时域分析

机械振动故障诊断中时域参数指标的分析

一、滚动轴承的失效形式

1.疲劳剥落

在滚动轴承的滚动或滚动体表面，由于承受交变负荷的作用是接触面表层金属呈片状玻剥落，并逐步扩大而形成凹坑。如继续运转，则将形成面积剥落区域。由于安装不当或轴承座孔与轴的中心线倾斜等原因将使轴承中局部区域承受较大负荷而出现早期疲劳破坏。

2.磨损

当滚动轴承密封不好，使灰尘或微粒物质进入轴承，或是润滑不良，将引起接触表面较严重的擦伤或磨损，并使轴承的振动和噪声增大。

3.断裂和裂纹

材料缺陷和热处理不当，配合过硬两太大，组合设计不当，如支撑面有沟槽而引起应力集中等，将形成套圈裂纹和断裂。

4.压痕

外接硬颗粒物质进入轴承中，并压在滚动体与滚道之间，可是滚动表面形成压痕。此外，过大的冲击负荷也可以使接触表面产生局部塑性变形而形成凹坑。当轴承静止时，即使负荷很小，由于周围环境的振动也将在滚道上形成均匀分布的凹坑。

5.腐蚀

电机或者机械漏电或者有部分静电时产生电流，一般轴承都是需要使用，在轴承内部可以在轴承的内圈、外圈、滚动体之间产生油膜（很薄左右），电流可以击穿轴承内部的（油膜），造成轴承内圈、外圈、滚动体之间的直接接触、在接触的表面会产生电击，对轴承的沟道造成损伤，从而引起轴承早期失效。

6.胶合

指滚道和滚动体表面由于受热而局部融合在一起的现象。常发生在润滑不良、告诉、重在、高温、启动加速度过大等情况下。由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面灼伤或某处表面上的金属粘附到另一表面上。

二、时域参数主要参数指标

峰值、均值、方差、歪度、峭度、均方根值，波形指标、脉冲指标、峭度指标、歪度指标和裕度指标。其中前一类是有量纲指标，后一类是无量纲指标。

1.峰值

在某个时间段内幅值的最大值。由于它是一个时不稳参数，不同的时刻变动很大，因此常用来检测冲击振动。

2.均值

指在一组数据中所有数据之和再除以这组数据的个数，这里指所有幅值的均值。反映了数据趋势的大小。信号的均值反映信号中的静态部分，一般对诊断不起作用，但对计算其它参数有很大影响，所以，一般在计算时应先从数据中去除均值，剩下对诊断有用的动态部分。 计算表达式：11N i i x x

N ==∑。

3.均方根值

也称有效值，在电路中定义为一确定的交流电相当于多大数值的交流电在相同时间内所做的功一样。它用来反应信号的能量大小，特别适用于具有随机振动的性质的轴承测量。在滚动轴承的故障诊断中，均方根值可以用来反应各个滚动体在滚道上运动时，由于制造精度差以及工作表面点蚀所产生的不规则振动状况。制造精度愈低或轴承磨损程度愈大，则均方根值值愈高。对于正常轴承以及表面发生点蚀的轴承均方根值很稳定，不受偶然因素的干扰；但对于表面剥落或局部损伤产生的冲击脉冲振动波形，脉冲幅值的大小均方根值是反映不出来的。

计算表达式：x x = 4.偏斜度（歪度）

歪度α反映对纵坐标的不对称性，如果α越大，不对称越厉害。 计算表达式：()

311N i i x x N α==-∑。

5.峭度

峭度是把幅值进行四次方处理，一个脉冲信号按四次方关系变化后，高的幅值就被突出来，而低的幅值被抑制，这样就很容易从频率上识别故障。当轴承出现初期故障时，有效值的变化还不大，但峭度值已有明显增加，因此它比测量有效值能提供更早期的预报。但峭度值只能反映进展中的故障，当故障到达一定程度后，在整个频带范围内各波峰都是同样水平的尖峰脉冲波，峭度指标值变化也不大。也就是说轴承良好状态和严重故障状态下的峭度指标几乎是相同的。 计算表达式：()411N r i i x x x N

==-∑。 6.波性指标

均方根值除以绝对平均值。 计算表达式：x f x S x

=。 7.峰值指标

即峰值除以均方根值。有效值虽然能反映出轴承工作表面因制造质量差或磨损引起的表面粗糙状况，但不能反应轴承元件上的局部剥落、擦伤、刻痕和凹坑等一类离散型缺陷，这种离散型缺陷产生的脉冲虽然总能量并不大，但波形的尖峰增加了。如峰值并不大，但是有效值较高，这可能是轴承工作表面粗糙引起的；如有效值较小，而峰值却很高，这种尖峰可能是轴承工作表面上存在离散型缺陷。 计算表达式：max f x

x C x =。 8.脉冲指标

即峰值除以绝对平均值。和峰值指标一样都是用来检测信号中是否存在冲击振动。由于峰值的稳定性不好，对冲击的敏感性也较差，因此在故障诊断系统中逐步应用减少，被峭度指标所代替。 计算表达式：max

f x I x =。

9.峭度指标

表示实际峭度相对于正常峭度的高低，峭度指标反映振动信号中的冲击特征。 计算表达式：r

f x K β=， 其中()411

N r i

i x x x N ==-∑，()2

211N i i x x N β=⎡⎤=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦

∑4σ=。 10.裕度指标

一般用于检测机械设备的磨损情况。若歪度指标变化不大，有效值与平均值的比值增大，说明由于磨损导致间隙增大，因而振动的能量指标有效值比平均值增加快，其裕度指标也增大了。 计算表达式：max f r

x L x =，

其中1

1N

r i x N ==。 11.歪度指标

反映振动信号的非对称性。由于存在某一方向的摩擦或碰撞，造成振动波形的不对称，使歪度指标增大。 计算表达式：()313

1N i i w r x x N C x =-=∑， 其中

r x = 三、时域参数指标在机械振动故障诊断应用范围和优缺点

1.有量纲参数指标和无量纲参数指标比较

有量纲的幅值诊断参数值虽然会随着故障的发展而上升，但也会因工作条件（如符合、转速、记录仪器的灵敏度等）的改变而改变，实际上很难加以区分。通常希望幅值诊断参数对故障足够敏感，而对信号的幅值和频率的变化不敏感，即跟机器的工作条件关系不大，为此引入了无量纲的幅值参数。无量纲参数不受工作状况的影响，能够很好的完成轴承的疲劳诊断。

一般，随着故障的增大，均方根值、方根幅值、绝对平均值、峭度及峰值会不同程度地增大，且峭度最为敏感。峭度对探测信号中含有脉冲的故障最敏感、有效。原始数据幅值增加一倍，有量纲幅域参数增大，无量纲幅域参数不变。

对于正弦波、三角波，不管频率、幅值多大，这些参数的值不变；这是由于频率不会改变幅值概率密度函数，而幅值的变化对算式的分子、分母影响相同。对于正态随机信号，波形指标、峭度指标为定值，其余指标随峰值概率减小而上升。

峭度指标、裕度指标、脉冲指标对冲击脉冲类故障比较敏感。特别是故障早期时，大幅脉冲不很多，此时均方根值变化不大，但上述指标已增加，当故障发展时，这些指标会增加，但随着故障的逐渐发展，反而会逐渐下降，表明它对早期故障敏感，但稳定性不好；一般情况下，均方根值的稳定性较好，但对早期故障不敏感，对表面裂纹无规则振动波形异常敏感，稳定性好。峰值在初期阶段轴承表面剥落以及突然的外界干扰或灰尘引起的故障比较敏感。

倾斜度指标一般用来判断磨损情况，峭度指标用于测量局部缺陷，对轴承圈出现裂纹、滚动体或轴承边缘剥裂比较敏感。

2.无量纲时域参数对故障的敏感性与稳定性的比较