基于包络分析的轴承故障诊断方法

基于包络分析的轴承故障诊断方法
一引言
滚动轴承是回转机械中运用最广泛的关键部件，其运行状态的正常与否直接影响整个设备的性能。

一旦发生故障，不仅会影响整个设备的正常工作，直接或间接造成巨大的经济损失，而且危及人身安全，造成极为严重的后果。

在国民经济中，滚动轴承到的正常工作对生产、生活和交通运输等同样具有重要的意义。

因此其故障诊断具有非常重要的理论与实际研究价值。

滚动轴承的故障大多以局部缺陷的形式存在与轴承工作周期的早期，早期故障信息由于轻微，往往淹没在背景噪声中。

故障诊断技术迅猛发展，时频分析法、包络分析法、功率谱分析等是故障诊断的常用方法。

当所采集信号具有较强的调制信号时，常采用包络分析法。

二包络分析技术
包络分析是故障诊断中最有效的方法之一。

它可以清楚地指示故障的位置以及严重程度。

包络分析法主要是通过选取有用的共振频率区，通过滤波、平移、变换，获得包含故障频率的低频包络信号，对此包络信号进行频谱分析即可诊断出故障，亦称包络解调。

包络调解把与故障有关的信号从高频调制信号中调解出来，从而避免与其他低频干扰的混淆，具有很高的诊断可靠性和灵敏度。

包络分析法的分析步骤是：1、比较正常与故障信号功率谱，找出差值最大点，作为截取频段的依据。

2、画出故障信号的频谱图，根据功率谱所截取的频段对频谱图进行滤波移位。

3、对所截取的信
号幅值上翻倍、补零，长度变为两倍。

4、将复频域信号变换到时域。

5、将时域信号做傅立叶变换到频域。

6、提高频域分辨率，做细化谱。

三 工程运用
从一轴承试验台上采集到两组信号，一组为正常信号，一组为故障未知的故障信号。

每一组信号包括两个通道，通道1采集轴承处的加速度信号，通道2采集脉冲信号。

采样频率为48000，采样长度为65536，即64K 。

经过测量，滚动体直径d = 7.12 mm ，轴承节径D = 38.5 mm ，滚动体数目：n=12，接触角：ϕ=0︒。

则根据故障轴承的频率计算公式可得： 外圈故障Hz D d nf BPFO r 9.48)0cos 5.3812.71(21012)cos 1(2=⨯-⨯⨯=-=
ϕ， 内圈故障Hz D d nf BPFO r 1.71)0cos 5
.3812.71(21012)cos 1(2=⨯+⨯⨯=+=ϕ， 滚珠故障Hz D d d Df FTF r 1.26])0cos 5
.3812.7(1[12.72105.38])cos (1[222=⨯-⨯⨯⨯=-=ϕ， 保持架故障Hz D d f FTF r 01.4)0cos 5.3812.71(210)cos 1(2=⨯-⨯=-=ϕ 按照包络分析法的步骤，可得如下图：
（a ） （b ） （c ）
（d）（e）（f）
（a）图为故障信号与正常信号的功率谱图，（b）为故障信号的傅立叶变换图，（c）为所截取的频段，（d）为对待分析信号频谱做逆傅里叶变换后得到的时域信号包络，（e）为根据时域信号得到的包络频谱图，（f）为最终希望得到的细化谱图。

由细化谱可以看出，结果检测到的内圈故障频率为71.04，与理论值71.1只相差了0.06，属于误差范围之内，可以认为较好地检测到了内圈故障。

在各次谐波两次的边频带表明信号的幅值被轴的回转频率约为10hz所调制，这与通道2检测到的脉冲信号频率一致。

四结论
一）本文从理论上分析了包络分析技术，并把包络分析的结果与细化谱相结合，大大地提高了解调频谱的频率分辨率。

二）工程实践表明，包络分析技术对于滚动轴承由于故障产生的调制具有较好的解调能力，很好地提取了故障特征频率。