軸承特征信號(hào)提取

1、基于時(shí)域分析的滾動(dòng)軸承特征提取機(jī)械工程 鄭佳文 滾動(dòng)軸承故障信號(hào)大部分屬于周期性函數(shù)，信號(hào)的簡(jiǎn)諧性、周期性和瞬時(shí)脈沖性會(huì)比較明顯，可以通過分析故障信號(hào)的時(shí)域波形曲線從而了解軸承的性能。滾動(dòng)軸承的時(shí)域指標(biāo)通過反應(yīng)信號(hào)波動(dòng)曲線特征指標(biāo)的特定參數(shù)實(shí)現(xiàn)評(píng)估故障信號(hào)的變化。常用的時(shí)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(hào)波形曲線幅值的平均值，表示幅值變化過程的中心趨勢(shì)，可以用于描述信號(hào)的穩(wěn)定性，反應(yīng)的是信號(hào)變化的靜態(tài)分量。均方值用于故障信號(hào)的平均能量或者平均功率。如果信號(hào)為速度時(shí)，均方值能夠描述信號(hào)的振動(dòng)能量；如果信號(hào)為位移時(shí)，描述的是信號(hào)的位能

2、；如果信號(hào)為加速度時(shí)，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(hào)的振動(dòng)能量，對(duì)早期故障不是十分敏感，但其穩(wěn)定性和重復(fù)性相對(duì)比較好。方均根值方差標(biāo)準(zhǔn)差 方差和標(biāo)準(zhǔn)差用于表示信號(hào)的波動(dòng)分量峰值峰值指的是故障信號(hào)波形幅值的瞬時(shí)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(duì)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(duì)沖擊類故障進(jìn)行診斷，尤其是當(dāng)早期故障存在時(shí)，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(shì)，說明它們對(duì)于早期故障是比較敏感的，但穩(wěn)定性不是很好。一般情況下，均方根值的穩(wěn)定性

3、比較好，但對(duì)早期故障信號(hào)不是很敏感。為了獲得良好的效果，把它們同時(shí)應(yīng)用于實(shí)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(shí)域分析的軸承特征提取方法滾動(dòng)軸承故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)故障模擬A、滾動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承故障模擬：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、壞、外圈損壞外圈損壞、滾動(dòng)體損壞，軸承安裝不佳，軸承座和軸承之間出現(xiàn)松動(dòng)、滾動(dòng)體損壞，軸承安裝不佳，軸承座和軸承之間出現(xiàn)松動(dòng)等。等。B、齒輪、齒輪故障模擬：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(shí)

4、驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室加工的工的齒輪故障齒輪故障有：斷齒、劃痕、磨損有：斷齒、劃痕、磨損。C、軸系故障模擬：、軸系故障模擬：利用利用調(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、面、葉輪不平衡葉輪不平衡等，模擬軸安裝不對(duì)中缺陷是由調(diào)整軸座底盤的安裝位置等，模擬軸安裝不對(duì)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。變速變速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸、齒輪箱、軸承、

5、偏重轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸、齒輪箱、軸承、偏重轉(zhuǎn)盤（2 個(gè)個(gè)）、調(diào)速器等組成了）、調(diào)速器等組成了故障模擬故障模擬平臺(tái)平臺(tái)。通過改變重量，改變部分的安裝位置以及各種組件的組合。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形式迅速模擬各種故障。被。被測(cè)部件也包括在系統(tǒng)的機(jī)械部分，主要有缺陷測(cè)部件也包括在系統(tǒng)的機(jī)械部分，主要有缺陷的軸承（外圈缺陷、內(nèi)圈缺陷、的軸承（外圈缺陷、內(nèi)圈缺陷、滾動(dòng)體缺陷滾動(dòng)體缺陷）；三個(gè)備用齒輪；旋轉(zhuǎn)圓盤）；三個(gè)備用齒輪；旋轉(zhuǎn)圓盤的配重塊等。的配重塊等?；谟辛烤V參數(shù)的特征提取滾動(dòng)軸承型號(hào)：N205，參數(shù)如下表：滾動(dòng)體直徑滾動(dòng)體直徑軸承節(jié)徑軸承節(jié)徑滾動(dòng)體

6、個(gè)數(shù)滾動(dòng)體個(gè)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(zhǎng)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(zhǔn)差比正常軸承要大一些，且穩(wěn)定一些。峰值和最小值對(duì)瞬時(shí)現(xiàn)象能夠得出正確的指示值?；跓o量綱參數(shù)的特征提取可以得出外圈故障信號(hào)的峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和正常信號(hào)相比都偏小，可以作為外圈故障的無量綱參數(shù)特征；內(nèi)圈故障信號(hào)和滾動(dòng)體故障信號(hào)的波形指標(biāo)、峭度指標(biāo)比正常信號(hào)的參數(shù)值都要大，同時(shí)內(nèi)圈故障的各個(gè)參數(shù)值都小于滾動(dòng)體故障信號(hào)，因此，這些參數(shù)可以作為內(nèi)圈故障和滾

7、動(dòng)體故障的故障特征。無量綱參數(shù)是兩個(gè)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(jìn)行故障特征提取。基于希爾伯特解調(diào)的滾動(dòng)軸承特征提取滾動(dòng)軸承的特征頻率滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)頻率（1）滾珠鋼球的固有頻率為： 當(dāng)滾動(dòng)軸承為鋼材時(shí)， 其內(nèi)圈和外圈的固有振動(dòng)頻率在自由狀態(tài)下軸承套圈的徑向彎曲振動(dòng)的固有頻率為：滾動(dòng)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)：（1）滾道與滾動(dòng)體間沒有相對(duì)滑動(dòng)；（2）承受軸向、徑向載荷時(shí)每個(gè)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(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率為fc）。則滾動(dòng)軸承運(yùn)動(dòng)時(shí)各點(diǎn)的

8、轉(zhuǎn)動(dòng)速度為：內(nèi)滾道上一點(diǎn)的速度為外滾道上一點(diǎn)的速度為：保持架上一點(diǎn)速度為：可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率為：某個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)滾道上的通過頻率，即為保持架相對(duì)內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率為：依據(jù)滾動(dòng)軸承實(shí)際的工作情況，定義滾動(dòng)軸承內(nèi)圈和外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為為了分析軸承各部分的工作參數(shù)，假設(shè)滾動(dòng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈不動(dòng)，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的速度和軸的旋轉(zhuǎn)速度一樣，滾動(dòng)體和內(nèi)圈、外圈之間沒有摩擦。同時(shí)滾動(dòng)軸承有 Z 個(gè)滾動(dòng)體，則滾動(dòng)軸承故障特征頻率理論計(jì)算公式為：滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率ocZf 為：滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率為：滾動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)及軸承。其中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主軸轉(zhuǎn)速 N

9、=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(dòng)軸承故障頻率的理論計(jì)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(dòng)軸承的故障特征。該方法先對(duì)滾動(dòng)軸承故障信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，利用帶通濾波器處理傅里葉變換后的信號(hào)，得到其窄帶信號(hào)。對(duì)窄帶信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，求出解析信號(hào)，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(dòng)軸承的故障類型?；谙柌亟庹{(diào)的特征提取方法在信號(hào)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(gè)一維的、時(shí)域函數(shù)轉(zhuǎn)換成唯一對(duì)應(yīng)的一個(gè)二維時(shí)域解析函數(shù)。這

10、個(gè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)幅值及相位的解調(diào)。希爾伯特變換一個(gè)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(shí)部 R（）和虛部 jx()之和對(duì)式進(jìn)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)主要利用解析信號(hào)中的實(shí)部、虛部的正余弦關(guān)系，定義任意時(shí)刻的瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位，從而復(fù)雜信號(hào)的運(yùn)算問題得到了解決，使得提取復(fù)雜信號(hào)和短信號(hào)的瞬時(shí)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(dá)式，為了降低信號(hào)中的抽樣率，讓它只含有正頻率成分。其解析信號(hào)的實(shí)部和虛部分別為實(shí)信號(hào)本身和相應(yīng)的希

11、爾伯特變換，解析信號(hào)的模代表信號(hào)的包絡(luò)。設(shè)窄帶信號(hào) x(t)為：其中f0是載波頻率?？梢缘玫浇馕鲂盘?hào)為解調(diào)信號(hào)的包絡(luò)由此給出，即為調(diào)制信號(hào)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(hào)時(shí)， z(t)則具有下列形式的瞬時(shí)相位即為：相位調(diào)制信號(hào)是:通過頻率調(diào)制與相位調(diào)制的關(guān)系可以知道，實(shí)信號(hào) x(t)的頻率調(diào)制信號(hào)為：通過上面的計(jì)算得到了調(diào)相信號(hào) 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(dòng)軸承特征提取的步驟22z ( )( )( )tx tx tz ( )t仿真與實(shí)驗(yàn)?zāi)M軸承信號(hào)的特征提取當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)不同故障時(shí)，振動(dòng)信

12、號(hào)會(huì)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(dòng)軸承仿真信號(hào)為：對(duì)其模擬軸承信號(hào)進(jìn)行希爾伯特解調(diào)變換，提取的包絡(luò)如圖對(duì)其模擬軸承信號(hào)進(jìn)行希爾伯特解調(diào)變換，提取的包絡(luò)如圖3-4所所示。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(hào)的包絡(luò)譜，包絡(luò)譜合成信號(hào)的包絡(luò)譜，包絡(luò)譜如圖如圖3-5所所示。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(hào)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(dòng)軸承的故障特征。采用前面的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采集滾動(dòng)

13、軸承的內(nèi)圈故障數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行希爾伯特解調(diào)。其內(nèi)圈故障波形如圖 3-6 所示。對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行希爾伯特變換得到信號(hào)包絡(luò)，對(duì)得到的包絡(luò)信號(hào)再進(jìn)行一次傅里葉變換，得到內(nèi)圈故障的包絡(luò)譜，如圖 3-7 所示。實(shí)際軸承信號(hào)的特征提取研究1.滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障的特征提取通過解調(diào)后信號(hào)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(hào)頻譜分析得出的頻率有一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)

14、室采集的外圈故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行希爾比特解調(diào)。其外圈故障波形如圖 3-8 所示。對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行希爾伯特變換得到信號(hào)包絡(luò),對(duì)得到的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)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(dòng)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(hào)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(dòng)軸承滾珠故障的特征提取通過采集到的滾珠的故障信號(hào)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)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(duì)其包絡(luò)信號(hào)做傅里葉變換得到滾珠故障的包絡(luò)譜，如圖 3-11 所示。