軸承特征信號提取-2003版

1、基于時域分析的滾動軸承 特征提取 機械工程 鄭佳文 滾動軸承故障信號大部分屬于周期性函數(shù)，信號的簡 諧性、周期性和瞬時脈沖性會比較明顯，可以通過分 析故障信號的時域波形曲線從而了解軸承的性能。 滾動軸承的時域指標(biāo) 通過反應(yīng)信號波動曲線特征指標(biāo)的特定參數(shù)實現(xiàn)評 估故障信號的變化。常用的時域指標(biāo)參數(shù)有兩類： 包括有量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)。 量綱名量綱名定義式定義式含義含義 平均值平均值是指信號波形曲線幅值的平均值，表示幅值變化過 程的中心趨勢，可以用于描述信號的穩(wěn)定性，反應(yīng)的是信 號變化的靜態(tài)分量。 均方值用于故障信號的平均能量或者平均功率。如果信號為速度 時，均方值能夠描述信號的振動能量；如果信號

2、為位移時， 描述的是信號的位能；如果信號為加速度時，描述的是慣 性力的大小。 均方根值均方根值可用于表示信號的振動能量，對早期故障不是十 分敏感，但其穩(wěn)定性和重復(fù)性相對比較好。 方均根值 方差 標(biāo)準差 方差和標(biāo)準差用于表示信號的波動分量 峰值峰值指的是故障信號波形幅值的瞬時單峰最大值。 有量綱參數(shù) 量綱名量綱名定義式定義式含義含義 波形指標(biāo) 表示絕對值的平均值。波形指標(biāo)的 穩(wěn)定 性好，但其敏感性差 峰值指標(biāo)峭度、脈沖和裕度這三類指標(biāo)能夠有效對沖擊類 故障進行診斷，尤其是當(dāng)早期故障 存在時，這三類指標(biāo)的值明顯變大，隨故障的逐 漸變化，這些值增加到某一數(shù)值后反而 出現(xiàn)下降的趨勢，說明它們對于早期故

3、障是比較 敏感的，但穩(wěn)定性不是很好。一般情況 下，均方根值的穩(wěn)定性比較好，但對早期故障信 號不是很敏感。為了獲得良好的效果， 把它們同時應(yīng)用于實際工程中，以兼顧穩(wěn)定性和 敏感性。 脈沖指標(biāo) 裕度指標(biāo) 峭度指標(biāo) 無量綱參數(shù) 基于時域分析的軸承特征提取方法 滾動軸承故障模擬試驗平臺 故障模擬 A、滾動軸承故障模擬：、滾動軸承故障模擬： 通過將正常的軸承換成有損壞的軸承?？赡M的軸承故障有：軸承內(nèi)圈損通過將正常的軸承換成有損壞的軸承?？赡M的軸承故障有：軸承內(nèi)圈損 壞、外圈損壞、滾動體損壞，軸承安裝不佳，軸承座和軸承之間出現(xiàn)松動壞、外圈損壞、滾動體損壞，軸承安裝不佳，軸承座和軸承之間出現(xiàn)松動 等。等

4、。 B、齒輪故障模擬：、齒輪故障模擬： 通過將正常的齒輪換成有缺陷的齒輪，能夠模擬的齒輪故障有：實驗室加通過將正常的齒輪換成有缺陷的齒輪，能夠模擬的齒輪故障有：實驗室加 工的齒輪故障有：斷齒、劃痕、磨損。工的齒輪故障有：斷齒、劃痕、磨損。 C、軸系故障模擬：、軸系故障模擬： 利用調(diào)整旋轉(zhuǎn)圓盤上的平衡重量，可以模擬軸不平衡的缺陷包括單面、雙利用調(diào)整旋轉(zhuǎn)圓盤上的平衡重量，可以模擬軸不平衡的缺陷包括單面、雙 面、葉輪不平衡等，模擬軸安裝不對中缺陷是由調(diào)整軸座底盤的安裝位置面、葉輪不平衡等，模擬軸安裝不對中缺陷是由調(diào)整軸座底盤的安裝位置 引起的。引起的。 d、在不同速度條件下的可變速模擬故障特征，變速

5、范圍是、在不同速度條件下的可變速模擬故障特征，變速范圍是 751450RPM。 變速驅(qū)動電機、軸、齒輪箱、軸承、偏重轉(zhuǎn)盤（變速驅(qū)動電機、軸、齒輪箱、軸承、偏重轉(zhuǎn)盤（2 個）、調(diào)速器等組成了個）、調(diào)速器等組成了 故障模擬平臺。通過改變重量，改變部分的安裝位置以及各種組件的組合故障模擬平臺。通過改變重量，改變部分的安裝位置以及各種組件的組合 形式迅速模擬各種故障。被測部件也包括在系統(tǒng)的機械部分，主要有缺陷形式迅速模擬各種故障。被測部件也包括在系統(tǒng)的機械部分，主要有缺陷 的軸承（外圈缺陷、內(nèi)圈缺陷、滾動體缺陷）；三個備用齒輪；旋轉(zhuǎn)圓盤的軸承（外圈缺陷、內(nèi)圈缺陷、滾動體缺陷）；三個備用齒輪；旋轉(zhuǎn)圓盤

6、的配重塊等。的配重塊等。 基于有量綱參數(shù)的特征提取 滾動軸承型號：N205，參數(shù)如下表： 滾動體直徑滾動體直徑軸承節(jié)徑軸承節(jié)徑滾動體個數(shù)滾動體個數(shù)接觸角接觸角 d =7.5mmD =39mmZ =12接觸角=0 設(shè)置工作軸的轉(zhuǎn)速 N=1200rpm，采樣頻率 f =10000Hz ， 采樣長度8192 四種故障類型的均值穩(wěn) 定但沒有區(qū)分度，內(nèi)圈 故障和滾珠故障的均方 值、方差、標(biāo)準差比正 常軸承要大一些，且穩(wěn) 定一些。峰值和最小值 對瞬時現(xiàn)象能夠得出正 確的指示值。 基于無量綱參數(shù)的特征提取 可以得出外圈故障信號的峰值指標(biāo)、 脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和正常信號相比 都偏小，可以作為外圈故障的無量綱

7、參數(shù)特征；內(nèi)圈故障信號和滾動體故 障信號的波形指標(biāo)、峭度指標(biāo)比正常 信號的參數(shù)值都要大，同時內(nèi)圈故障 的各個參數(shù)值都小于滾動體故障信號， 因此，這些參數(shù)可以作為內(nèi)圈故障和 滾動體故障的故障特征。無量綱參數(shù) 是兩個具有相同量綱的量的比值，比 較穩(wěn)定，可以作為軸承故障的特征并 進行故障特征提取。 基于希爾伯特解調(diào)的滾動軸承特征提取 滾動軸承的特征頻率 滾動軸承的固有振動頻率滾動軸承的固有振動頻率 （1）滾珠鋼球的固有頻率為： 當(dāng)滾動軸承為鋼材時， 其內(nèi)圈和外圈 的固有振動頻率 在自由狀態(tài)下軸承套圈的徑向彎曲振動 的固有頻率為： 滾動軸承的故障特征頻率 為分析軸承各部分工作參數(shù)，先做下面的假設(shè)： （

8、1）滾道與滾動體間沒有相對滑動； （2）承受軸向、徑向載荷時每個部分沒有變形； （3）內(nèi)圈回轉(zhuǎn)頻率為fi； （4）外圈回轉(zhuǎn)頻率為fo； （5）保持架回轉(zhuǎn)頻率為（即滾動體公轉(zhuǎn)頻率為fc）。 則滾動軸承運動時各點的轉(zhuǎn)動速度為： 內(nèi)滾道上一點的速度為 外滾道上一點的速度為： 保持架上一點速度為： 可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率為： 某個滾動體在內(nèi)滾道上的通過頻率，即 為保持架相對內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率為： 依據(jù)滾動軸承實際的工作情況，定義滾動軸承內(nèi)圈和外圈 的相對轉(zhuǎn)動頻率為 為了分析軸承各部分的工作參數(shù)，假設(shè)滾動軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動， 外圈不動，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的速度和軸的旋轉(zhuǎn)速度一樣，滾動體 和內(nèi)圈、外圈之間沒有摩擦。同時滾動軸承

9、有 Z 個滾動體， 則滾動軸承故障特征頻率理論計算公式為： 滾動體在外圈滾道上的通過頻率ocZf 為： 滾動體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率為： 滾動體在保持架上的通過頻率為： 保持架旋轉(zhuǎn)頻率為： 采用 前面的實驗平臺及軸承。其中實驗平臺的主軸轉(zhuǎn) 速 N=1200r/min，軸旋轉(zhuǎn)頻率為 fi=20Hz ，將以上參數(shù) 帶入公式得到滾動軸承故障頻率的理論計算值如下表 所示。 希爾伯特解調(diào)的方法是將希爾伯特變換和共振解調(diào) 技術(shù)結(jié)合在一起，然后提取滾動軸承的故障特征。 該方法先對滾動軸承故障信號進行傅里葉變換，利 用帶通濾波器處理傅里葉變換后的信號，得到其窄 帶信號。對窄帶信號進行希爾伯特變換，求出解析 信

10、號，提取它的包絡(luò)，再利用傅里葉變換可以得到 包絡(luò)譜。在包絡(luò)譜中可以得到其特征頻率，從而判 斷滾動軸承的故障類型。 基于希爾伯特解調(diào)的特征提取方法 在信號分析處理過程中，希爾伯特變換是一種重要的算法工具， 它是把一個一維的、時域函數(shù)轉(zhuǎn)換成唯一對應(yīng)的一個二維時域 解析函數(shù)。這個解析函數(shù)的模代表了原函數(shù)的包絡(luò)，相角代表 了原函數(shù)的相位特性，實現(xiàn)了對信號幅值及相位的解調(diào)。 希爾伯特變換 一個因果系統(tǒng)，當(dāng)T0 情況下存在， 因此： h(t)的傅里葉變換也就是系統(tǒng)函數(shù) H(）分解成實部 R（）和虛部 jx() 之和 對式進行傅里葉變換得： 解得： 希爾伯特變換 希爾伯特解調(diào)的基本原理 希爾伯特解調(diào)主要利用

11、解析信號中的實部、虛部的正余弦關(guān)系， 定義任意時刻的瞬時幅值、瞬時頻率和瞬時相位，從而復(fù)雜信 號的運算問題得到了解決，使得提取復(fù)雜信號和短信號的瞬時 參數(shù)成為了可能。根據(jù)希爾伯特變換，得到相應(yīng)的解析表達式， 為了降低信號中的抽樣率，讓它只含有正頻率成分。其解析信 號的實部和虛部分別為實信號本身和相應(yīng)的希爾伯特變換，解 析信號的模代表信號的包絡(luò)。 設(shè)窄帶信號 x(t)為： 其中f0是載波頻率。可以得到解析信號為 解調(diào)信號的包絡(luò)由此給出，即為調(diào)制信號的信息。因此，希 爾伯特變換適用于幅值解調(diào)。當(dāng) x(t)為調(diào)相信號時， z(t)則具 有下列形式 的瞬時相位即為： 相位調(diào)制信號是: 通過頻率調(diào)制與相

12、位調(diào)制的關(guān)系可以知道，實信號 x(t)的頻率調(diào)制信號為： 通過上面的計算得到了調(diào)相信號 x(t)的頻率和相位調(diào)制信息。在這種情 況下，希爾伯特變換適用于頻率以及相位的解調(diào)。 基于希爾伯特解調(diào)滾動軸承特征提 取的步驟 22 z ( )( )( )tx tx t z ( )t 仿真與實驗 模擬軸承信號的特征提取 當(dāng)滾動軸承出現(xiàn)不同故障時，振動信號會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，具體現(xiàn) 象為在共振頻率周圍存在邊頻帶、邊帶間隔就是調(diào)制頻率、也是 軸承故障特征頻率。為此，建立滾動軸承仿真信號為： 對其模擬軸承信號進行希爾伯特解調(diào)變換，提取的包絡(luò)如圖對其模擬軸承信號進行希爾伯特解調(diào)變換，提取的包絡(luò)如圖 3-4所示。提取包

13、絡(luò)之后再經(jīng)過一次傅里葉變換就可以提取出所示。提取包絡(luò)之后再經(jīng)過一次傅里葉變換就可以提取出 合成信號的包絡(luò)譜，包絡(luò)譜如圖合成信號的包絡(luò)譜，包絡(luò)譜如圖3-5所示。所示。 從圖 3-5 中可以得出故障頻率為 100Hz 左右并且它的倍頻 處存在峰值，與調(diào)制信號的調(diào)制頻率是相近的，所以希爾 伯特解調(diào)法能夠有效的提取出滾動軸承的故障特征。 采用前面的實驗平臺，采集滾動軸承的內(nèi)圈故障數(shù)據(jù)，首先進 行希爾伯特解調(diào)。其內(nèi)圈故障波形如圖 3-6 所示。對信號進行傅 里葉變換，可以得到帶通濾波的上、下截止頻率。利用得到的 窄帶信號進行希爾伯特變換得到信號包絡(luò)，對得到的包絡(luò)信號 再進行一次傅里葉變換，得到內(nèi)圈故障的

14、包絡(luò)譜，如圖 3-7 所示。 實際軸承信號的特征提取研究 1.滾動軸承內(nèi)圈故障的特征提取 通過解調(diào)后信號的包絡(luò)譜可以看出，故障特征頻率為 130Hz 左右， 并伴有邊頻帶，其二倍頻為 280Hz 左右，從表 3-1 中可知，內(nèi)圈故障 頻率為 143.08Hz，與解調(diào)信號頻譜分析得出的頻率有一點誤差，但 是頻率相近。因此，提取的頻率 130Hz 為軸承內(nèi)圈故障的特征頻率。 根據(jù)實驗室采集的外圈故障數(shù)據(jù)，進行希爾比特解調(diào)。其外圈故障波形 如圖 3-8 所示。對信號進行傅里葉變換，得到帶通濾波的上、下截止頻 率。利用得到的窄帶信號進行希爾伯特變換得到信號包絡(luò),對得到的包 絡(luò)信號進行一次傅里葉變換，得到外圈故障的包絡(luò)譜，如圖 3-9 所示。 2.滾動軸承外圈故障的特征提取 通過圖 3-9 可以看出，故障特征頻率為 100Hz 左右，并伴有邊頻 帶，其二倍左右，從表 3-1 中可知，外圈故障頻率為 96.92Hz，與 解調(diào)信號頻譜分析得出的頻率接近。因此，提取的頻率 100Hz 為 軸承外圈故障的特征頻率。 3.滾動軸承滾珠故障的特征提取 通過采集到的滾珠的故障信號的數(shù)據(jù)，對其進行希爾伯特解調(diào)。步驟 如上節(jié)類似，可以得到滾珠故障波形如圖 3-10 所示。對其包絡(luò)信號 做傅里葉變換得到滾珠故障的包絡(luò)譜，如圖 3-11 所示