基于共振解調(diào)的空氣壓縮機(jī)軸承故障診斷研究

秦嗣峰 欒 瑾

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266000）

引言

列車安全運(yùn)行是軌道交通行業(yè)的工作重點(diǎn)。滾動(dòng)軸承作為空氣壓縮機(jī)的重要零件，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)無法為列車供風(fēng)，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全。滾動(dòng)軸承雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其損傷形式多種多樣，振動(dòng)信號(hào)的頻帶非常寬廣，反映運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息的能量往往比較微弱，使得傳統(tǒng)的頻譜分析方法難以直接找出它的故障特征頻率[1-2]。共振解調(diào)法能夠利用沖擊脈沖含有寬廣頻譜的特點(diǎn)檢測故障引起的瞬態(tài)沖擊。對(duì)共振解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行Fourier 變換，通過頻譜識(shí)別特征頻率，不僅能夠判斷軸承的損傷程度，還可以確定軸承的損傷部位，從而診斷軸承故障。

本文針對(duì)空氣壓縮機(jī)滾動(dòng)軸承故障引起的周期性沖擊特征提取問題，考慮到共振解調(diào)在檢測瞬態(tài)沖擊方面的優(yōu)勢(shì)，提出了基于共振解調(diào)的空氣壓縮機(jī)滾動(dòng)軸承故障診斷方法，并應(yīng)用該方法分析了滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)信號(hào)，準(zhǔn)確診斷了滾動(dòng)軸承元件故障，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 滾動(dòng)軸承故障檢測機(jī)理

當(dāng)滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)域出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，軸承在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào)，缺陷在軸承不同的元件上，產(chǎn)生的沖擊頻率也就不同，這個(gè)頻率稱為故障特征頻率。滾動(dòng)軸承的特征頻率如下所示[3]：

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：

內(nèi)外圈相對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率：

外圈故障特征頻率：

內(nèi)圈故障特征頻率：

其中，D 為軸承滾道節(jié)徑，d 為滾珠直徑，α接觸角，Z 為滾珠個(gè)數(shù)，f0為外圈旋轉(zhuǎn)頻率（0）。

2 共振解調(diào)

共振解調(diào)的基本原理是把機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信息經(jīng)共振及解調(diào)來獲取軸承、齒輪以及其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械因故障碰撞而產(chǎn)生的沖擊信息[4]。當(dāng)設(shè)備元件出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)行過程中將與其他元件發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生沖擊脈沖。由于沖擊脈沖的頻帶較寬，必然包含設(shè)備元件、傳感器等各自固有頻率激發(fā)的高頻固有振動(dòng)?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)象，利用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將高頻固有振動(dòng)分離出來，然后通過包絡(luò)檢波去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)。通過對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析即可診斷出設(shè)備故障。

共振解調(diào)的具體過程如下：

（1）選擇結(jié)構(gòu)某一固有頻率作為帶通濾波器的中心頻率，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。

（2）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理，獲得低頻包絡(luò)信號(hào)。

（3）對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷故障。

3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)說明

為模擬滾動(dòng)軸承元件的局部損傷，選擇實(shí)驗(yàn)用滾動(dòng)軸承型號(hào)為ER10K，參數(shù)見表1。并且在滾動(dòng)軸承的外圈、內(nèi)圈分別加工了局部損傷。實(shí)驗(yàn)中，將加速度傳感器置于軸承座的正上方，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1200 r/min，采樣頻率為20 kHz。根據(jù)軸承的參數(shù)，按式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分別計(jì)算各元件的故障特征頻率，見表2。

表1 滾動(dòng)軸承ER10K基本參數(shù)

表2 滾動(dòng)軸承ER10K元件特征頻率 單位：Hz

3.2 信號(hào)分析

為了驗(yàn)證共振解調(diào)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的效果，首先對(duì)正常滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，將結(jié)果作為基準(zhǔn)，然后分析故障信號(hào)，說明該方法的有效性。

3.2.1 正常信號(hào)

正常信號(hào)的時(shí)域波形、功率譜如圖1 (a)、圖1(b)所示。從功率譜中可以看出，系統(tǒng)的其中一個(gè)固有頻率大約在5100Hz 左右，因此選取此頻率作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設(shè)為500Hz，對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波；然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理，獲得軸承信號(hào)的包絡(luò)譜如圖1 (c)所示。從包絡(luò)譜中無法找到與任何滾動(dòng)軸承元件故障特征頻率及其倍頻相對(duì)應(yīng)的峰值頻率或頻率間隔，表明軸承正常，沒有故障。

圖1 正常滾動(dòng)軸承信號(hào)分析結(jié)果

3.2.2 外圈故障信號(hào)

外圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形、功率譜如圖2 (a)、圖2(b)所示。根據(jù)功率譜，同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設(shè)為500Hz，對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理，獲得的包絡(luò)譜如圖2 (c)所示。由包絡(luò)譜可見，峰值主要出現(xiàn)在軸承外圈故障特征頻率62.11 Hz 及其倍頻處，故障特征頻率明顯直觀。上述特征說明滾動(dòng)軸承外圈出現(xiàn)了故障，符合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況。

3.2.3 內(nèi)圈故障信號(hào)

內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形、功率譜如圖3 (a)、圖3 (b)所示。同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬為500Hz，對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理，獲得的包絡(luò)譜如圖3 (c)所示。包絡(luò)譜中明顯存在和軸承內(nèi)圈故障特征頻率97.89 Hz 及其倍頻相對(duì)應(yīng)的峰值頻率。

圖2 滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào)分析結(jié)果

圖3 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障信號(hào)分析結(jié)果

將包絡(luò)譜局部放大（圖3 (d)），發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈故障特征頻率及其倍頻周圍存在邊帶間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。這是由于內(nèi)圈出現(xiàn)故障時(shí)，當(dāng)其位于加載區(qū)，產(chǎn)生的沖擊會(huì)更加劇烈，從而產(chǎn)生更高的振幅，當(dāng)移出加載區(qū)后，其振幅又會(huì)降低，在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率被旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，因此會(huì)在頻譜中看到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。上述特征說明滾動(dòng)軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了故障，符合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況。

4 結(jié)語

軌道交通行業(yè)中的空氣壓縮機(jī)組滾動(dòng)軸承故障產(chǎn)生的信息往往淹沒在背景噪聲中，很難被發(fā)現(xiàn)和提取。針對(duì)滾動(dòng)軸承故障信號(hào)的周期性沖擊特點(diǎn)，提出了基于共振解調(diào)的故障診斷方法：首先對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行Fourier 變換獲得頻譜；然后根據(jù)頻譜選取某一固有頻率作為濾波器的中心頻率，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行共振解調(diào)；最后對(duì)低頻包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷軸承故障。應(yīng)用該方法分析了滾動(dòng)軸承內(nèi)圈和外圈故障的實(shí)驗(yàn)信號(hào)，正確診斷出了滾動(dòng)軸承元件的故障，驗(yàn)證了該方法的有效性。