滚动轴承不同劣化程度故障的动力学响应分析研究
【精品】滚动轴承失效模式及研究方法
– 疲劳失效指滚道和滚动体上发生 碎裂，并随之产生材料碎片脱落
– 这种疲劳为逐渐发生，一旦开始 则迅速扩展，并伴随明显的振动 增加
– 更换轴承，和设计有更长疲劳寿 命的轴承
5
轴承故障原因及其解决
反向载荷
– 角接触轴承的设计只接受一个方 向的轴向载荷
– 当方向相反时，外圈的椭圆接触 区域被削平。。。
•第一阶段
•第二阶 段 •第三阶段
•第四阶段
14
滚 动 轴 承 故 障 发 展 的 四 个 阶
段•第一阶段•只是 Nhomakorabeag SE有明显指示
•第二阶段
•g SE明显增大，开始出现 轴承零件共振频率并伴有1X 转速频率边带
•第三阶段
•A.仅出现滚动轴承故障频 率(没有1X边带频率)
•B.滚动轴承跑道圆周上出 现轻微磨损时，便出现轴 承故障频率的谐波频率
障频率尖峰 轴 承 剩 余 寿 命 大 于 B-10 规 定 的 百 分
之十(注)
注：基于百分之九十的置信度
16
滚动轴承故障发展的第二阶段
噪声略增大
轴承温度正常
超声，声发射，振动尖峰能量有大的 增大，轴承外环有缺陷
振动总量略增大(振动加速度总量和振 动速度总量)
在对数频谱上可清楚地看到轴承故障 频率，而在线性频谱上难以看到；噪 声地平明显提高
轴 承 剩 余 寿 命 小 于 B-10 规 定 的 百 分 之 五 ( 注)
注：基于百分之九十的置信度
17
滚动轴承故障发展的第三阶段
可以听到噪声 轴承温度略升高 非常高的超声，声发射，振动尖峰能
量，轴承外环有故障 振动加速度总量和振动速度总量有大
的增大 在线性频谱上清楚地看出轴承故障频
轴承故障原因分析及处理方法
轴承故障原因分析及处理方法[摘要]：本文介绍了轴承常见故障和处理办法，总结了避免故障发生的几种办法，保证生产的连续性。
[关键字]：轴承；故障率高；处理措施；一、前言：轴承是生产线设备上常用的支撑轴零件，它可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件，由于其使用量大，生产过程中经常出现故障，给车间生产的连续性和产品质量的保障带来严重影响。
因此，迅速判断故障产生的原因，采取得当的解决措施，保证设备的连续运行是确保产品质量的重要基础和保证。
二、轴承故障原因分析：导致轴承故障率升高的常见原因：1、润滑不良，如润滑不足或过分润滑，润滑油质量不符合要求，变质或有杂物。
2、轴承异常，如轴承损坏，轴承装配工艺差，轴承各部位间隙调整不符合要求。
3、振动大，如联轴器找正工艺差不符合要求，转子存在动、静不平衡，基础刚性差、地脚空虚以及旋转失衡，喘振。
三、轴承发生故障时的处理方法：轴承出现故障时，应从以下几个方面解决问题1、加油不恰当，润滑油加的过多或过少。
应当按工作的的要求定期给轴承加油。
轴承加油后有时也会出现温度高的情况，这主要是加油过多。
2、轴承所加油脂不符号要求或被污染。
润滑油脂选用不合适，不易形成均匀的润滑油膜。
无法减少轴承内部的摩擦和磨损，润滑不足，轴承温度升高。
当不同型号的油脂混合时可能发生化学反应，造成油脂变质，结块，降低润滑效果。
加注油脂的过程中落入灰尘，造成油脂污染，会导致油脂劣化破坏轴承润滑，进而使轴承损坏。
因此应选用合适的油脂，检修中对轴承清洗，对加油油嘴进行检查疏通，不同型号的油脂不能混合使用，若更换其他型号的油脂时，应先将原来的油脂清理干净；运行维护中定期加油，油脂应妥善保管做好防潮防尘措施。
3、确认不存在上面的问题后再检查联轴器找正情况和轴承质量。
联轴器的找正要符合工艺标准。
在设备维修检查时看轴承有无咬坏和磨损；检查轴承的内外圈，滚动体，保持架其表面光洁度以及有无裂痕和锈蚀，凹坑，过热变色等现象。
关于滚动轴承故障诊断方法的研究
关于滚动轴承故障诊断方法的研究课程：学院：班级：指导教师：姓名：学号：完成日期： 2015年12月15日目录第一章研究背景1进行滚动轴承故障检测与诊断的背景与意义 (01)1.1滚动轴承故障检测与诊断领域背景 (01)1.2进行滚动轴承故障检测与诊断的意义 (01)2常见的滚动轴承结构 (01)3常见的滚动轴承故障形式 (02)4滚动轴承故障监测与诊断的一般步骤 (03)4.1常见的滚动轴承故障信息获取方法 (04)4.1.1温度监测法 (04)4.1.2振动监测法 (04)4.1.3油液监测法 (04)4.1.4光纤监测法 (04)4.1.5声发射法 (05)4.2常见的滚动轴承故障特征提取方法 (05)4.2.1基于传统时域统计参数的特征提取 (05)4.2.2基于频域和时频分析特征提取 (05)4.2.3基于非线性参数的特征提取 (05)4.3常见的滚动轴承故障状态模式识别 (06)4.3.1人工神经网络 (06)4.3.2隐马尔可夫模型 (07)4.3.3支持向量机 (07)5常见的用于滚动轴承故障检测与诊断的传感器 (07)5.1传感器的灵敏度 (07)5.2滚动轴承故障诊断领域中用到的振动传感器 (08)5.3滚动轴承故障诊断领域中用到的加速度传感器 (08)5.4滚动轴承故障诊断领域中用到的压电式加速度传感器 (08)6常用的滚动轴承故障诊断与检测的分析方法 (09)6.1基于流行学习法的滚动轴承故障诊断和检测方法 (09)6.2基于无量纲指标与波谱分析的滚动轴承故障诊断方法 (10)6.3基于谱峭度及原子分解的滚动轴承故障诊断方法 (10)6.4基于模型辨识的滚动轴承故障诊断方法 (10)6.5基于EMD的滚动轴承故障灰色诊断方法 (11)6.6基于近邻元分析的滚动轴承故障诊断方法 (11)6.7基于LMD的滚动轴承故障诊断方法 (11)6.8基于BP神经网络的滚动轴承故障诊断方法 (12)6.9基于量子遗传算法和谱峭度法相结合的滚动轴承故障诊断方法 (12)6.10基于EMD和相关系数的希尔伯特振动分解滚动轴承检测方法 (12)6.11基于奇异谱分析和连续隐马尔可夫模型的故障诊断方法 (12)6.12基于改进的固有时间尺度分解和鲁棒回归变量预测模式诊断 (13)6.13基于多尺度模糊熵变预测模型的滚动轴承故障诊断方法 (13)7本文思路及内容安排 (13)第二章滚动轴承故障检测与诊断1系统设计与滚动轴承故障信息获取 (14)2原始数据零均值化处理 (14)2.1数据零均值化的意义 (14)2.2时域中零均值化效果 (14)2.3频域中零均值化效果 (15)3滚动轴承故障诊断与检测分析方法 (16)3.1时域分析法 (16)3.1.1时域特征值提取 (18)3.1.2时域特征值归一化处理 (18)3.1.3时域特征比较 (21)3.2频域分析法 (21)3.2.1频域特征提取 (24)3.2.2频域特征值归一化处理 (26)3.2.3频域特征比较 (28)4滚动轴承故障诊断与检测模式识别 (29)4.1 BP神经网络 (30)4.2输入层、输出层和隐层的设计 (31)4.3 BP神经网络的识别和测试 (31)4.3.1数据预处理 (31)4.3.2神经网络识别 (32)4.3.3神经网络测试 (35)5误差分析与综合评价 (35)5.1方案设计与误差分析 (35)5.2综合评价 (35)6方案优化与能力提升思考 (36)6.1针对本文方案的优化 (36)6.1.1故障信息获取手段的优化 (36)6.1.2故障特征提取手段的优化 (36)6.1.3故障模式识别手段的优化 (38)6.2对成分复杂的原始振动信号进行分析 (38)6.3当需要精确判断故障发生的位置时 (38)第三章结束语参考文献 (39)附录MATLAB程序代码 (41)第一章研究背景一、进行滚动轴承故障检测与诊断的背景与意义1.1滚动轴承故障检测与诊断领域背景通过查阅文献[1]相关案例,可以很容易地得到一种结论：随着工业的发展进步，旋转机械日益向集成化、大型化、高速化和智能化的方向发展。
滚动轴承常见的失效形式和原因分析范文
滚动轴承常见的失效形式及原因分析+浪逐风尖2008-11-05 10:55滚动轴承在使用过程中,由于很多原因造成其性能指标达不到使用要求时就产生了失效或损坏.常见的失效形式有疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、烧伤、电腐蚀、保持架损坏等。
一，疲劳剥落疲劳有许多类型，对于滚动轴承来说主要是指接触疲劳。
滚动轴承套圈各滚动体表面在接触应力的反复作用下，其滚动表面金属从金属基体呈点状或片状剥落下来的现象称为疲劳剥落。
点蚀也是由于材料疲劳引起一种疲劳现象，但形状尺寸很小，点蚀扩展后将形成疲劳剥落。
疲劳剥落的形态特征一般具有一定的深度和面积，使滚动表面呈凹凸不平的鳞状，有尖锐的沟角．通常呈显疲劳扩展特征的海滩装纹路．产生部位主要出现在套圈和滚动体的滚动表面．轴承疲劳失效的机理很复杂，也出现了多种分析理论，如最大静态剪应力理论、最大动态剪应力理论、切向力理论、表面微小裂纹理论、油膜剥落理论、沟道表面弯曲理论、热应力理论等。
这些理论中没有一个理论能够全面解释疲劳的各种现象，只能对其中的部分现象作出解释。
目前对疲劳失效机理比较统一的观点有：1、次表面起源型次表面起源型认为轴承在滚动接触部位形成油膜的条件下运转时，滚动表面是以内部（次表面）为起源产生的疲劳剥落。
2、表面起源型表面起源型认为轴承在滚动接触部位未形成油膜或在边界润滑状态下运转时，滚动表面是以表面为起源产生的疲劳剥落。
3、工程模型工程模型认为在一般工作条件下，轴承的疲劳是次表面起源型和表面起源型共同作用的结果。
疲劳产生的原因错综复杂，影响因素也很多，有与轴承制造有关的因素，如产品设计、材料选用、制造工艺和制造质量等；也有与轴承使用有关的因素，如轴承选型、安装、配合、润滑、密封、维护等。
具体因素如下：A、制造因素1、产品结构设计的影响产品的结构设计是根据使用性能目标值来确定的，这些目标值如载荷容量、寿命、精度、可靠性、振动、磨损、摩擦力矩等。
在设计时，由于各种原因，会造成产品设计与使用的不适用或脱节，甚至偏离了目标值，这种情况很容易造成产品的早期失效。
滚动轴承故障机理的动力学分析基础阅读札记
《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》阅读札记一、内容描述本书《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》围绕滚动轴承的故障机理进行了深入而详尽的阐述。
在阅读过程中，我对于书中内容进行了详细的札记记录，对理解轴承故障机理的动力学分析过程起到了很大的帮助。
本书的主要内容可以概括为以下几个方面：滚动轴承的基本结构和工作原理：对滚动轴承的基本构造，如内圈、外圈、滚动体及保持架等进行了介绍，并对其工作原理进行了简要说明。
这是理解后续故障机理分析的基础。
滚动轴承的力学特性分析：对滚动轴承的力学特性进行了深入的分析，包括其动力学模型、载荷分布、应力分布等，为理解滚动轴承的故障产生提供了理论基础。
滚动轴承的故障类型及原因：详细介绍了滚动轴承可能出现的各种故障类型，如磨损、疲劳、断裂等，并对这些故障产生的原因进行了深入剖析。
这些内容为后续的动力学分析提供了重要的依据。
故障机理的动力学分析：重点介绍了滚动轴承故障机理的动力学分析方法，包括振动分析、温度场分析、油膜动力学分析等，这些分析方法为滚动轴承的故障诊断提供了重要的理论依据。
在阅读过程中，我对每个部分的内容都进行了详细的札记记录，包括对一些重要概念的理解、对一些复杂问题的思考等。
这些内容不仅帮助我深入理解了滚动轴承的故障机理及其动力学分析过程，也为我后续的研究工作提供了重要的参考。
《滚动轴承故障机理的动力学分析基础》是一本对滚动轴承故障研究非常有价值的书籍。
二、滚动轴承基本概念及结构滚动轴承作为一种重要的机械基础元件，广泛应用于各种机械设备中，其主要功能在于支撑旋转部件并减少其摩擦。
本节主要介绍了滚动轴承的基本概念及其结构。
滚动轴承的核心组成部分是内外滚道及滚动的球体或圆柱体，这些组件之间通过接触表面进行相互作用，形成一个稳定的承载结构。
滚动轴承的主要作用是支撑旋转部件，并使其运转平稳，同时降低摩擦和磨损。
其工作原理基于滚动摩擦原理，相较于滑动摩擦，滚动摩擦具有更低的摩擦系数，从而减少了能量的损失和磨损的产生。
滚动轴承故障诊断及性能退化评估方法研究
滚动轴承故障诊断及性能退化评估方法研究滚动轴承故障诊断及性能退化评估方法研究引言滚动轴承作为一种常用的机械传动零件，在工业领域中扮演着重要的角色。
然而，由于工作条件的复杂和长时间的运行，滚动轴承很容易出现故障和性能退化。
因此，滚动轴承的故障诊断和性能退化评估方法的研究对于保证机械系统安全运行、延长轴承寿命具有重大意义。
一、滚动轴承常见故障现象1. 轴承损伤轴承损伤是滚动轴承最常见的故障现象之一。
它可以表现为滚珠或滚道的磨损、划伤、裂纹等。
造成轴承损伤的原因包括不良的润滑条件、过载、振动过大等。
2. 轴承疲劳轴承疲劳是指轴承长期在变动载荷下工作，导致轴承组件的损伤。
轴承疲劳常见的表现是滚珠或滚道出现疲劳裂纹。
长期工作的轴承容易受到外界振动的影响，从而导致轴承的疲劳损伤。
3. 过热现象过热是滚动轴承故障的典型现象之一。
在工作时，由于摩擦产生的热量不容易散发出去，导致轴承温度升高，进而引发过热现象。
过热可能导致轴承组件变形、润滑性能下降等诸多问题。
二、滚动轴承故障诊断方法1. 基于振动信号的诊断法振动信号是滚动轴承故障诊断的主要依据之一。
通过对滚动轴承振动信号的监测和分析，可以判断轴承是否存在故障。
常用的分析方法有时域分析、频域分析等。
2. 基于声音信号的诊断法滚动轴承故障时，会产生特定的声音信号。
通过对轴承声音信号进行采集和分析，可以评估轴承的健康状况。
常用的分析方法包括声音频谱分析、包络分析等。
3. 基于温度监测的诊断法温度是滚动轴承故障的一个重要指标。
通过监测轴承的温度变化，可以判断轴承是否存在故障。
常用的方法是使用红外热像仪对轴承进行无接触式的温度检测。
三、滚动轴承性能退化评估方法1. 基于承载能力的评估方法承载能力是衡量轴承性能的重要指标之一。
通过检测轴承的负荷、载荷、滚珠直径等参数的变化情况，可以评估轴承的承载能力退化情况。
2. 基于摩擦力的评估方法轴承摩擦力的变化可以反映轴承性能的退化情况。
滚动轴承动力学失效分析与寿命评估
滚动轴承动力学失效分析与寿命评估滚动轴承是机械传动中常用的关键元件之一，其在各种工况下都承受着巨大的载荷和转速。
由于长时间运转下的疲劳和应力集中，滚动轴承容易发生失效。
因此，对滚动轴承的动力学失效进行分析和寿命评估是非常重要的。
一、前言滚动轴承作为机械传动的关键组件之一，其稳定性和可靠性直接影响着设备的性能和寿命。
滚动轴承的失效通常分为表面失效、内圈失效和滚道失效等多种形式。
因此，对滚动轴承的动力学失效进行深入分析，并对其寿命进行评估，对于提高设备的使用寿命和可靠性具有重要意义。
二、滚动轴承的基本原理滚动轴承是通过滚动体（如钢球、滚子等）在内外圈之间滚动来实现轴与承载之间的相互分离和接触。
滚动轴承具有较高的承载能力、运转平稳、滚动阻力较小等优点，因此广泛应用于机械传动系统中。
三、滚动轴承动力学失效分析1. 表面失效表面失效是指轴承内外圈表面发生疲劳剥落或脱落等现象。
表面失效通常是由于轴承受到不均匀的载荷和周期性应力加载导致的。
在高负荷和高转速的工况下，轴承的表面往往会发生微小的裂纹，随着时间的推移，裂纹会逐渐扩展并最终导致轴承的失效。
2. 内圈失效内圈失效是指轴承内圈出现裂纹、断裂或塑性变形等失效形式。
内圈失效通常是由载荷过大、轴承材料缺陷或装配不当等原因导致的。
内圈失效一般会引起设备的停机，对生产造成严重影响。
3. 滚道失效滚道失效是指轴承滚道出现疲劳剥落、腐蚀或齿槽形成等情况。
滚道失效通常是由于滚动体在滚道上的不均匀载荷和过大的摩擦力导致的。
滚道失效会使轴承的运行不稳定，产生异常声音和振动，从而严重影响设备的正常运转。
四、滚动轴承寿命评估方法滚动轴承寿命评估是通过对轴承的动力学失效进行分析和计算，从而预测轴承的使用寿命。
常用的评估方法有以下几种：1. 经验公式法经验公式法是根据过去的实验和应用经验建立的数学模型，通过计算得到轴承的寿命。
这种方法简单快捷，但其精度较低，在实际应用中通常用于初步估算。
滚动轴承故障诊断技术
滚动轴承故障诊断技术的研究滚动轴承是现代机器中应用最为广泛的机械零件，尤其在旋转机械中更是得到了大量的应用。
滚动轴承是大部分旋转机械的组成部件，但也是机器中最易损坏的元件之一。
滚动轴承寿命离散性很大，承受冲击的能力差，在冲击载荷下容易发生故障，旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关。
据有关资料统计，机械故障的70%是振动故障，而振动故障中有30%是由滚动轴承引起的【1】。
轴承的工作好坏对机器的工作状态有很大影响，其引起的直接后果轻则降低和失去系统的某些功能，重则造成严重的甚至是灾难性的事故。
因此滚动轴承的故障诊断近年来获得越来越多的重视。
对滚动轴承故障诊断技术的分析研究也变得尤为重要。
滚动轴承故障诊断的方法很多，根据诊断机理的不同来分类，其故障诊断技术主要有：振动诊断、油液分析诊断、声学诊断（基于声发射）、光纤诊断、热诊断（热成像诊断和温度诊断）等【2-4】。
它们各具特点，在滚动轴承故障诊断领域的适用范围也不同。
其中振动诊断技术的相关理论和实践都相对比较成熟，在轴承故障诊断领域应用最为广泛。
一、基于振动信号的诊断技术基于振动信号的诊断技术能够诊断大多数滚动轴承故障，其优点是可在运动中测得轴承信号。
目前，国内外开发生产的各种滚动轴承故障诊断与监测仪器大都是根据振动法的原理制成的。
据有关资料统计，有关轴承监测和诊断的文献，80%以上讨论的是振动法【5】。
振动分析主要有：时域分析、频域分析、时频域分析。
从某种意义上讲，三种诊断方法出现的时间顺序也体现出了滚动轴承基于振动信号故障诊断的发展趋势。
1. 时域分析法时域诊断方法是发展最早的、基于所采集振动信号的滚动轴承故障诊断方法。
通常采集的振动信号都是十分复杂的时域波形，伴随着噪声、轴承元件固有振动等因素的影响。
如果仅仅从时域波形上直接观察分析，往往很难判断出轴承是否处于正常状态。
即使判断出轴承存在故障，也很难确定故障的性质和部位等关键信息。
为此，在时域分析中，普遍采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征以及时间序列分析来进行分析和诊断。
滚动轴承失效模式及研究方法
状态监测
灾难性破坏
X
累 积 的 损 伤
轴承诊断
1 2 3 4
阶段≈轴承剩余寿命的百分之十至二十 阶段≈轴承剩余寿命的百分之五至十 阶段≈轴承剩余寿命的百分之一至五 阶段≈一小时至轴承剩余寿命的百分之一
4 1 2 3 时间
通常约百分之八十至九十的轴承寿命 滚动轴承四种类型故障频率 1.随机的，超声频率-gSE ,HFD ,SPM； 2.轴承零部件自振频率-500至2000赫兹范围，与转速无关；
6
技术培训
伟
状态监测
轴承故障原因及其解决
腐蚀
– 其征兆是在滚道、滚子、保 持架或其他位置出现红棕色 区域
轴承诊断
– 原因是轴承接触腐蚀性流体 和气体 – 严重情况下，腐蚀引起轴承 早期疲劳失效 – 除掉腐蚀流体，尽可能使用 整体密封轴承
技术培训
7
伟
状态监测
轴承故障原因及其解决
不对中
– 不对中的征兆是滚珠在滚道上产 生的磨痕与滚道边缘不平行 – 如果不对中超过0.001in/in，会产 如果不对中超过0.001in/in， 生轴承和轴承座异常温升，和保 持架球磨损
轴承诊断
技术培训
5
伟
状态监测
轴承故障原因及其解决
污染
– 污染是轴承失效的主要原因之一 – 污染的征兆是在滚道和滚动体表面有点痕 ，导致振动加大和磨损 – 清洁环境，工具，规范操作。新轴承的储 运。
轴承诊断
润滑油失效
– 滚道和滚子的变色（蓝、棕）是润滑失效 的征兆，随之产生滚道、滚子和保持架磨 损，导致过热和严重故障。 – 滚动轴承的正常运行取决于各部件间存在 良好油膜 – 失效常常由润滑不足和过热引起
伟
滚动轴承内圈故障的动力学模型建立及仿真
滚动轴承内圈故障的动力学模型建立及仿真1 滚动轴承内圈故障动力学模型滚动轴承是机械系统中最重要的传动部件之一，因其高效率、稳定性及耐久性被广泛应用于工业机械设备及汽车车辆等各种装置的减振、支撑和传动系统中。
其在工作中免不了受到外力的影响，特别是轴承内圈，其受力情况比较复杂，轴承在工作中受到的外力很容易长时间的积累，从而易于发生故障，如果轴承故障不及时处理，将给机械系统带来很大损失。
因此在临界受力状态较高时，机械系统对轴承发生故障把控措施至关重要，建立轴承内圈故障动力学模型，监测轴承内圈振动变化，有效识别和处理轴承故障，已被诸多研究者、公司重点研究。
2 模型建立轴承内圈故障动力学模型以轴承内圈振动周期变化特性、轴承内圈耗散特性、内外圈能量交换对比性及内圈轴颈侵蚀等因素，以量化分析这些因素，根据动力学理论和基本认识进行模型构建，从而更好地了解滚动轴承内圈故障，有效把控轴承故障。
由于机械系统给予轴承的动力不同，因此模型构建过程中也需要考虑不同的动力来源，如力学动力、摩擦动力等，选择合适的理论模型，得出满足现实应用的实际模型。
3 仿真建立合理的模型后，需要进一步的进行数值仿真，它可以帮助更好地理解滚动轴承内圈故障的动力机理，可以有效的模拟内圈轴颈侵蚀和耗散特性等过程，进而收集内圈振动信息，从而更好的预测轴承故障。
利用流体动力学方法和有限元分析等计算机技术，可以在不断变动的工况中直观表示轴承内圈能量交换和振动情况变化，实时监测出可能引发故障的因素及时采取措施，从而达到预防轴承故障的目的。
4 总结滚动轴承的安全性及可靠性对于机械系统至关重要，建立轴承内圈故障动力学模型、进行仿真分析可以有效地预防轴承故障，使机械设备可靠性、稳定性和安全性有了进一步的保障。
依据不同的实际应用，需要建立多个模型，根据模型的精度不同，做出合理的误差评估，对模型进行完善，以补全模型本身的缺陷。
基于非线性动力学的滚动轴承故障趋势分析的开题报告
基于非线性动力学的滚动轴承故障趋势分析的开题报告1. 研究背景和意义滚动轴承是机械设备中常用的部件，其工作时常受到复杂的力和磨损环境，会导致滚动轴承的过早损坏和故障，影响设备的可靠性和稳定性。
因此，滚动轴承的故障诊断和趋势分析对机械设备的可靠性和稳定性具有重要意义。
目前，传统滚动轴承故障诊断和趋势分析方法主要基于振动信号的时间和频率特征分析，无法很好地处理滚动轴承工作中出现的非线性问题，也不易于捕捉滚动轴承的瞬态行为。
近年来，随着非线性动力学理论和技术的发展，研究人员开始利用非线性动力学的方法来分析滚动轴承工作中出现的非线性现象，可以更加全面和精确地评估滚动轴承的运行状况。
2. 研究内容和方法本研究旨在开发一种基于非线性动力学的滚动轴承故障趋势分析方法，具体研究内容包括以下几个方面：（1）研究滚动轴承的非线性动力学模型，建立滚动轴承非线性动力学模型的数学表达式。
（2）研究非线性动力学分析方法，探索利用双稳策略、广义绝热不变量和流形方法等非线性动力学分析方法来诊断和趋势分析滚动轴承的故障。
（3）设计和开发非线性动力学滚动轴承故障趋势分析系统，根据所设计的非线性动力学滚动轴承故障趋势分析方法，开发一套可以实时捕捉、分析和诊断滚动轴承状态的系统。
（4）进行实验验证，采用标准的滚动轴承测试台进行实验，采集振动信号数据，并将所开发的基于非线性动力学的滚动轴承故障趋势分析方法和系统应用于数据分析和实时状态监测。
3. 预期研究结果本研究预计实现以下预期研究结果：（1）建立基于非线性动力学的滚动轴承模型，在非线性情况下对滚动轴承的运行状况进行评估，对非线性行为进行预测和故障诊断。
（2）研究非线性动力学分析方法，利用双稳策略、广义绝热不变量和流形方法等非线性动力学分析方法优化滚动轴承故障趋势分析技术，提高滚动轴承故障的检测率和准确性。
（3）设计和开发基于非线性动力学的滚动轴承故障趋势分析系统，并进行实验验证，检验所提出的滚动轴承故障趋势分析方法和系统的有效性和实用性。
热弹流润滑状态下局部缺陷滚动轴承动力学特性研究
热弹流润滑状态下局部缺陷滚动轴承动力学特性研究热弹流润滑状态下局部缺陷滚动轴承动力学特性研究摘要：滚动轴承是一种重要的机械零件，广泛应用于各个领域。
然而，滚动轴承的寿命往往会受到局部缺陷的影响，因此研究局部缺陷对滚动轴承动力学特性的影响具有重要意义。
本文通过建立热弹流润滑的数学模型，研究了局部缺陷对滚动轴承的动力学行为的影响。
通过数值模拟和实验验证，得出了一系列关于滚动轴承局部缺陷的结论，并为进一步改进滚动轴承设计和预测寿命提供了理论依据。
关键词：滚动轴承；局部缺陷；热弹流润滑；动力学行为；数值模拟一、引言滚动轴承是一种广泛应用于机械装置中的零件，其作用是支撑和转动轴承载。
然而，由于长时间使用和外部环境因素的影响，滚动轴承往往会出现局部缺陷，如凹坑、裂纹等。
这些局部缺陷会导致滚动轴承的寿命大大缩短，严重影响机械装置的正常工作。
因此，研究局部缺陷对滚动轴承动力学特性的影响具有重要意义。
以往的研究主要集中在冷弹滑动润滑状态下的滚动轴承动力学特性研究，对于热弹流润滑状态下的研究相对较少。
而实际工况下，由于摩擦热的产生，滚动轴承的润滑状态更接近于热弹流润滑。
因此，研究热弹流润滑状态下滚动轴承的动力学行为对于提高滚动轴承的寿命和性能具有重要的实际应用价值。
二、理论分析在研究局部缺陷对滚动轴承动力学特性的影响之前，首先需要建立适用于热弹流润滑的数学模型。
研究表明，在热弹流润滑状态下，润滑油膜的流态和温度分布对滚动轴承的性能影响显著。
根据流体动力学方程和热传导方程，我们可以建立热弹流润滑的数学模型。
其中，流体动力学方程描述了润滑油膜中的速度分布，热传导方程描述了润滑油膜中的温度分布。
通过求解数学模型，可以得到滚动轴承热弹流润滑状态下的润滑油膜厚度、油膜温度以及压力分布情况。
研究表明，局部缺陷会影响滚动轴承的动力学行为。
具体而言，局部缺陷会导致滚动轴承的接触应力集中，从而导致局部磨损和变形。
此外，在热弹流润滑状态下，局部缺陷还会引起滚子与内外圈之间的温度分布不均匀，从而影响滚动轴承的润滑性能。
滚动体具有局部缺陷滚动轴承的动力学分析
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滚动轴承故障诊断分析 专家版
滚动轴承故障诊断分析专家版滚动轴承故障诊断分析-专家版滚动轴承故障诊断1（之国外专家版）滚动轴承故障现代工业通用机械都搭载了相当数量的滚动轴承。
一般说来，滚动轴承都就是机器中最高精度的部件。
通常情况下，它们的公差都维持在机器的其余部件的公差的十分之一。
但是，多年的实践经验说明，只有10%以下的轴承能运转至设计寿命年限。
而大约40%的轴承失灵就是由于杀菌引发的故障，30%失灵就是由于不对中或“卡住”等加装犯规，除了20%的失灵就是由负载采用或生产上瑕疵等其它原因所致。
如果机器都进行了精确对中和精确平衡，不在共振频率附近运转，并且轴承润滑良好，那么机器运行就会非常可靠。
机器的实际寿命也会接近其设计寿命。
然而遗憾的是，大多数工业现场都没有做到这些。
因此有很多轴承都因为磨损而永久失效。
你的工作是要检测出早期症状并估计故障的严重程度。
振动分析和磨损颗粒分析都是很好的诊断方法。
1、频谱特征故障轴承会产生与1x基频倍数不完全相同的振动分量――换言之，它们不是同步的分量。
对振动分析人员而言，如果在振动频谱中发现不同步分量那么极有可能是轴承出现故障的警告信号。
振动分析人员应该马上诊断并排除是否是其它故障引起的这些不同步分量。
（非转频的倍数峰值疑似为故障信息）如果看见不同步的波峰，那极有可能与轴承磨损有关。
如果同时除了谐波（基频的倍频）和边频带发生，那么轴承磨损的可能性就非常小――这时候你甚至不须要再回去介绍轴承精确的扰动频率。
2、扰动频率计算存有四个与轴承有关的扰动频率：球过内圈频率（bpi）、球过外圈频率（bpo）、保持架频率（ft）和球的磁矩频率（bs）（外圈，内圈，保持架，翻转体特征频率）。
轴承的四个物理参数：球的数量、球的直径、节径（滚柱圆心对应轴承的半径d）和接触角。
其中，bpi和bpo的和等同于滚珠/滚柱的数量。
比如，如果bpo等同于3.2x（转频），bpi等同于4.8x，那么滚珠/滚柱的数量必定就是8。
滚动轴承故障诊断分析
滚动轴承故障诊断分析滚动轴承是机械设备中常见的关键部件之一，其工作状态直接关系到设备的稳定性和可靠性。
因此，对滚动轴承的故障诊断分析具有重要的意义。
本文将从滚动轴承的故障类型、故障诊断方法等方面进行详细分析，并给出相应的解决方案。
首先，滚动轴承的故障类型主要有疲劳、磨损、锈蚀、杂质和润滑不良等几种。
疲劳是滚动轴承最常见的故障类型之一、当滚动轴承在长期高速运转或负荷过重的情况下，会引起轮廓形状的改变，从而导致疲劳断裂。
对于这种故障，可以通过定期检查和维护来延长轴承的使用寿命。
磨损是指滚动轴承在摩擦和磨削的作用下，导致轴承零件表面的材料损失。
主要有磨损、磨粒和烧伤等。
对于这种故障，可以通过增加润滑剂的使用量、选择合适的润滑剂和改善润滑条件来解决。
锈蚀是指滚动轴承在潮湿环境下，由于润滑不良或长期闲置等原因，轴承表面产生氧化而导致的故障。
对于这种故障，应注意轴承的密封和润滑条件，及时更换润滑剂和防护涂层，确保轴承的正常运转。
杂质是指滚动轴承中的异物，如尘埃、粉末、金属屑等。
这些杂质会导致轴承卡死、摩擦增大等故障。
对于这种故障，应定期清洗和更换润滑剂，保持滚动轴承的清洁。
润滑不良是滚动轴承的故障的主要原因之一、轴承在运转时，需要有足够的润滑剂来减小摩擦和磨损。
如果润滑不良，会导致轴承失效。
对于这种故障，应定期检查润滑剂的使用情况和润滑条件，进行必要的维护和更换。
其次，滚动轴承的故障诊断方法主要有故障模式识别、振动分析和声学诊断等。
故障模式识别是根据滚动轴承故障表现的各种特征，进行故障模式的分类和判断。
通过对轴承工作状态的观察和记录，可以对轴承的故障模式进行准确识别，为后续的维修提供参考。
振动分析是通过对滚动轴承振动信号的采集和分析，来判断轴承的工作状态。
不同的故障模式会产生独特的振动信号，通过对这些信号的频谱分析和时域分析，可以准确诊断出轴承的故障类型和程度。
声学诊断是通过对滚动轴承工作时产生的声音进行分析和判断。
滚动轴承性能退化表征与剩余寿命预测方法研究
摘要滚动轴承是机械设备传动系统中的关键部件，由于其处于重载、高速及高温等极端恶劣的运行环境中，极易发生失效，继而引发系统级故障，因此，掌握滚动轴承的性能退化状态以及剩余寿命是保障机械设备安全可靠运行的关键所在。
本文以滚动轴承的性能退化表征和剩余寿命预测为研究主题，开展轴承全寿命周期试验，在此基础上，基于轴承的振动信号，进行了特征提取、性能退化表征以及剩余寿命预测研究，主要内容如下：（1）以6207深沟球轴承（材料为：GCr15）为试验对象，利用滚动轴承加速寿命试验台，进行全寿命周期性能退化试验，监测、记录并分析全程中的状态监测量（温度、振动）的特征参数及变化规律，为后续性能退化行为表征参数的选取提供参考依据。
（2）针对振动信号的特征提取问题，构建反映轴承退化的特征集。
从时域、频域以及时频域提取了与轴承性能退化征兆相关的71个特征参量，构成原始特征集。
结果表明，在轴承的全寿命周期中，原始特征表现出不同形式的变化趋势，代表各自特征有关退化过程的独特信息，能够全面有效反映轴承的退化信息。
（3）构建健康指数，表征滚动轴承性能退化状态。
以相关性、单调性以及鲁棒性作为特征评价指标，筛选出反映轴承性能退化的敏感特征，并基于PCA方法，对多个敏感特征进行融合，构建出表征轴承性能退化的健康指数。
通过试验验证，所构建的健康指数能有效表征轴承正常运行、初始退化以及急剧退化三个阶段的退化状态。
（4）构建EMD-Kriging模型，实现滚动轴承剩余寿命预测。
首先，采用EMD 方法对健康指数进行主趋势提取；其次，基于Kriging模型对轴承剩余寿命进行预测；最后，通过试验以及与典型预测方法进行比较分析，验证了所提模型的可行性和有效性。
本文研究为滚动轴承的性能退化表征与剩余寿命预测提供了方法借鉴，对于提高滚动轴承乃至机械设备传动系统的可靠性和保障性水平具有重要的工程意义。
关键词：滚动轴承；特征提取；特征选择；性能退化表征；剩余寿命预测分类号：TH133.33; TH17AbstractRolling bearing is the key component in the mechanical equipment transmission system. Because it is in the extremely severe operating environment such as heavy load, high speed and high temperature, it is easy to fail, and then cause system level failure. Therefore, it is the key to ensure the safe and reliable operation of mechanical equipment to master the performance degradation state and remaining useful life of rolling bearing. This paper takes the performance degradation characterization and remaining useful life prediction of rolling bearing as the research subject, and carries out the bearing life cycle test. On this basis, based on the vibration signal of the bearing, the research on feature extraction, performance degradation characterization and remaining useful life prediction is carried out. The main contents are as follows:(1) Taking 6207 deep groove ball bearing (material: GCr15) as the test object, the rolling bearing accelerated life test bench was used to conduct a full life cycle performance degradation test to monitor, record and analyze the characteristic parameters of the state monitoring quantity (temperature, vibration) throughout And the change rule provides a reference basis for the selection of subsequent performance degradation behavior characterization parameters.(2) Aiming at the problem of feature extraction of vibration signals, a feature set reflecting bearing degradation is constructed. 71 feature parameters related to the signs of bearing performance degradation were extracted from the time domain, frequency domain and time-frequency domain to form the original feature set. The results show that in the life cycle of the bearing, the original features show different types of change trends, representing the distinct information about the degradation process, which can fully and effectively reflect the degradation information of the bearing.(3) Construct a health index to characterize the degradation state of rolling bearing performance. Using correlation, monotonicity and robustness as feature evaluation indexes, the sensitive features reflecting the degradation of bearing performance are selected, and based on the PCA method, multiple sensitive features are fused to construct a health index that characterizes the degradation of bearing performance. It is verified through experiments that the constructed health index can effectively characterize the degradation state of the bearing in three stages of normal operation, slight degradation and severely degradation.(4) Construct an EMD-Kriging model to predict the remaining useful life of rollingbearings. First, the EMD method is used to extract the main trend of the health index; secondly, the remaining useful life of the bearing is predicted based on the Kriging model; finally, the feasibility and effectiveness of the proposed model are verified by comparison and analysis with typical prediction methods where the same dataset is used.The research in this paper provides a method for the characterization of rolling bearing performance degradation and remaining useful life prediction, which has important engineering significance for improving the reliability and security of rolling bearing and even the transmission system of mechanical equipment.Keywords:rolling bearing; feature extraction; feature selection; performance degradation characterization; remaining useful life predictionClassification Number: TH133.33; TH17目录摘要 (I)Abstract (II)目录 .................................................................................................................... I V 1 绪论 .. (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 特征提取 (3)1.2.2 性能退化表征 (4)1.2.3 剩余寿命预测 (4)1.3 现状分析总结 (6)1.4 本文的研究思路和主要内容 (6)2 滚动轴承全寿命周期试验 (8)2.1 滚动轴承结构及失效模式 (8)2.1.1 滚动轴承结构 (8)2.1.2 滚动轴承常见失效模式 (9)2.2 滚动轴承加速寿命试验 (10)2.2.1 滚动轴承加速寿命试验台 (10)2.2.2 试验方案及流程 (11)2.2.3 试验结果分析 (14)2.3 本章小结 (18)3 滚动轴承振动信号的特征提取 (19)3.1 时域特征提取 (19)3.2 频域特征提取 (23)3.3 相似相关特征提取 (26)3.4 时频域特征提取 (28)3.4.1 小波包分解特征 (28)3.4.2 经验模态分解特征 (33)3.5 本章小结 (37)4 滚动轴承性能退化表征方法研究 (39)4.1 敏感特征选择 (39)4.2 基于主成分分析的健康指数构建方法 (41)4.2.1 主成分分析的基本原理 (41)4.2.2 健康指数的构建 (43)4.3 试验验证和结果分析 (44)4.3.1 PRONOSTIA试验介绍 (44)4.3.2 方法验证及结果分析 (46)4.4 本章小结 (51)5 滚动轴承剩余寿命预测方法研究 (53)5.1 Kriging模型 (53)5.2 基于EMD-Kriging的轴承剩余寿命预测模型 (56)5.2.1 基于EMD-Kriging的预测模型 (56)5.2.2 轴承剩余寿命预测流程 (57)5.3 试验验证 (58)5.4 本章小结 (63)6 总结与展望 (64)6.1 全文工作总结 (64)6.2 研究展望 (64)参考文献 (66)作者简历 (71)1 绪论1.1 研究背景及意义随着工业制造水平的进步和物联网技术的发展，复杂化和智能化已经成为机械设备（例如航空发动机、风力发电设备、高端机床等）的主要发展趋势。
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体自转转速：聆，＝以胛ｉ／２Ｄ（１一矿）。综合幅值和时
间规律得到冲击脉冲。其中图５（ａ）表示外圈缺陷引
起的冲击脉冲，图５（ｂ）表示内圈缺陷引起的冲击脉 冲，图５（ｃ）表示滚动体发生缺陷引起的冲击脉冲。
ｃＪ为径向间隙，瓯。，为径向上的最大挠度，本文中的
轴承的径向间隙为０，所以ｓ＝０．５；ｎ对于滚子轴承是
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（ｂ） 图６外圈缺陷的振动响应模拟
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图６（ａ）为外圈缺陷时有限元计算的加速度波形、
频谱图，图６（ｂ）为包络频谱图，在加速度频谱图中
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可以看出边频成分，经包络解调后看出１５３．９Ｈｚ的故障 频率成分，与理论计算得到的３０００转下轴承的故障频
＂ｚｉｉ斗切Ｈ—ｓｕ＝Ｆ 图２内圈故障振动传递路径 Ｆｉ９２ Ｖｉｂｍｔｉｏｎ仃∞ｓＩｎｉｓｓｉｏｎ ｐａｃｈ ｏｆｉ幽＿ｅｒ ｍｃｅ ｗ油ｄｅｆｅｃｔ
考虑载荷和运动是轴对称的，各钢球的接触载荷、 接触角、刚度和阻尼系数彼此相等，振动方程可简化为： 三ｃｏｓ２
ａ ｏ
１．３滚动轴承有限元模型 本文以６３ １２深沟球轴承作为研究对象，建立轴承一 轴承座的整体有限元模型（如图３所示），轴承座的材 料是各项同性的４５号钢，弹性模量是２０７ＧＰａ，密度为
然科学重点基金项目（编号：５１１３５００１） 第一作者：郭嘉尧男．硕士生．１９８９年６月生 通讯作者：江志农男，博导，教授。１９６７年ｌＯ月生
动情况，有限元软件功能强大，在分析轴承振动时不
振动与冲击
２叭４年第ｓ期
仅考虑内外圈的变形，定量研究分析轴承的高阶固有 频率，还考虑接触因素和振动信号在模型中的传递规 律。在分析轴承接触因素时，需要利用非线性有限元 进行求解。本文采用有限元法对球轴承振动进行分析。 １．１滚动轴承振动的数学模型 文献［４］考虑轴承滚子与滚动接触副特性、ＥＨＬ
４
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故障轴承的实测振动信号进行对比研究，验证了模型 的正确性。在此基础上，进一步研究不同劣化程度故 障下的动力学响应规律，进而为轴承早期故障预警及 可靠性评估提供依据。
其中ｚ为滚子数量，ａ为接触角，ｃ。为等效粘性 阻尼系数，ｓ。为等效刚度。 只考虑轴承的径向振动，球轴承的径向振动微分 方程可表示为：
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ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｃｅｎ伍如ｇａｌ
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ｒｏＵｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ协ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉＩｌ：｜ｔｅ ｅｌｅｔｌｌｅｎｔ ｍｅ也ｏｄ．ＡｎａｌＶｚｉｎｇ ｌｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃ ｆｅａｔＩｌｒｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｎ，ｔｈｅ ｉｎｌｐｕｌｓｅ
（Ｅｌａｓｔｉｃ．ｈｙｄｒｏｄｙｎａｌｌｌｉｃ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）油膜卷吸和挤压效
之间的接触，路径１是一系列的质量弹簧阻尼系统串联 在一起。本文研究轴承一轴承座系统故障信号的传递， 比如内圈故障时，故障信号的传递如图２：
紫
辨净
圈
应，利用虚功原理建立轴承振动理论模型。一般地， 球轴承的振动微分方程可表示为：
图１振动传递路径
Ｆｉｇ．１ ｖｉｂｍｎｏｎ仃ａｎｓＩＩｌｉｓｓｉｏｎ ｐａｍ
第ｓ期
郭嘉尧等：滚动轴承不同劣化程度故障的动力学响应分析研究
２４９
假设轴承的滚子与外圈滚道为纯滚动。外圈固定
一吮＜矽＜晓 其他
其中，占是载荷分配因子，占＝０．５（卜Ｃ。／２蠢。。），
在轴承座内，则保持架转速：疗。＝，ｚ，／２（１一ｙ），滚动
ｄｅｍｃｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
滚动轴承作为关键机械部件在旋转机械中被广泛 使用，由于加工制造误差、操作与安装不当、使用时 间过长及工作磨损等原因，滚动轴承会出现不同程度 的损伤，这些损伤的积累与蔓延就体现为轴承的缺陷。 随着轴承的继续工作，缺陷会逐渐劣化，振动增大， 导致轴承失效。本文采用数值仿真技术研究轴承不同 劣化程度故障过程的动力学响应，从而为滚动轴承的 状态评估提供依据。 滚动轴承在实际的运行过程中难免会产生振动，
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基金项目：国家青年科学基金项目（编号：５１３０５０２０）：国家重点基础研究
发展计划（“９７３”计划）项目（编号：２叽２ｃＢ０２６０００）；国家自
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７８７０ｋ∥ｍ３。轴承的内外圈的材料弹性模量为２０７ＧＰａ， 密度为７８９０ｋｇ／ｍ３。根据实际工况施加约束条件，分别 探讨不同部位故障下的动力学响应特点，基于轴承座 表面节点的动力学响应特点，利用信号处理方法，与
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载到轴承一轴承座的有限元模型上，即可得到故障轴承
的振动响应，再利用频谱分析求解信号频率成分，并 通过包络分析就可得到故障特征频率。 ２．１冲击脉冲的计算 在轴承运行过程中，需要考虑轴承受到的载荷的 分布。滚动轴承中，径向载荷的分布如下所示：
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图３轴承．轴承座有限元模型
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２不同部位缺陷激励下故障轴承的动力学响应
轴承不同部位（内外圈、滚动体）发生缺陷时所 产生激励的振动特性，是由轴承的运动关系决定的。 假设轴承只有裂纹或剥落一种故障，分析轴承的运动 特点以及缺陷的位置，得到故障产生的激励规律，加
振动与冲击 第３３卷第ｓ期ＪＯＵＩⅢＡＬ ＯＦ ｖｍＲＡｎＯＮ ＡＮＤ ｓＨＯｃＫ
ｖ０１．３３ Ｎｏ．ｓ ２０１４
滚动轴承不同劣化程度故障的动力学响应分析研究
郭嘉尧，江志农，马波，张明
（北京化工大学故障诊断与自愈工程研究中心，北京，１０００２９）
摘
要：滚动轴承作为离心泵关键部件其运行状态被广泛关注。为识别滚动轴承故障的不同程度，利用有限元法对滚动轴
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利用数学模型进行数值的计算方法没有考虑内外
圈本身的变形。本文利用有限元软件模拟轴承受径向 冲击时的动力学响应。 １．２滚动轴承故障信号传递 当轴承滚道出现裂纹或剥落故障时，会引起轴承瞬时 振动。从故障点出发，冲击振动信号将从不同的传递 路径传播到传感器上，每一条路径都会有能量损失【５ｊ。 振动传递路径如图１所示： 由于滚子与轴承内外圈的接触以及外圈与轴承座
而振动是轴承自身动力学特性的外在表现。因此，通