滚动轴承振动信号特性分析

张新鹏 魏永红

摘要：滾动轴承在工程实践中得到了充分的应用，但是滚动轴承却十分容易损坏。滚动轴承的运行状态通常也会直接影响到整个机械设备的性能。滚动轴承损坏尤其是突然损坏不仅会导致机械设备的故障失效，甚至造成更为严重或许是灾难性的事故。对滚动轴承进行特征信号分析对其故障进行诊断可以有效地避免事故发生。

关键词：滚动轴承;信号;分析

为了有效地提取滚动轴承故障信号特性，提出了一种基于共振解调技术和谱峭度法相结合的方法，并且将其应用到实际的滚动轴承的数据中进行分析处理。发现能准确的找出其故障部位并得到其故障频率。

一、轴承结构和故障机理

滚动轴承是一类广泛应用的精细的机械构件。滚动轴承的作用是将运转的轴承座和轴相互的滑动类型的摩擦转换为滚动类型的摩擦。其一般包括四个部分：滚动体，外圈，内圈和保持架。内圈能和轴进行配合共同旋转。外圈则是与轴承座进行配合并且起着支撑的作用。滚动体均匀分布在内外圈之间，对轴承的运转性能和使用寿命有着重要的影响。保持架起着让滚子分布均匀的功能，引领滚子旋转而且具有润滑功能以及避免滚子掉落。

总体说来轴承工作时的振动通常分为以下两种：与轴承工作面的裂痕、波纹相关和与轴承弹性相关的振动。其中与轴承表面裂痕、波纹相关振动能够反映其损伤的情况。工作面若有损坏，当滚子在损坏面运转的时侯，某种交变的激振力将会出现。因为轴承滚动表面损伤形状并不规则。由此，产生的振动也会是一种随机振动并包含了多种频率成分。通常来说，轴运转的速率以及轴承面损坏样式是激振力的频率的首要性因素。而激振系统传递相关的因素由轴承和外壳来决定。总而言之，轴运转的速率、外壳和轴承的振动传递因数以及轴承面损坏样式等一起确定了因轴承异常而产生的振动频率。一般而言，轴承具有越高的振动频率则表明轴有越严重的损伤或者有越高的旋转速度，另外滚动轴承的固有振动频率会随着滚动轴承尺寸的增大而有所降低。因而，所有异常的轴承产生振动时都不会是一个特定的频率。同样的，当某个轴承发生异样的时侯，也非仅仅只发生单一的频率振动。

二、共振解调故障诊断技术

2.1共振解调技术原理

共振解调技术（IFD）是由振动测试分析技术中演变而成的一项新技术是研究轴承早期损伤故障的常用方法。共振解调非常适合损伤故障特征提取，因为通过共振和带通滤波放大以及分离了轴承零件故障的特性信号，从而增大了信噪比。实际上，轴承故障冲击的频谱线并不能够看到，但轴承故障冲击具有很宽的频带，该频带中有设备里其他所有振动都没有的高频能量。共振解调技术不敏感于常规振动，但是却能够灵敏地提取到细小的故障冲击。

“共振”是指提取该高频能量并且进行放大的过程，一般采用利用机械或者电子谐振的方法。这个过程中能够过滤掉没有价值的常规振动，使信噪比提高。“解调”是指通过包络检波，为了获取仅仅含有轴承故障特性信息的低频包络信号，而将高频不断衰减的信号成分丢掉的过程。经过此过程后，后续信号的处理难度得到了很大的降低，然后对该包络信号频谱分析，滚动轴承的故障信息便能轻易地获取到。

2.2共振解调技术局限性

一般的共振解调法也存在着一些局限性：

（1）要提取出损伤激起的突变信号，传统的基于傅里叶变换的滤波方法不是十分适合。

（2）需要预先确定带通滤波器的中心频率和滤波带宽。对于不同的轴承，其结构和支承系统的固有频率并不相同，要预先确定其固有频率显得十分困难。另外，若滤波带宽太窄，可能会遗漏共振的中间频率，丧失其诊断的能力。若滤波带宽太宽，消噪效果将会受到影响。

谱峭度理论在共振解调技术中的使用可以完美的解决一般的共振解调法的局限性问题。

三、谱峭度法在共振解调故障诊断技术中的应用

3.1谱峭度理论

共振解调技术在滚动轴承故障特性进行分析的过程当中，其带通滤波器参数的选取十分重要同时也十分困难。谱峭度法则能自动确定带通滤波器中心频率和滤波带宽。在噪声干预不大的测试条件下，可使用峭度值对奇异信号的灵敏性特点从而将滚动轴承进行粗略的状况检测。可是，峭度值是一个整体性的指数，对特定信号分量改变情形并不能表现出来。同时，峭度也不适应于在强烈噪声条件下的状态监测。

3.2快速峭度图

谱峭度计算与频率的分辨率Δf的选取有比较大相关性。在极端情况下，Δf趋近于零的时侯， 谱峭度也为零值，但是当Δf相对较大的时侯，谱峭度对于加性平稳宽带噪声里的窄带瞬时状态不能测试到。所以，对于非平稳进程而言，谱峭度是关于频率f和分辨率Δf的函数。对于随意信号来说，怎么在确定的f处选取谱峭度的最适合的Δf变为了问题的关键。站在检测角度而言，使得谱峭度最大的（f/Δf）组是存在的。基于STFT进行计算的“峭度图”表示在频率f和窗长  平面上的谱峭度值。对于汉宁窗来说，   ，  指的是信号的采样频率， 使得谱峭度值最大，相对应的（f/Δf）组就是带通滤波器最佳的滤波中心频率和滤波带宽。本文运用matlab工程软件，基于塔式算法的计算方法使计算时间得到明显减少。最终得到的二维图像被称之为“快速峭度图”。在“快速峭度图”中，其横坐标表示频率f， 纵坐标表示分解的层数K，其中  ，图像上不一样深浅得颜色代表各个不一样的f和Δf下的谱峭度值。

结语：

由于社会经济与科技的持续发展，机械设备也愈发复杂化、精密化和自动化。由于滚动轴承的优点众多，在工程实践中得到充分的应用。但是滚动轴承的工作条件十分恶劣并且在机械设备中承载载荷、传递载荷。滚动轴承损坏尤其是突然损坏不但可能引起机械设备故障失效，乃至造成更为严重或许是毁灭性的事故。总而言之对轴承振进行振动信号的特性分析，由此而研究轴承的故障诊断拥有重要的意义。

参考文献

[1]杨国安.滚动轴承故障诊断实用技术. 北京：中国石化出版社，2012

[2]裴峻峰，齐明侠，杨其俊.机械故障诊断技术. 北京：中国石油大学出版社，2010

[3]李力等.机械信号处理及其应用. 武汉：华中科技大学出版社，2007

[4]张德丰等.详解matlab数字信号处理. 北京：电子工业出版社，2010

[5]张德丰.matlab数字信号处理与应用. 北京：清华大学出版社，2010