滚动轴承振动信号特性分析

西南交通大学
本科毕业设计（论文）
滚动轴承振动信号特性分析
年级:2010级
学号:********
**:***
专业:机械制造工艺及其设备
****:***
2014年 6月
院系机械工程系专业机械设计制造及其自动化（机械制造）年级 2010级姓名刘元是
题目滚动轴承振动信号特性分析
指导教师
评语
指导教师 (签章) 评阅人
评语
评阅人 (签章) 成绩
答辩委员会主任 (签章)
年月日
毕业设计（论文）任务书
班级 2010机制1班学生姓名刘元是学号 20107151 发题日期：2014年 2月 24日完成日期： 6月 20日
题目滚动轴承振动信号特性分析
1、本论文的目的、意义：滚动轴承的优点众多，因此滚动轴承在工程实践中得到充分的应用。

但是滚动轴承有时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仅会导致机械设备的故障失效，甚至可能造成更为严重或许是灾难性的事故。

本论文主要针对滚动轴承振动信号进行研究，在对滚动轴承结构有一定了解的基础上，重点研究滚动轴承振动信号特点，并基于滚动轴承振动实测信号进行分析验证，掌握常见的信号谱分析方法，并尝试对滚动轴承零件故障进行分析。

2、学生应完成的任务（1）基于滚动轴承振动信号进行常见分析的分析方法，如时域分析、FFT分析、功率谱分析研究所实测振动信号，并得出相应结论。

（2）利用小波或其它信号分析方法研究所实测振动信号，并得出相应结论。

（3）利用MATLAB编制信号分析GUI，实现计算信号特征参数及实现简单的信号分析功能。

（4）完成毕业论文。

3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）
第一部分了解滚动轴承的功能、构成 (2周) 第二部分了解滚动轴承常见的失效形式(2周) 第三部分基于实测滚动轴承振动信号利用功率谱等方法分析其特性 (4周) 第四部分利用典型时频分析方法分析滚动轴承振动信号特性并编GUI(6周) 第五部分论文撰写(2周) 评阅及答辩(2周)
备注(1)CNKI关于滚动轴承故障分析的论文.（2）功率谱分析、小波分析、希尔伯特-黄变换有关书籍（3）matlab编程方面的书籍
指导教师：年月日
审批人：年月日
摘要
滚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。

本文首先分析了滚动轴承的结构和振动故障机理并对滚动轴承的失效形式、振动类型及产生故障的原因进行了较为全面的探讨。

还简单的介绍了滚动轴承振动信号基于时域、频域的分析方法。

对比了正常信号和各类故障轴承型号的时域特征值参数以及时域波线图、FFT谱以及功率谱图等。

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。

其次本文还介绍了小波变换的产生及其发展，并将小波变换与包络谱分析相结合对故障轴承信号进行分析，提取出故障频率并得出分析结果。

最后本文利用matlab软件平台，实现了关于信号分析的用户界面设计（GUI）。

该用户界面设计（GUI）能够实现提取分析信号的特征值，绘制时域、频域图形等功能。

关键词：滚动轴承振动信号故障诊断GUI
Abstract
Rolling has been fully applied in engineering practice, but it is very easy to damage the rolling bearing. Rolling running normally will directly affect the performance of the entire mechanical equipment. Bearing damage, especially damage to not only lead to a sudden failure of mechanical equipment failures, perhaps even more serious cause catastrophic accident. Characteristic signals for rolling bearing fault diagnosis can be analyzed effectively avoid accidents.
This paper analyzes the structure and the failure modes of vibration of rolling bearings and roller bearing failure mechanism, vibration type and cause of failure for a more comprehensive discussion. Also briefly introduced the rolling bearing vibration signal analysis method based on the time domain, frequency domain. Comparative characteristics of normal time domain signal and the value of various types of failures bearing model parameters and time-domain wave chart, FFT spectrum and the power spectrum and so on. In order to effectively extract the rolling bearing fault signal characteristics is proposed based on the resonance demodulation technique and spectral kurtosis method are combined, and apply it to the actual data in the rolling bearing analysis and processing. Found to accurately identify the site and its failure to get its failure frequency. Second, this paper also describes the emergence and development of wavelet transform and wavelet transform and envelope spectrum analysis of the combination of fault bearing signal is analyzed to extract the fault frequency and draw analysis. Finally, the use of matlab software platform, on signal analysis user interface design (GUI). The user interface design (GUI) enables analysis of signal extraction eigenvalues, draw time-domain and frequency-domain graphics functions.
Keywords: rolling bearing,vibration signa,fault diagnosis,GUI
目录
第一章绪论................................................................................................................ V I
1.1研究的背景及其意义 (1)
1.2 关于滚动轴承故障研究概况及发展趋势 (1)
1.2.1 研究概况 (1)
1.2.2 国内外研究现状 (2)
1.2.3 发展趋势 (4)
第二章滚动轴承故障机理及振动信号 (5)
2.1 轴承结构和故障机理 (5)
2.2 滚动轴承失效形式 (6)
2.2.1 正常失效 (6)
2.2.2 非正常失效 (7)
2.3 滚动轴承的振动频率 (8)
2.3.1 固有振动频率 (8)
2.3.2 故障缺陷频率 (9)
第三章滚动轴承故障信号分析 (11)
3.1滚动轴承零件典型故障振动信号 (11)
3.1.1 外圈滚道损伤 (11)
3.1.2 内圈滚道损伤 (12)
3.1.3 滚动体损伤 (12)
3.2时域特征参数分析 (13)
3.2.1有量纲参数 (13)
3.2.2无量纲参数 (15)
3.3振动信号的简单频域分析 (17)
3.3.1 FFT谱 (17)
3.3.2功率谱 (18)
第四章共振解调和谱峭度的轴承信号特性分析 (21)
4.1共振解调故障诊断技术 (21)
4.1.1共振解调技术原理 (21)
4.1.2共振解调技术局限性 (22)
4.2谱峭度法在共振解调故障诊断技术中的应用 (22)
4.2.1谱峭度理论 (22)
4.2.2快速峭度图 (23)
4.3希尔伯特(Hilbert)变换包络检波原理 (24)
4.4工程信号实际分析 (24)
第五章基于小波分解的轴承信号包络谱分析 (31)
5.1小波变换的产生及其发展 (31)
5.2 小波变换的定义 (32)
5.2.1 连续小波变换 (32)
5.2.2 离散小波变换 (32)
5.3实验信号小波分解验证 (33)
5.4工程信号实际分析 (34)
第六章基于Matlab简单的滚动轴承信号分析图形用户界面 (36)
6.1Matlab GUI设计平台简介 (36)
6.2信号分析GUI设计 (36)
结论 (40)
第一章绪论
1.1研究的背景及其意义
科学在技术不断发展和进步，机械设备也愈来愈复杂化、精细化和自动化。

与此同时机械设备的工作环境也越来越恶劣。

由于滚动轴承的优点十分明显如：摩擦阻力小、便于润滑、高效率、易装配等。

所以滚动轴承在工程实践中得到了充分的应用，例如电站发电机、石油转井机、高速列车转向架、飞机发动机等，它们基本上覆盖了石油、交通、电力以及制造等诸多领域。

滚动轴承对于多数机械设备来讲都是关键的构成部件，不过它却是十分容易被损坏的。

许多机械设备的故障原因都由其滚动轴承损坏导致。

根据统计数据，所有的机械故障70%故障振动，振动故障中由滚动轴承引起的约占三成。

分析其缘由可发现这是由于滚动轴承的工作的环境相当差并且在机械设备中承载载荷，传递载荷。

滚动轴承损伤尤其是突然的损坏不仅导致机械设备故障，甚至造成更严重的乃至毁灭性的性的事故。

总而言之，对滚动轴承振进行振动信号的特性分析，对于诊断轴承零件的故障有重大的科学意义和工程意义。

1.2 关于滚动轴承故障研究概况及发展趋势
1.2.1 研究概况
保障在确定时间以内和确定的环境下滚动轴承可靠、高效的运转是对其故障诊断的主要目的。

其中滚动轴承故障诊断过程三个主要步骤分别为信号的测试与采集、信号故障特征的提取、故障诊断和分类。

其主要的诊断过程如图1-1所示：
图1-1 滚动轴承诊断故障
目前，在滚动轴承故障诊断方面的方法很多。

其中，振动分析的方法是众多
检测方法中最有效的方法之一，也是最准确的方法之一。

滚动轴承发生故障的时候，常常会有以下表现如：振动异常、噪声增大等。

我们需要一种简而有效的振动信号处理方法进行分析并判别运行状态。

其中进行振动分析的关键部分则是如何精确而便捷的提取故障信号特性，同样而今故障诊断领域的困难之处也在于此。

1.2.2 国内外研究现状
基于时域、频域的信号分析以及时频域的信号分析是振动信号的提取的三个重要方式。

时域分析是在故障信号中最早应用的方法。

时域信号的特征参数主要分为量纲参数、无量纲的参数、以及概率分布特征等。

Koizumi、Wheeler分别应用了时域信号的峰值、有效值等有量纲参数来鉴别滚动轴承是否发生了故障。

Dyer等发现了滚动轴承的载荷大小以及转速变化对峭度几乎没有影响，认识到峭度只是和故障的程度有关系，从而可以用峭度来体现轴承是否发生了故障。

Balderston等人对轴承活动进行剖析总结，获得了滚珠某些特征的频率算法。

总体而言时域分析法有简单快捷的优点，但易受噪声影响。

目前时域分析法的应用场合一般干扰较小、非精密诊断的地方。

在对频域进行时，FFT在轴承信号故障分析领域的用处尤为重要。

此外。

在此基础上另一些研究人员提出了功率谱分析、包络分析等一系列方法，实现了早期的对轴承故障的精密诊断。

1974年，来自美国的学者Harting发明了一种分析系统其原理是应用的共振解调技术。

针对滚动轴承，共振解调技术能够将其早期的损伤类类型的故障做出有用的判断，更能准确判定滚动轴承的故障类型。

D.Ho 和R.B.Randall 提出了将自适应降噪技术与包络解调分析两者相结合，利用两者的优点，发现这样能够十分有效地减少轴承故障特征提取时噪声造成的影响。

在国内，刘金朝教授等提出的自适应性的共振解调方法十分有效的解决了滤波器中心滤波频率的选择以及带宽选择的问题。

但是，由于其内部旋转部件振动以及噪声的干扰，目前频域分析也仅仅应用于滚动轴承的简单诊断。

众多的学者随着对滚动轴承故障越来越深入的研究开始认识到，由于滚动轴承故障信号具有非线性、非平稳性的一些特点，仅仅应用时域、频域的分析方法得到的结果并不一定准确可靠。

国内外许多学者将基于时频域的分析方法开始应
用到轴承故障进行特征提取，有十分良好的效果。

此后，小波变换算法由J.Morle 提出，S.Mallat对此进行了改进。

该方法在滚动轴承故障诊断中有显著的效果。

我国的傅瑜教授采用二进制离散小波代替了连续小波，运用到滚动轴承的内外圈故障检测中，产生了明显的效果。

N.G.Nikolaou 等人联合小波包变换与共振解调，从而实现了对于滚动轴承的故障特性的获取以及对故障类型的鉴别。

国内的陆爽教授结合小波变换和希尔伯特变换，可对隐藏在高频噪音中滚动轴承故障信号进行了提取。

N.E. Huang提出的希尔伯特—黄变换有效地克服了小波正交基选择困难、无自适应性等一些弱点。

该方法对于分析非平稳、非线性信号来说具有的自适应性、自正交性以及完备性等优点，该方法出现之后众多学者对此表现出了极大的兴趣和关注。

国内的杨宇等人结合经验模态分解和奇异值分解方法来诊断滚动轴承故障而且能准确的判别故障类型。

浙江大学的孙晖教授在带通滤波后利用经验模态分解提取出了故障滚动轴承的特征信息。

随着科学技术研究的发展，许多特殊方法也相继出现，如：混沌识别法、分形方法、盲源分离法等。

盲源分离法是一种新的信号处理法，具有非常强大的功能，为了实现判定振源工作状态，能够做到在没有任何的先验知识情况下，仅仅根据从传感器的采集信号就能实现分离出我们所需要的信号的强大功能。

从21世纪开始，许多学者将盲源分析法与自己研究领域结合，创造性的提出了一系列的新方法。

盲源分离方法中的独立分量分析方法是应用最为广泛的研究方式之一。

该方法具有良好的辨别能力和特征信号提取能力，能够准确地检测到振源状态。

我国李良敏学者将遗传算法和盲源分离算法相结合，钟飞等将独立分量分析法结合小波变换，并将其应用到滚动轴承的故障诊断中，效果不错。

在轴承的故障的判断过程之中，准确获取能够表现故障的一些特定的向量十分紧要，其中首要环节就是故障模式识别。

学者运用模式的识别来模拟人类大脑的思维，这种模拟也被称为人工智能。

神经网络识别与统计模式识别是故障检测与诊断的两种重要模式识别方法。

而神经网络识别法在故障判定领域的使用更为广泛。

关于滚动轴承的故障诊断研究，国外拥有相对先进的技术，在研究同时开发了许多故障诊断仪器。

瑞典斯凯孚公司研制了与计算机相结合的轴承分析仪、轴
承自动分析系统等一系列产品。

瑞典的埃司彼姆公司研发了轴承监测技术，美国的本特利公司研究出了REBAM系统等。

在中国，研究轴承的状态监测和故障诊断起步相对较晚，大约开始于上个世纪八十年代，却发展迅速，成果显著。

航空航天部研制出了一种轴承故障的实验检测系统。

南航振动所研制出了MDS系列的滚动轴承故障检测系统。

1.2.3发展趋势
滚动轴承的故障诊断方法在分析方法、计算机科技、智能科技的持续进展的同时也在持续进展。

日后发展方向可能表现为：（1）基于FFT的传统滚动轴承信号分析技术随着小波变换、希尔伯特—黄变换等信号处理方法的不断改进会产生新进展。

（2）模糊理论、神经网络与和专家系统等将会更加广泛的应用到滚动轴承的信号处理故障分析当中。

（3）单一的检测方式取得的特征信号不能完全反映轴承全部故障信息，所以小波分析和神经网络等技术可能会相互结合取长补短产生新的信号分析故障诊断方法，能够提升滚动轴承故障特性诊断的准确度。

（4）现代网络技术的高速发展对故障诊断也产生了重要影响，基于互联网的远程的故障诊断技术也将会是有发展潜力的方向之一。

第二章滚动轴承故障机理及振动信号
因为振动检测法具有检测信号易于处理、直观、适用效果优良的优点，在滚动轴承检测与故障诊断得到了广泛的应用。

振动信号是轴承各种信息也包括故障零件信息的有效承载物，性质十分不错。

但是如果对于滚动轴承的特征没有仔细认真分析和研究，则对滚动轴承的振动信号分析就会显得很盲目，可能导致无法成功有效的诊断出故障原因及其类型。

本章将会较为全面对轴承的构造、振动的机理、振动形式、失效的分类和故障出现的缘由进行探讨。

2.1 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。

如图2-1，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。

轴承外圈轴承内圈
滚动体保持架
图2-1 滚动轴承结构
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。

2.2 滚动轴承失效形式
根据振动信号的特点，轴承出现损坏时其信号大概可分为两种：磨损类型与损伤类型。

轴承元件表面裂纹，点蚀，擦伤和剥落等情况属于损伤类型的故障。

而因润滑不佳而导致的轴承面直接接触或者因异物落入而导致的磨损属于磨损类型的故障。

当轴承有磨损类型的故障发生的时候，振动的信号会发生强烈随机性而且不能发现显著的周期信号。

这时候能够经过对轴承的振动水平进行探究从而对这种故障进行判断。

损伤类故障则是滚动轴承失效的经典模式。

总而言之，滚动轴承失效形式如下：
2.2.1 正常失效
（1）正常疲劳失效
正常疲劳失效是指轴承运行时间高出了计算的额定寿命，产生了疲劳剥落。

轴承面在运行时不断地产生应力的循环最终高出了轴承的疲劳极限，这是疲劳剥落之根本原因。

疲劳剥落一般表现为次表层首先开始产生裂纹，然后逐渐朝表面层扩散，导致轴承表面产生裂纹或者有不规则碎片剥落。

这种不规则的碎片会在轴承表面形成点蚀小坑，只要点蚀发生了就会马上发展，整体的疲劳剥落可能会
在短期内突然发生。

此时应该马上更换轴承，否则可能因为轴承的损坏对安装部位以至于对整个机械设备产生严重后果。

由于材料已经被充分利用了，正常的疲劳失效在实际生产中其实是不可避免的。

（2）正常磨损失效
磨损同样为轴承失效的基本情况之一，所谓滚动轴承磨损一般是由于摩擦造成的。

而正常磨损失效是指滚动轴承运行时间或者总转数超过计算寿命，导致了过度磨损。

润滑是将相对运动界面加入润滑剂介质，其功能是降低摩擦、减少磨损，但是润滑实际上并不能避免两物体表面固体接触，也就是说润滑可以减少磨损但并不能避免磨损。

磨损的表现为：磨损条纹一般出现在沿运动方向的磨损表面，新出现的磨损条纹金属光泽十分明显。

总体而言，滚动轴承磨损分为三个阶段。

首先发生短期的“跑合”磨损，随之而来的是连续长时间的平缓磨损，最后短时间内发生的剧烈磨损，最后导致轴承磨损失效需要重新更换轴承。

事实上，正常的磨损失效在生产中同样也是无法避免的。

但可以通过改进轴承润滑、改进密封等方式而提高滚动轴承使用寿命。

2.2.2 非正常失效
1）非正常磨损失效与非正常疲劳失效
因为润滑杂质或者机械缘故导致的滚子，轴承滚道，保持架或者轴颈部位的表面磨损会导致轴承的非正常失效。

滚动轴承有时工作环境非常恶劣，润滑油里可能有混杂的许多渣滓并且进入轴承，以至于滚动滚道上和滚子发生磨损，并且有散布不均的划痕呈现。

润滑不佳和强迫安装也会引起轴承的非正常疲劳失效，表现为滚道表面或滚子剥落。

引起剥落的重要缘由同样还是由轴承的载荷导致的交变应力。

2）腐蚀失效
滚动轴承表面与外界的环境之间有氧化还原等反应发生，导致轴承表面损坏的失效被称之为腐蚀失效。

燃料、湿气以及品质不佳润滑油等都可能和滚动轴承表面发生化学反应，从而腐蚀轴承表面。

一般而言，滚动轴承外表面的腐蚀能够分为以下几类：第一种是电介质腐蚀，第二种被称之有机酸腐蚀，第三种是电流类腐蚀，第四种似其他介质的腐蚀情况。

腐蚀会导致滚动轴承表面出现腐蚀反应
物或者氧化膜，这些物质会在轴承的荷载作用下剥落，最终形成滚动轴承的腐蚀失效。

3）断裂失效
轴承零件的突然断裂将会引发突发性事故可能会造成严重后果，而过载和缺陷是引起轴承断裂失效的两大重要因素。

滚动轴承外加的载荷大于了其能够承受的强度限制，从而引起其中零件的断裂被称之为过载类型的断裂。

另外，若轴承零件有内部存在缺陷的情况，在一般的荷载情况下也可能导致轴承零件的断裂，这种情况被称为缺陷类型的断裂。

4）压痕失效
由于轴承过载，遭受强冲击载荷以及异物侵入，从而滚子或者滚道面上产生部分的形变并有凹坑出现被称之为压痕。

压痕产生的原因主要有：载荷过大、安装不当、异物的侵入、组装或者运输过程中受到冲击等。

可以根据压痕产生的原因有的放矢进行改进，避免压痕失效。

5）胶合失效
胶合是指某表面的金属材料粘连到了另外表面的情况。

对于轴承而言，胶合一般在有产生滚动接触的相互表面。

由于速度太高、润滑不佳、载荷过大等原因，轴承零件的温度将会急剧上升，导致轴承表面烧伤及损坏产生污斑状的胶合现象。

2.3 滚动轴承的振动频率
2.3.1 固有振动频率
滚动轴承在工作时，滚动体和内圈或者滚动体和外圈之间有产生冲击冲击的可能，滚动轴承元件因此会产生振动。

对于这一类受迫的振动，当滚动轴承零件的固有频率和振动的频率一样的时候该振动将会加剧。

而轴承固有的频率与旋转速率无关只是和轴承元件的自身的状态，质量以及材料等有关系。

该固有频率可计算求得。

滚动体钢球的固有频率为：
0.424b f r =
= （2-1） 式中：
r 指滚动体半径(m)，ρ指该材料的密度3(/)kg m ，E 指材料的弹性模量2(/)N m 。

在圈平面里轴承套圈固有频率：
2r f -= （2-2） 式中：
I 指绕着中性轴套圈横截面的惯性矩
4()m ，N 是节点数，a 是指中性轴离回转轴线的距离(mm)，E 指材料的弹性模量
2(/)N m ，M 指确定单位长度的套圈质量(kg)。

对于滚动轴承的内、外圈其固有频率为：
25
29.4010n h f D =⨯⨯ （2-3） 式中：
H 指圆环的厚度(mm)，N 是节点数，D 是指圆环中性轴的直径(mm)。

2.3.2 故障缺陷频率
当滚动轴承零件发生故障的时侯，具有特定频率的冲击将会发生，从而导致轴承的振动发生，引起周期性的脉冲。

这种周期性的脉冲具有瞬时、突变的特点。

轴承各个零件产生故障，一般来说故障的特征频率都不一样。

滚动轴承不同零件的故障缺陷频率分别为：
（1）外圈故障频率：
=r/601/2n (1-d/D cos )BPFO f α⨯⨯⨯⨯ （2-4） （2）内圈故障频率：
=r/601/2n (1+d/D cos )BPFI f α⨯⨯⨯⨯ （2-5）
（3）滚子故障频率：。