基于包絡(luò)分析法的軸承故障分析

摘 要：滾動(dòng)軸承是應(yīng)用最為廣泛的、也是最易損壞的旋轉(zhuǎn)機(jī)械零件之一，其狀態(tài)影響著整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷一直為大家所重視。本文主要對(duì)故障診斷平臺(tái)所采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換和包絡(luò)譜的處理，然后在頻率和幅值的基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)速坐標(biāo)，形成瀑布圖，從而能直觀地看出來(lái)轉(zhuǎn)速與軸承故障特征頻率的相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障；診斷；包絡(luò)分析；瀑布圖

0 前言

機(jī)械設(shè)備在工作時(shí)，普遍存在的運(yùn)動(dòng)方式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)軸，而軸又需要固定在相應(yīng)的支座上。雖然我們可以通過(guò)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，提高軸與支座的耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命，但從經(jīng)濟(jì)效益考慮，在軸與支座之間增加一個(gè)固定裝置即軸承，乃首選方案。

1 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障

滾動(dòng)軸承是目前應(yīng)用較為普遍的軸承，它一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。另外具體到不同類型的軸承，還有其它組成，如鉚釘、密封圈、緊固套、防塵蓋和止動(dòng)墊圈等。其中內(nèi)圈多數(shù)與軸固定在一起旋轉(zhuǎn)，外圈固定在支座上，起到支承作用。少數(shù)情形如車(chē)輪的輪轂與車(chē)軸配合用的軸承，內(nèi)圈與軸固定不動(dòng)，外圈與輪轂裝配在一起并進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)。若軸承的某個(gè)零件出現(xiàn)損傷時(shí)，這些振動(dòng)信號(hào)同時(shí)也包含了相關(guān)的故障信息。通過(guò)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換后，再利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析處理，從而確定故障的部位，這種方法稱為振動(dòng)檢測(cè)方法。

以內(nèi)圈作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)軸承為例，當(dāng)軸承外圈滾道受力處的接觸面因疲勞剝落故障有一個(gè)局部缺陷時(shí)，滾動(dòng)體每經(jīng)過(guò)一次缺陷處，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊振動(dòng)，振動(dòng)方向?qū)?yīng)的傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間短、形狀陡峭的低頻脈沖。假定滾動(dòng)體在滾道上作純滾動(dòng)，同時(shí)外圈滾道上有一處局部缺陷，得出不同元件上存在缺陷時(shí)信號(hào)的特征頻率的簡(jiǎn)易計(jì)算公式。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是用江蘇某工程有限公司研制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析及故障診斷試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共用到三個(gè)加速度傳感器，構(gòu)成三個(gè)通道。傳感器均布置在有故障軸承一側(cè)，其中在軸承徑向布置兩個(gè)傳感器，軸向布置一個(gè)傳感器。

所用軸承的具體型號(hào)：無(wú)故障軸承型號(hào)是NJ205E；內(nèi)圈故障軸承型號(hào)是NU205EM。由特征頻率公式計(jì)算出滾動(dòng)軸承的特征頻率：fi=0.087n。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)行無(wú)故障軸承及內(nèi)圈缺陷軸承的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量時(shí)的轉(zhuǎn)速?gòu)?19 RPM開(kāi)始，逐漸增加到1 177 RPM左右，平均取110個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)均在空載狀態(tài)下進(jìn)行。采樣頻率由設(shè)備配套的軟件進(jìn)行設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的采樣頻率為10 000 Hz，三個(gè)通道每個(gè)通道采集40 960個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以TXT格式的文件保存。

3 數(shù)據(jù)分析

取得不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)后，用Matlab相關(guān)函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，分別對(duì)每個(gè)通道實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)后，進(jìn)行傅里葉變換，以頻率和轉(zhuǎn)速為坐標(biāo)軸，畫(huà)出相應(yīng)的瀑布圖。

3.1 無(wú)故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

對(duì)無(wú)故障軸承實(shí)驗(yàn)三個(gè)通道所得數(shù)據(jù)利用Matlab程序進(jìn)行信號(hào)處理，運(yùn)行得到的瀑布圖中可以看出，無(wú)故障旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工作過(guò)程中，運(yùn)行基本平穩(wěn)。對(duì)豎直方向和軸向而言，轉(zhuǎn)速提高后信號(hào)更穩(wěn)定，振動(dòng)較?。晦D(zhuǎn)速對(duì)水平方向影響不大。

3.2 軸承內(nèi)圈故障的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)滾動(dòng)軸承特征頻率的計(jì)算公式分別計(jì)算各個(gè)轉(zhuǎn)速下的特征頻率，并對(duì)軸承內(nèi)圈故障實(shí)驗(yàn)三個(gè)通道所得數(shù)據(jù)利用Matlab程序進(jìn)行信號(hào)處理。

軸承的內(nèi)圈有故障時(shí)，理論分析可知故障頻譜圖應(yīng)該有明顯的故障特征頻率，以及明顯的二倍、三倍故障頻率，并且伴有邊頻和依次衰減，還應(yīng)有一倍轉(zhuǎn)頻，二倍轉(zhuǎn)頻。轉(zhuǎn)速較低（519 RPM至688 RPM）時(shí)，故障特征頻率處的幅值不明顯；當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)（878 RPM至1 046 RPM）能看到故障特征頻率的倍頻以及邊頻。由于測(cè)量轉(zhuǎn)速的不精確及某些信號(hào)的干擾等因素，信號(hào)圖的特征頻率會(huì)存在一定的誤差。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別采集不同轉(zhuǎn)速下無(wú)故障及內(nèi)圈故障工況的振動(dòng)信號(hào)，利用數(shù)學(xué)信號(hào)處理方法進(jìn)行分析。并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論分析進(jìn)行比較，結(jié)果比較滿意。目前對(duì)于以下問(wèn)題還需要進(jìn)行深入的研究。主要包括：（1）在本論文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，是根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)采集，不能確保時(shí)間完全相同，希望今后硬件軟件方面進(jìn)行改進(jìn)，以確保采集時(shí)間或者采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)相同，以便對(duì)比分析。（2）本論文中軸承均是人為單一故障，深入研究實(shí)際中有兩個(gè)及以上的多故障并存的滾動(dòng)軸承是今后繼續(xù)努力的一個(gè)方向。（3）基于分?jǐn)?shù)小波變換的聯(lián)合對(duì)角化方法應(yīng)用于軸承故障診斷。

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作者簡(jiǎn)介：

周記紅（1981-），男，2012年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)車(chē)輛工程專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)就職于遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車(chē)車(chē)輛系，專業(yè)課教師。