部損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。從而說(shuō)明基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)是分析和監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承故障的有力工具。

參考文獻(xiàn)

[1]梅宏斌.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷—理論·方法·系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2006（10）.

[3]任國(guó)全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛工人，2004.endprint

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從共振信號(hào)中解調(diào)出故障特征信號(hào)，對(duì)故障特征頻率進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)診斷出軸承故障類(lèi)型和部位，驗(yàn)證了該損傷診斷方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；共振解調(diào)技術(shù)

1 概述

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械部件，它的運(yùn)行狀態(tài)影響整臺(tái)機(jī)器的性能，包括精度、可靠性等。同時(shí)它也是機(jī)器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對(duì)其按設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行定時(shí)維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時(shí)維修和替換，導(dǎo)致機(jī)械工作精度下降，甚至引發(fā)事故。因此對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行工況監(jiān)視與故障診斷，改傳統(tǒng)的定時(shí)維修為視情維修或預(yù)知維修，具有重要意義[1]。

滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發(fā)性，會(huì)加劇運(yùn)行時(shí)的沖擊載荷，有可能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)展為大片剝落，危害很大，因此力爭(zhēng)在局部損傷出現(xiàn)的早期，就檢測(cè)到其特征信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行定位[2，3]。

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置、軸系、加載裝置、振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置為變頻調(diào)速電機(jī)及齒輪減速箱，軸轉(zhuǎn)速可在15～748r/min之間調(diào)整。軸系包括直徑100mm的軸、1個(gè)推力軸承、1個(gè)圓柱滾子軸承和1個(gè)受測(cè)的6220型深溝球軸承。受測(cè)軸承共有三種試件，分別為無(wú)故障軸承、外圈故障軸承和內(nèi)圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內(nèi)圈上模擬出點(diǎn)蝕坑）。加載裝置通過(guò)總放大倍數(shù)為200的兩級(jí)杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由手持式轉(zhuǎn)速計(jì)、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機(jī)組成。

2.2 故障特征頻率計(jì)算

文章的實(shí)驗(yàn)分別模擬了外圈單處點(diǎn)蝕故障和內(nèi)圈單處點(diǎn)蝕故障。

可以計(jì)算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內(nèi)圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

分別對(duì)外圈故障和內(nèi)圈故障軸承的振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。

（1） 滾動(dòng)軸承外圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形經(jīng)過(guò)共振解調(diào)后的信號(hào)頻譜見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)共振解調(diào)的信號(hào)頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調(diào)法用于滾動(dòng)軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動(dòng)軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周?chē)鸁o(wú)邊頻帶譜，軸承點(diǎn)蝕故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)明顯的沖擊振動(dòng)。

（2） 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，共振解調(diào)信號(hào)頻譜見(jiàn)圖2。共振解調(diào)頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現(xiàn)了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內(nèi)圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計(jì)算所得內(nèi)圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

滾動(dòng)軸承發(fā)生局部損傷時(shí)的特征信息，通常會(huì)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生調(diào)制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從高頻共振信號(hào)中將調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，就放大和分離了故障特征信息，從而能準(zhǔn)確診斷軸承局部損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。從而說(shuō)明基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)是分析和監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承故障的有力工具。

參考文獻(xiàn)

[1]梅宏斌.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷—理論·方法·系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2006（10）.

[3]任國(guó)全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛工人，2004.endprint

摘 要：采用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從共振信號(hào)中解調(diào)出故障特征信號(hào)，對(duì)故障特征頻率進(jìn)行分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)診斷出軸承故障類(lèi)型和部位，驗(yàn)證了該損傷診斷方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；共振解調(diào)技術(shù)

1 概述

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械部件，它的運(yùn)行狀態(tài)影響整臺(tái)機(jī)器的性能，包括精度、可靠性等。同時(shí)它也是機(jī)器中最易損壞的元件之一。由于軸承使用壽命的離散性很大，若對(duì)其按設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行定時(shí)維修更換，則有可能使故障軸承得不到及時(shí)維修和替換，導(dǎo)致機(jī)械工作精度下降，甚至引發(fā)事故。因此對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行工況監(jiān)視與故障診斷，改傳統(tǒng)的定時(shí)維修為視情維修或預(yù)知維修，具有重要意義[1]。

滾動(dòng)軸承最常見(jiàn)的故障形式為局部損傷和磨損，主要由運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的腐蝕、疲勞、塑性變形、膠合引起。局部損傷具有突發(fā)性，會(huì)加劇運(yùn)行時(shí)的沖擊載荷，有可能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)展為大片剝落，危害很大，因此力爭(zhēng)在局部損傷出現(xiàn)的早期，就檢測(cè)到其特征信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行定位[2，3]。

2 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置、軸系、加載裝置、振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置為變頻調(diào)速電機(jī)及齒輪減速箱，軸轉(zhuǎn)速可在15～748r/min之間調(diào)整。軸系包括直徑100mm的軸、1個(gè)推力軸承、1個(gè)圓柱滾子軸承和1個(gè)受測(cè)的6220型深溝球軸承。受測(cè)軸承共有三種試件，分別為無(wú)故障軸承、外圈故障軸承和內(nèi)圈故障軸承（用電火花加工方式分別在外圈、內(nèi)圈上模擬出點(diǎn)蝕坑）。加載裝置通過(guò)總放大倍數(shù)為200的兩級(jí)杠桿給軸承施加7000N的徑向載荷。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由手持式轉(zhuǎn)速計(jì)、CA-YD-103加速度傳感器、DHF-7電荷放大器、凌華PCI-1812采集卡、工控機(jī)組成。

2.2 故障特征頻率計(jì)算

文章的實(shí)驗(yàn)分別模擬了外圈單處點(diǎn)蝕故障和內(nèi)圈單處點(diǎn)蝕故障。

可以計(jì)算出外圈故障特征頻率fout為57.09Hz，內(nèi)圈故障特征頻率fin為79.31Hz，其邊頻帶譜間隔頻率為fs=12.40HZ。

2.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

分別對(duì)外圈故障和內(nèi)圈故障軸承的振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理和分析。

（1） 滾動(dòng)軸承外圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，所測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形經(jīng)過(guò)共振解調(diào)后的信號(hào)頻譜見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)共振解調(diào)的信號(hào)頻譜可以明顯看出故障特征頻率及其倍頻。由此可看出共振解調(diào)法用于滾動(dòng)軸承局部損傷診斷的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz處有譜峰，與滾動(dòng)軸承外圈故障特征頻率57.09Hz及其2倍頻114.18Hz、3倍頻171.27Hz、4倍頻228.36非常接近。這些譜峰的幅值非常明顯，周?chē)鸁o(wú)邊頻帶譜，軸承點(diǎn)蝕故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)明顯的沖擊振動(dòng)。

（2） 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈滾道有一處點(diǎn)蝕坑時(shí)，共振解調(diào)信號(hào)頻譜見(jiàn)圖2。共振解調(diào)頻譜以0Hz（零倍頻）、80.32Hz和160.64Hz為中心，以12.45Hz為間隔出現(xiàn)了邊帶譜族。其中80.32Hz和160.64Hz與內(nèi)圈故障特征頻率79.31Hz及其2倍頻158.62很接近，12.45Hz與理論計(jì)算所得內(nèi)圈故障邊帶譜線間隔12.40Hz非常接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

滾動(dòng)軸承發(fā)生局部損傷時(shí)的特征信息，通常會(huì)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生調(diào)制作用。利用基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)，從高頻共振信號(hào)中將調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，就放大和分離了故障特征信息，從而能準(zhǔn)確診斷軸承局部損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。從而說(shuō)明基于Hilbert變換的共振解調(diào)技術(shù)是分析和監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承故障的有力工具。

參考文獻(xiàn)

[1]梅宏斌.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷—理論·方法·系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]高廣華，危韌勇，李志勇，等.Hilbert譜分析方法及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2006（10）.

[3]任國(guó)全，韋有民，鄭海起.基于小波分析的軸承故障診斷研究[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（5）.

[4]朱宜堯.SKF197726型軸承故障原因分析[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛工人，2004.endprint