共振解调技术在轴承故障诊断中的应用

共振解调技术在轴承故障诊断中的应用1 绪论1.1背景:随着工业化的进程，机械系统的运行可靠性越来越受到了人们的重视。

牵引电机滚动轴承是电机设备中常用的部件，并且是故障率非常高的零部件之一，所以对牵引电机滚动轴承的故障诊断就显得十分重要。

本文就是利用共振解调技术对滚动轴承进行故障诊断。

共振解调技术是近几年逐步发展起来的一门新技术，这种方法简单，易实现，加上很好的可靠性，使得共振解调技术在故障诊断领域有了广阔的发展前景。

1.2滚动轴承故障诊断的目的机械设备能够正常运行，取决于很多因素，其中很重要的一点就是在一定的工作环境和期间内，机械设备中的滚动轴承是否能够可靠有效的运行。

滚动轴承故障诊断，就是要在设备运行时，采集运行时的诸如振动或者温度等等能反映轴承运行状态的数据，通过对这些数据的分析，来发现轴承是否已经损坏，从而及时预防事故的发生。

状态检测，故障诊断，指导轴承的管理维修是滚动轴承故障诊断的基本方向。

(1)状态监测状态监测，就是通过各种检测方法，加上机械系统的历史和现状，考虑各方面的影响因素，对轴承的运行状况进行评估，并且对一些我们最关心的数据，要显示出来，如果超出了某个预设的值，要能够及时作出反映，报警，从而让工作人员在事故发生的萌芽期就将其解决，记录下来的数据，无论是正常运行还是出现故障的，今后对设备故障分析，评估都是非常有用的，提供了基础数据。

(2)故障诊断故障诊断，就是在前面状态监测的基础之上，利用采集到的数据，通过各种分析方法，对数据进行处理，当然还要结合实际的测量情况，通过分析，可以基本上判断出来轴承是否已经损坏，以及损坏的程度，如果损坏二还要通过分析找到损坏的位置，性质，程度，以提出该轴承的发展趋势，和继续使用的后果。

(3)指导轴承的管理维修根据诊断结果，做出轴承维修的方案，轴承的损坏程度不同，解决方法也不一样，比较严重的，应当立即维修或者更换，如果是早期比较小的问题，要对其之后的发展趋势做出评估，从而制定合理的维修计划。

这样，可以避免很多无用的定期维修制度，也可以避免维修不足的缺点。

滚动轴承状态监测和故障诊断一方面是预见了事故，保证了人身和设备安全，另一方面也提高了经济效益。

可以看到，滚动轴承故障诊断的重要性。

1.3共振解调技术的出现随着FFT技术的产生和发展，对振动信号的频谱分析技术也得到了长足的进步，多种频谱分析仪也相继问世。

通过测量滚动轴承损伤时产生的振动频谱的特征频率，与用频谱分析仪实际测量分析得到的频率做对比来判断轴承是否存在故障。

通过研究两个支撑振动的相位，来判断故障的类型。

故障产生的大量谐波，只凭借单一的谱峰也无法表明故障的严重程度，在各谐波分量处均有能量的分布，图谱也会非常复杂，难以识别。

对中低频段进行FFT 分析，有时可以分辨出故障频率，但是由于其他干扰，低频振动能量会比轴承特征频率的能量高很多，所以在低频段，特征频率会被其它振动能量淹没。

再加上即便是一个好的轴承，中低频段也能够产生轴承的特征频率，所以识别特征频率一般不应该在中低频段进行。

在有比较高的专业知识的前提下，可以通过研究谱分析方法，进行诊断。

但是实际生产中往往没有那么多专门研究这方面的工程师，所以不便于推广。

倒频谱的方法，虽然可以在一定程度上克服谐波的影响，但是倒谱的复杂程度，让人难以识别，再者，倒谱也判断不了故障的严重程度，尤其是在没有谐波或者较弱时，倒谱的自相关处理失效。

谱峰识别精度要求比较高的时候，可以采用细化技术，但是这种方法的局限性在于，当由于其他原因使得峰值位置变化时，细化谱本来的地方就捕捉不到谱峰了，还需要做出相应的调整。

共振解调的方法目前来说是一种应用非常广泛的故障诊断方法。

通过一些其他器件的谐振，将本来较微弱的故障冲击放大，这样可以提高故障诊断的灵敏度，并且通过故障振动信号的共振解调频谱，可以判断轴承的故障情况，故障位置。

共振解调法有效区分环境中的振动干扰，将故障产生的振动放大「3]。

总的来说，共振解调技术具有其特有的对应性，选择性，放大性，比例性，展宽性，低频性，多阶性等特性，非常易于识别故障。

本文就是要研究用共振解调技术对轴承故障进行诊断。

2滚动轴承故障诊断理论基础2.1滚动轴承故障形式和成因材料存在缺陷，不符合规格的加工或者装配，润滑不良，水份和异物侵入，都可能导致滚动轴承的存在不同程度的早期损坏。

滚动轴承在长时间的运转过程中，即使其他一切条件都正常，也是有可能出现比如疲劳剥落，磨损等故障的，从而影响机械设备的正常工作。

总的来说，滚动轴承的故障形式主要有:(1)磨损滚动轴承的表面磨损一般是由于轴承滚道和滚动体之间的相对运动造成的，异物的侵入，尤其是如果润滑不良时，便面磨损会更加严重。

轴承磨损会导致游隙增大，使轴承滚动面粗糙度增加，结果就是降低了轴承的运转精度，进而降低了整个系统的精度，使系统的噪声和振动增大。

精密仪器中，磨损情况往往会大大限制轴承的使用寿命。

当轴承没有旋转时，如果受到振动，会导致滚动体和滚道之间发生微小的相对滑动，结果会在滚道上留下波纹状的磨痕，此类磨损就是所谓的微振磨损。

(2)疲劳剥落疲劳剥落是指在滚动轴承工作时，滚道和滚动体之间相互作用，一开始在表面下承受最大应力出可能会出现裂纹，随着长时间的运行，滚动，裂纹会更加严重，继而扩展到接触面上发生剥落坑，最后造成大片的剥落。

疲劳剥落产生的冲击载荷，会使轴承工作的振动和噪声加剧，可知，如果没有其他因素，疲劳剥落就是滚动轴承故障的主要原因。

轴承的疲劳寿命其实就是我们一般所说的轴承寿命。

轴承运转过程中，当遇到零件上的疲劳剥落凹坑时，会产生冲击振动。

该冲击力的脉宽是比较小的，一般在微秒级，频谱宽度与脉冲持续时间成反比，所以疲劳剥落产生冲击力的频谱可以从0Hz延展到100-500KHz，这个范围必定覆盖到了整个系统包括传感器等的固有振动。

选择测点位置时，考虑到冲击发生处到测量点的的传递特性的影响，要选择接近承载区的位置，使得振动传递界面越少越好。

分析冲击产生的振动，一般有两个方向:一是直接分析振动数据，滚动体缺陷部位产生的反复冲击力形成1KHz以下的低频振动，也就是滚动轴承的通过振动，这是分析轴承性能非常重要的特征信息之一，但是在早期诊断中，低频段的环境噪声干扰一般都比较大，很难从中区分出故障信息，所以想用直接分析的方式得到故障信息比较困难;另一个方向就是针对故障引起的轴承零件的固有振动进行分析，滚动轴承实际测量中，一般可以用到的固有振动有三种:i.轴承内、外圈的径向固有振动，频带范围一般在1-8KHZ之间。

ii.轴承零件的其他固有振动，这里覆盖到的频率范围多在10-60KHz之间。

iii.加速度传感器的一阶固有频率，其频率中心一般选择在10-25KHz之间。

正常轴承运行时，振动频率成分主要都集中在低频段，但是当轴承有疲劳损伤剥落后，虽然在低频段中的频率变化似乎并不明显，但是如果注意观察，在比较高的频段上，出现了很多峰值。

这些峰值的中心频率是跟整个振动系统的固有振动有关的。

还可以看到，疲劳剥落后的故障轴承其振动信号的峰值要比正常轴承大，且峰值更多，也就是整个振动能量增加了，可以判断，这是由于疲劳剥落产生的冲击振动引起的。

(3)塑性变形机械系统在工作负荷过重时，滚动轴承也会相应的受到过大的冲击载荷，运行温度过高时，也可能引起额外的载荷，如果滚道上侵入了高硬度异物，很可能会在滚道表面上形成凹痕。

以上原因所引起的故障冲击载荷，如果不加以控制还会进一步导致附近其他表面的剥落。

(4)腐蚀腐蚀是导致很多设备产生故障的原因，滚动轴承也不例外。

有水分侵入轴承时，会引起腐蚀。

温度比较低时，空气中的水蒸气会在轴承表面凝结成水滴，同样会引起腐蚀。

另外，有时轴承内部可能会有电流通过，电流通过很薄的油膜时产生的火花，会使轴承表面熔融，留下一些凹凸不平的波纹状痕迹。

在精度要求比较高的时候，腐蚀会十分影响设备的精度，导致设备无法继续使用。

(5)断裂断裂，是非常严重的问题了。

一般是由于载荷已经超过了轴承所能承受的极限强度时才会发生断裂。

不过有时由于不当的热处理或加工装配部件时产生的过大的应力也可能导致轴承零件的断裂。

(6)胶合对于滚动轴承而言，在润滑不良，加上高速重载时，由于摩擦产生的高温，使得轴承零件这样的高温下产生表面烧伤，或者金属粘附的现象，就是胶合。

(7)保持架损坏如果在轴承装配时，或者在使用的过程中操作不当，就可能导致轴承保持架发生形变，导致保持架与滚动体之间的摩擦增大，严重时会使某些滚动体卡死不能正常滚动。

轴承运行过程中，保持架与滚动体之间的摩擦也可能导致其不同程度的损坏，从而使得整个系统的振动噪声增加2.2滚动轴承振动机理滚动轴承的内圈一般与机械传动轴相连，外圈与轴承座相连，内圈要随着轴一起转动，外圈则保持相对固定。

机械运转时，如果出现故障，或者没有故障时轴承本身的结构特点，生产时的误差，都会导致一定程度的振动产生。

轴承通过传动轴连接到其他部件，运转时这些外部的振动也可能通过传动轴影响到轴承，总之，整个系统运转过程中，无论是轴承本身的原因还是系统其他零部件的原因，都可能产生激励，使该系统振动。

在滚动轴承故障诊断过程中，我们布置在轴承座上的传感器所拾取到的振动信号，是综合了整个系统所有因素导致的一切振动包括轴承内部原因和外部系统的各种激励。

排除掉轴承本身生产时的问题，我们想要研究的是这些振动中由于轴承故障所引起的振动。

在复杂的振动信号中，想要分离出对我们有价值的故障振动信号，首先我们得知道这些故障信号区别于其它振动信号的特征，而内部故障信号的产生一般是由三种因素所引起的:(1)轴承本身结构特点及加工装配误差引起的振动滚动轴承中，各滚动体的受力情况是不一样的，滚动体是轴承承受负荷的部分，运行中滚动体与滚道接触，产生弹性形变，滚动运动到不同位置时，受力情况也是不一样的。

内圈随轴的转动过程中，轴心位置会发生周期性的变化，于是旋转轴会产生周期性的振动。

这样的振动，转速越低，表现也越明显。

轴承元件加工时的问题，有时也会给轴承故障埋下隐患。

表面波纹度，粗糙度，形位误差，还有装配时带来的误差，运转时产生的冲击力都会导致轴承系统的振动。

虽然类似这样生产装配带来的振动有周期性的特点，但是这样的振动有很大的不确定性，产生的因素也很复杂，且这些因素之间也没有特定的关系，所以总的来说这些振动的随机性都较强，频率成分复杂多样。

(2)轴承运行故障引起的振动滚动轴承运行过程中，磨损类故障和点蚀，剥落，擦伤等损伤类故障所产生的振动信号的特征有所不同i.磨损磨损类的故障，通常是轴承在经历了比较长时间的使用之后，逐渐发生磨损，是一种渐变性的故障。

轴承表面磨损后的振动是无规则的，随机性也比较强，这一点跟正常轴承的振动比较相像，不同的是磨损后的振动信号幅值会更大，这点也是磨损类故障的基本特点。