滚动轴承故障的振动检测方法.pdf

／ ff 滚动轴承故障的振动检测方法 f J 3 ． 北 京有色冶金设 计研究总院王肇膜 - 一 长沙铁道 学院付 勤毅 一 【 摘要】本 文首 先茼 介r 滚动 轴承故 障谚断 技术的国内 外 概况 ． 分析r 故障蛐承的振 动信号特征 ． 着重 论述 丁振 动诊断 力 - 法 中的 各类 睁断技 术厦 其特 点 ．阐述 丁时 间 一频 率分 析方 法 在轴 雎 故障诊 断 中的优 越 性、 指 出丁轴承 故障谚 断的昂 新 发展 方 同 关 键 词 』 塑 垦 ， 苎 堕 童 坌 盟， ， 一 ， 一 一 } 时 间 频 率 分 析 THE VI BRATI NG DI AGN0SI S M ETHoD FoR RoLLI NG BEARl NG FAULT B e i j i n g Ce n t r a l En g i n e e r i n g＆ Re s e a r c h I n s t i t u t e f o r No n f e r r o u s M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y Wa n g Zh a o q i Ch a n g s h a Ra i l wa y I n s t i t u t e F n Qi n y i 【 A B S T R A C T 】T h i s p a p e r in t r o d u c e d t h e g e n e r a l s i t u a t i o n o f d i a g n o s i s me t h o d f o r r o l l i n g b e a r i n g f a u l t h o me a n d a b r o a d ， a n a l y s e d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f v i b r a t i n g s i g n a l s f r o m r o l l i n g b e a r i n g f a u h， s p e c i f i c a l l y d i s e u s d t h e v i b r a t i n g d i g n o s i s t e c h n o l o g i e s a n d t h e i r f e a t u r e s ． Th e p a p e r e x p o u n d s t h e s u p e r i o r i t y o f t h e t i me f r e q u e n c y a n a l y s i s me t h o d i n b e a r i n g t a u k． p u t i n g o u t t h e d i r e c t i o n o f l a t e s t d e v e l o p me n t o f t h e b e a r i n g f a u l t d i a g n o s i s ． KE Y WO RD S R o i l i n g b e a r i n g F a u l t d i a g n o s i s F r e q u e n c y s p e c t r u m a n a l y s i s Ti mef r e q u e n c y a n a l y s i s 引 言 滚动轴承是机械设 备中应用最为， 泛的 旋转部件之，也是机械设备中最容易损坏 的部件之 ～，其运 转状 态是否 良好将直接影 响 整台机器 的性 能 。矿 山设备尤其是采矿运 输设备 ，由于滚 动轴承早期故 障导致设备故 障的侧子 很 多，就 旋 转 机械 而 言，现 场实 际 故障 中 7 ％是 幽 为滚 动 轴承 故障造 成 的 此，对滚 动轴承 工作状 态的监视及其故障 诊断技 术 的研 究工 作越 来越 受到 』 、 们 的重 视 。成 为保证 旋 转 机械 良好 j 二 作 的重 要 措 施 一 1 概况 滚动轴承 ； 现故 障时 ，直接检 删其 故障 信号是十分 困难 的 一般 的检 删方 法都是 利 用轴承故障所引发的 二次 效应的变化来作为 故障 渗断 的依据 而根 据二次效应的 不同特 征，其诊断的方法 各不相 同。 在众 多的轴堆故障 渗断 方法 中，振功检 测方法是应 用最广泛的 一种 方法 ，这 亭要是 因为振动信号提供的故障信息多，对早期故 障轴承都具有较强 的检测能 力 但其 它部件 止常的振动信号常常与轴承故 障信息混 往 一 起 ，给检测带来一定 的困难 。随着检测 手 段的提高和信 号处理技 术的发展 ，振 动检 删 矿 I l I - 一1 9 9 9 维普资讯 方法 已被广 大科技工 作者接 受，并 取得 了一 系列的成果 。 振动检 测方 法中的时域 珍断方 法是发展 最早的一种检测方 法。时域诊 断可以理解 为 振动信号的时域图象分析方法。在时域诊断 中，普遍采用振动信号的基本数字特征及其 概率分布特征来进行分析和诊 断。应用 比较 广泛的有振动信号的平均值，均方根植， 方差，概率密度函数，概率分布函数， 自相 关 函数．互相关函数以及峰值 因子 ，波形因 子 ，脉 冲 因子 ，峭 度 系数 等 无 量 纲特 征 参 量 。 采用频域分析方法可 以对轴承早期故障 进 行精 密诊断 。直接对轴承振 动信号进行频 谱分析，结合频谱 图的频率结构和特征频率 的和频 及 差频 分 析 ，也 可 以判 别 轴 承 的好 坏 。 由于流体动力 噪声及其它旋转部件振 动 的干扰， 仅 适 宜 于 简单 机 器 的 简 单 诊 断。 S P M 技术是 7 0年 代 出现的诊 断方 法。监 测 轴 的 回转 频带选 择 3 0～4 0 k Hz检 测故 障 轴承 旋 转 时 产生 出的脉动 冲击 ，常常以 冲击率为 诊断 参 数。共振解调法被认为是频域诊 断中最有 效 的一种方法。该方法以轴承 系统 的共振频 区 为监 测 频带 ，振 动 信号 经 放 大 ，滤 波 和 解 调 ，获得 脉动 冲击的低频 脉动信 号， 此 作 为分 析的依据 。 时 间 一频率分析 在滚 动轴 承故 障诊 断中 也得到 了有效 的应用 ，尤其是 小波 分析的推 广 应用 ，时 ～频 分析 成为滚动轴 承故障诊断 的必然 发展方 向。 2 故障轴承在运转 中的振动信号剖析 具有 早期 故 障 的 滚 动轴 承 在受 载运 转 时，每当缺 陷部 位与工 作表 面发 生接 触时 ， 都将 产生一 次冲击 力的作用 这 种冲击力将 激 起轴 承系统的振动，并通 过适 当的振动传 递通 道的振动和声音的形式传出。其信号 传 递过 程如图 1 『 圈 匦茎 囤 1 轴 承振 动信号 的传 递过 程 随着轴承 的运转 ，故 障冲击 力将周期性 地 发生，而 且每次 冲击作 用都 将激 起轴 承系 统 的高频共振 ，这种 高频 振动 的幅值 受到脉 冲激励的调 制而形成 一调幅波。轴承 系统 的 这种 冲击振 动响应信号 的典型形状如 图 2所 示。产生缺 陷的元件不 同，这种脉 冲冲击 的 周期 不同。 圉 2故障 轴承 的振 动响 应信号 各 种故 障 产 生 的脉 动频 率 可 按 下式 计 算 1 内 圈 故 障 时 f 。 0 5 f z 1 号 c o S B 2 外圈故 障 时 f o 0． 5 f z 1 d 。 0 s 3 3 滚动体故 障 时 ‘ D ， f d 2 c o8 2 B 4 保 持架 故 障 时 { 0 5 f 1一 c o 13 其中，f H z 为轴 的 回转 频 率，z为滚 动 体数 ，d mm为 滚 动 体 直 径 ，D 1 1 2 m 为轴承 的节 圆直径 。 如果环境噪声干 扰很 小时，故 障产生的 脉 动频率也 可以用频谱分 析方 法直接检 测出 来。然而在实际的检 测中，往往存在各种 各 样的振 动干扰成分，加上脉动冲击的能量较 小，因而经常被其它振动信号 掩盖。直接的 滚动轴 承故 障的振 动检 方法 上肇 阱等 邮编 1 0 0 0 3 8 维普资讯 频 潜分析很难发州这 种故障特征。 3为一 故障轴 承的典型频 潜【到 频潜图可划分为凹 个 带范 围，频带 1为低频 区，频率范畴在 l k H 以内．这 额 区包 含轴 承 同转频 率 驶 轴承 故障的酒过频率 等，但噪声 干扰 比较严 重。频 带 2为中频频 区，频 率 范 围 在 l k H 以上到数 k H ，藏频带范 围内也存 在一些峰 ■ 蛙 值， 叮以认 为是轴 承结 构和 支承 元件所形成 的振动 系统的某 阶固有频率 ，领带 3为高频 区，该 区 频 带 范 围 很 宽 ． 从 数 H 到 数 1 0 Hz ，包 含 大量 丰富 的频 率 信 息， 轴 承 元件的固有频 率， 传递 通道 的 固有频率 等 频带 4为声发射信 号频 区。 3 滚动轴承故障 的时域判别方法 舞率 图 3 轴承 颏谱 囝 滚动轴承 的时域诊断也就是对轴承振 动 信号的时域 图象进行 分析 ，提取故 障特 征信 包 较常用的方法有有效值和峰值判别方法 技 无量纲因 子判别方法。 3 ． 1 有效值和峰值判别方法 滚动轴承振动信号 的瞬时值随着时 间的 推移而不断变化。有效值能有效的反映这种 变化情况。有效值就是振动幅值信号的均方 根值。 汁钟． 公式为 x k M 【 x t { P x d x ] ， 其中P x 幅值分布的概率密度 函数，x t 为 振动幅值 由 j ‘ 有效值对时间进行了平均 ，因而对 具有表面皱裂等无规 则的振动异常能给 出较 好的评 价 而对表面 剥落 、裂 纹和 伤痕 等局 部损伤，由 冲击波峰的 幅值大 ．持续时 间 短，I 目而 有效 值变 化 小 对 这 种 形 蕾的 故 障，采用峰值 判别 比较恰 当。 峰值 x ⋯ 足某段时 间内轴承振 动幅值 的 最大值，它对故障 I中击 产生的瞬时振动作 出 正确的指示 特 别对 期故障 中的剥落和划 伤 等， 非常吝易 由峰值的变化检测 t ] l 来 而 对外部 突发 下扰 产 生的 瞬 时振 动也 非 常 敏 感 ，这 样有可能 诊断 失效 。 3 2 无量 纲因子判别方法 时域 振动 中常 用的⋯种敏感 幽子是无量 纲 因子 ，这 些无量纲指标是 由信号的 懈值 的 统计特 征 参 数演 化而 来 的， 主 要 有 下 几 个 1 子C -E l ma x [ x O } ／[ 1 【 】 2 x d 冲圈子 I ] E m a x t H／ 1 x t 【 P f x 3 波形因子 【 - x t l P x 4 址 度 f J x t r P x I x t 2 P x 以上 几 个 指标 的 数 值 大 、 受轴 承 R 于、转速 搜 负荷的影啊， 而只取决 j 故障的 大小和类 型，日而可以采 用阀值判别方法进 行轴承的 故障诊断 其中，峰值l 封子和峭度 对 早期 敞障的检测性 能 比较可 对 I E 常轴 承，峰值 日子 一般 在 3 5～4 5之 间，峭 虞在 3左右，而当轴 承一旦 t l 班 故 障时， 值将 显著增 大 ， 可能达 到几 十 。随 着 故 障 的增 大，其值增大 ，然而当故障特别 重时，其 值反 而减 小，这一 点应 该引起重视这些 困 维普资讯 子各 有其局限性，例如峰值 圈子 ，它对轴承 的局部剥落 、压痕等故障非常敏感，且不受 振动信号的绝对水平影响。但是对 r片状损 伤、皱裂或磨耗之类的异常 则几乎没有检测 能 力。 4 滚动轴承的频域诊断方法 在轴承的运转过程中， 由于故障的存在 导致轴承振动系统的共振，而引发 周期性的 脉动冲击响应。从信号的频谱图看 出，在高 频范 围内有最 明显的反映，频域 诊断方就是 基于这一基本原理 。由于其它信号的 干扰存 在，直接 的频 谱分析难 j 给出准确的 分析结 论 。频域分 析中， 目前应用最 成功的 是共振 解调方法 共振解调方法也 叫包 蝎分 析方 法、 陔方 法 轴承的共振频 区为检测顺带 ．其舒析原 理及处理过程如 图 4所 示。共振 解调 方法足 将调制在低频 脉动 中的高频 幅值 解调 m来的 一 种检测方法 。轴承振 动信号经放大 后，进 行高频带通滤波，再送 入解调器 解调 ，即 可 获得原来的低频脉动信号 ，然 后进行频谱分 析得到 故障 冲击 的脉 动频率 。 图 4共振 解谓 分析方 法 可以利用模拟 信号直接进 行共振解调技 获得其准确的特征信息，采用时间频率分 术，但精度难于保证。随着计算机技 术及数 析方法 则能 很好地描 述轴 承故 障的这种特 征 字信号处理技术的 展， 目前大都采用数字 信息 运算方法 。传感 器接 收 的 振 动信 号 经 放 大 后，进 行 高 频 采样 ，然 后 作数 字 滤 波 及 解 调。一种方 式是 先后经过 带通 数字滤波、绝 对值处理和低通 滤波进行 包络 ，另一种方式 是采用 Hi l b e r t 变换及细 化 F F T技 术联合进 行滤波和解调。 共振解调方法是对轴承进行精 密诊断 的 有效方法 。其 缺点是处理过 程复 杂，监测频 带对分析 结果起决 定性 影响 。监测频带应 该 选择在轴承 系统 的共 振频 区，否则很 容易导 致诊断失败。 5 滚动轴承故障诊断 中的时间 一频率 分析方法 形如 图 2的滚 动轴承振动 信号足 一种频 变信号 。也就是说故障轴承的振 动响应信号 中，随着时间的推 移，信号的频率 成分是不 断改变的 采用普通 的频谱分析技 术将无 法 5 1 基 于 短 时 F o u r i e r变换 的短 样本 分 析 方法 以满足一 定条件的函数 作为窗 r ] 蛹数的 一 个 窗 口 F o u r i e r变 换 称 为 短 时 F o t 】 r i 变 换 ，信号x t 的短 时 F o u r i e r变换 x c ． - ， 定 义 为 X ∞ ， r e ⋯ x t g t r _ 1 2 式 中g t r 为窗 口函数，其中的变 量 r 用于平 移窗函数 x 山 ， r 为 一个 二 元 卤 数，其 中的 ∞ 为频率变量，r为时间变量 ，x ，r 反应 了信号x t 在时刻 r附近频率 结构 。根据滚 动轴承故 障特征信号的特 点，在故障- 生 中 击力 的瞬 间，轴承系统将产生短时的高频振 动， 由于阻尼的存在而迅速衰减。 而住没有 冲击力 作用时，则主要是 由于其它原I 封引起 的一些 低频 干扰成分。从轴承振 动信 号的频 谱图中可 看出，冲击 力产生的振动信号在 滚 动轴承 故障的 振动检 测 疗沽 一王肇阱等 邮编 1 0 0 0 3 8 维普资讯 高频 区内存 在览带 响 应 ．对 x ，r 的 高 频 区 带 范 求 取振 动 能 f 作 为特 征 函数 E r E r j。 - I x ， r d ∞ 3 其中 、 为轴 承 系统共 振 孝 页 区 的下 限 截止频 率 及上 限截 止 频 率E r 反应 r在 时刻 r附近振 动信号x r 在 高频 区段 内的振 动能量分 布情 况，也即表示 r故障产生冲 击 力的分市情 况。 由于 E r 收 集 r振动 信号 在高 频区的能 量信息，因而 具有很高的信噪 比。对该信号作频谱分析则 可诊断出轴承故 障发生的部位。该 方法被称 为短样本分析方 法，其基本原理 如图 5所示。 f 1 ． ’ 曩 I J 敷 肄 ／ ＼ ，， ＼ 十＼ J 【 短H t 闻I 寸 市 韭化 e 5 3 匕 I 【 燕样奉持艟 i 一 一 h 时何 图 5 短样 本分 析方 法 5 2 小波分析在滚动轴承故障诊断中的应用 [ 扫J 小波分析的 多尺 度和 对突变信号的 探测能 力， 庄处理非平稳 信号 上表现小极大 的优势。 同前小波分析在 时间 频 率分 析中 得到 r广泛 的应 用，从前 面 分析 可以 营⋯， 故障轴承振动 信号特点 正是 一种非 平稳的突 变信 号。 因而 小波分析 必有 其用武之地。 小波分析 在时域和频域 同时具有 良好的 局部 化性质，对高频成 份采 用逐 步精 细的取 样步 长，并具有频率吸收 的特 性。 由于小渡 基的正交特点，使快速算法成为可能。围而 必将在轴承故障诊断 中发挥更 大的作用 ，是 轴承故障诊断的最新发展方 向。 6 总 结 对滚 动轴承 的故 障预测和诊 断技术是近 年来 国 内外 发 展 的重 点，经 过 数 十年 的 发 展，在现有的 各类诊断 技术中，振动监删方 法 仍然是最主要的一种方法 总体来 兑，时域分析方 法 比较简便，适 宜于噪声 T扰 ， j 、 的场合 ，是 简 易诊断的好方 法 。频域诊 断方 法中，共振 解调方法最 为可 靠 ，而且非 常成熟 ，适宜 于轴 承故障的精密 珍断。 时f可一频率分析方 法与共振解调方法 相似，由 r 能正确刻划故障信号的时间及频 率特征 ，而具有更大 的优 越 性 黄金科学技术 双 月刊 1 9 9 9年征订启事 黄金科学 技 术是 中国黄金学会的综 台性 科技 期刊， 由中国黄 金学 会和 中国科学院 资 源环境科学信 息中心联 合主舟． 黄金科学技 术 编辑 委 员会编 辑 出版 ，全国公 开发行 ， 内统一千 『J 号 C N6 2 1 1 1 2 ／ T F 国际 标准 于 u 号 I s s N1 0 0 52 5 1 8 。1 9 8 8年 创刊， 1 9 9 6年 入 编 中 学术期刊 光盘版 本 设综述 、地质 、矿床 、采 、选 、冶技术 、国外动态 、学 会活动 、分折测试 、黄金经 济 、黄金材料 、会议消息 、文献 资料等栏 目。 本刊逢双 月出版 ，每期约 1 0万余字．每期囝 内定价5 ． 0 0无．全年定 价3 0 1 0 J 舍邮 费 ，需订单位和个人请 与编辑部联 系。 地址 中同科学院 资源环境科学信 息中心 蔓卅 f 市天 水路 3 4 2号 邮 编 7 3 0 0 0 0 电话 0 9 3 1 8 8 4 2 2 4 5 包 l h 一1 9 9 9 维普资讯