基于振动信号的滚动轴承故障诊断与预测.

小波分析
小波分析通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度的 细化，最终达到高频处时间细分、低频处频率细分的 目的，能自适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到 信号的任意细节。
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仅从振动信号时域波形图无法 有效判断轴承的故障种类，需要建 立提取振动信号故障特征的方法和 故障种类的识别模型。
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滚动轴承的结构与工作原理
机构示意图
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滚动轴承失效形式分析 主要故障及失效形式：
磨损失效
疲劳失效
腐蚀失效 胶合失和效 保持架损坏
断裂失效
压痕失效
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基于振动信号的滚动轴承故障诊 断与预测系统研究
机械工程 郑佳文
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滚动轴承故障原理与特ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分析
滚动轴承作为旋转机械中应用最为广泛的零 件之一，同时也是机械设备中最易损坏的元 件，当前旋转机械的许多故障都与滚动轴承 的故障有关。对滚动轴承的典型结构和各种 常见的失效形式的研究有助于更好的在生产 和使用中诊断和预防各种故障的发生，以减 少因轴承故障而造成的财产损失。
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应用实例
华锦集团公司采暖给水泵检测报告 设备名称：注水泵 设备编号：2# 测点名称：泵B 采样时间：2003\10\24\ 09:58:26 数据类型： 加速度 频谱图：
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诊断结论：
1、 从时域图谱看其疏密较为均匀； 2、 从频域图谱中轴承出现疲劳后，在250Hzg到500Hz 这一频带上出现 大量峰群值。可判断出该设备转子组件可能松动或轴承间隙是否超差；需 要进一步观察。 通过频谱分析的方法来判断滚动轴承的故障有时会比较困难，主要原 因是由于滚动轴承的制造、材质等方面原因，使得特征频率与理论计算值 有所区别。因此在检测时要注意以下几点： 1、 确认故障特征频率处有峰，表明存在该种故障，若还有明显的倍频成 份，表明故障严重。 2、 确认内滚道故障特征频率处不但有峰，还有间隔为1X的边频，表明有 内滚道故障。 3、 确认滚动体故障特征频率处不但有峰，还有边频，表明滚动体有故障。 4、 确认高频区域有峰群出现，表明有疲劳故障。若有轴向负载，则应注 意轴向振动，轴向振动与径向振动有类似特征。 5、 时域波形，可能有重复冲击现象，但很小。重复频率等于故障特征频 率。 机械工程学院
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滚动轴承的固有振动频率分析
滚动轴承套圈横截面简化图与径向弯曲振动振型示意图
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滚动轴承故障振动特性分析
磨损类 故障 振动 信号 特征
滚动轴承内圈出现严重磨损时，轴承 运转会出现偏心现象，当轴旋转时， 轴承内圈中心会绕外圈呈现中心摆动， 此时的轴承振动频率为 nfr(n=1,2,…)。
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滚动轴承的故障诊断方法
滚动轴承的振动信号分析故障诊断方法分为简易诊断和精密 诊断两种： 简易诊断：的目的是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是 否出现了故障；精密诊断的目的是要判断在简易诊断中被认 为是出现故障轴承的故障类别及原因。由于滚动轴承自身的 特点，一旦损坏，普通维修很难修复，大多采用更换的维修 方式进行处理； 精密诊断：主要作用是理论研究和在特殊场合（例如无配件 的情况下）判定设备能够坚持运行的时间。提高设备的使用 效率。所以一般情况我们采用轴承简易诊断方法就可以满足 日常设备维护的需要。因此下面我重点介绍轴承的简易诊断 法。
轴承内 圈损伤
表面损 伤类
轴承外 圈损伤
轴承滚动 体损伤 机械工程学院
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滚动轴承故障特征提取方法
在机械设备的故障诊断研究过程中，故障特征的提 取是第一步，也是关键的一步和困难的一步。实际 工作中的机械设备上所采集到的振动信号，往往包 含大量的噪声信息，对于故障特征的提取造成干扰。
滚动轴承振动机理与特征频率分析
滚动轴承振动原理图
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滚动轴承特征频率分析
为分析轴承各部分的运动参数，做如下假设： (l)滚道与滚动体之间无相对滑动； (2)承受径向、轴向载荷时各部分无变形； (3)内圈滚道回转频率为 fi； (4)外圈滚道回转频率为 fo； (5)保持架回转频率，即滚动体公转频率，为 fc。 根据速度v=2πrf，分别得到轴承内外圈及保持架上 的速度。 Vi,Vo,Vc.
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信号提取处理
去噪和降噪是机械振动研究领域的一项重要课题，现实情况下所采集到 的振动信号都不可避免的掺杂了噪声，受到噪声的干扰，有些情况下甚 至原始真实信号湮没于强大的噪声中，造成信息提取的困难，影响到后 期故障诊断分析。因此，机械设备状态监测和故障诊断过程中，一般要 对测得的振动信号进行前期处理以滤除噪声或降低噪声的强度、减小其 干扰，使信号尽可能接近目标监测对象的真实振动，便于提取真实信号 的特征值用于故障诊断。
滤波器去噪
小波分解降 噪
基本原理类似，均通过 对噪声 进行抑制实现降噪目的
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滚动轴承故障的频谱和波形特征
（1）径向振动在轴承故障特征频率及其低倍频处有波峰， 若有多个同类型故障（内滚道、外滚道等），则在故障特征 频率的低倍频处有较大的峰值。 （2）内滚道故障特征频率有边带，边带间隔为1倍频的倍数。 （3）滚动体特征频率处的边带，边带间隔为保持架故障特 征频率。 （4）在加速度频谱的中高区域若有峰群突然生出，表明有 疲劳故障。 （5）径向诊断时域波形有垂直复冲击迹象（有轴向负载时， 轴向振动波形与径向相同，或者其波峰系数大于5，表明故 障产生了高频冲击现象）。