滚动轴承的故障诊断方法研究

滚动轴承的故障诊断方法研究

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

滚动轴承是生产机械中的地位无可替代，当然也最易损坏的部件。其运行状态会直接影响整台机械工作效率、精度寿命和可靠性。滚动轴承的损坏会导致生产机械剧烈振动，并伴有强大噪声，不仅会影响产品的加工质量，严重时会导致生产机械的损坏或机械事故。随着电机的广泛应用及其自动化程度的不断提高，对其安全性、精度和故障诊断的准确性的要求也随之提高。传统的诊断方法不仅成本较高、准确率偏低，并且更新费用高，已然不能满足高科技设备的需求。基于以上原因，本文在虚拟仪器的环境下，利用多传感器信息融合技术，实现滚动轴承的故障诊断，会对现在和将来的生产技术提供强有力的帮助。

1.2国内外电机滚动轴承故障诊断的研究现状

近现代以来，国内和国外的研究机构及学者在电机滚动轴承故障诊断的理论、技术与方法等方面进行了大量的研究分析工作，发表了诸多研究成果。

在国外，美国南卡罗林娜大学运用振动响应的多参数多频率的方法，对具有裂纹的和损伤的故障轴承进行诊断，目前已经取得了良好的成果。美国宾州大学采用alpha beta -gamma跟踪滤波器和Kalman滤波器，对轴承故障的智能预示实现了完美成功。日本九州工业大学运用基因算法优化组合特征参数，成功诊断出工况滚动轴承微弱故障。意大利的Cassino大学，使用自谱技术对出现的轴承进行检测，判断故障轴承的初始问题，到目前为止也取得了有效的研究成果。国外的这些技术有我们值得借鉴的地方，去其糟粕取其精华，研究更有技术的故障轴承诊断系统。

在国内，当滚动轴承存在故障时，大都以振动检测为主，因为轴承故障后常伴随巨大的声响，以及明显的外观表现。国内的主要研究成果如下图所示。

或自身故障等多个方面的原因，会对故障造成误判或错判，如:声级计传感器易受到噪声的干扰，不能准确、无失真的反映滚动轴承的真实信号，温度传感器由于易受到外界温度的干扰，也常会出现误判或者错判等等。调研及试验结果表明，滚动轴承出现故障时，最明显的特征是机床振动信号的变化，与此同时其电机的电流也会发生变化，且电流可以敏感的反映故障信息。所以，运用加速度传感器监测机床的振动信号、电流传感器监测电机的电流变化信号，并在智能信息处理技术上，通过多传感器信息融合，获取滚动轴承的故障信息，是较为简单且效的方法。

1.3本文的主要研究工作

本文在吸取前人研究成果的基础上，提出如下主要内容：

第一章介绍了本课题的研究目的和意义，国内外的研究现状，提出本文的主要研究工作。

第二章针对滚动轴承故障机理及失效方式进行阐述；探究了当轴承发生故障时，振动与其是何种关系，并且介绍了振动的几种分类。

第三章介绍基于振动信号的轴承故障诊断方法。主要介绍了基于振动信号的几种信号处理方法，包括时域分析法、频域分析法。本章对比两种方法的优缺点，并从实用性的角度对它们进行了分析。

第四章滚动轴承故障诊断系统设计。本章对系统的软硬件两部分进行了设计。硬件部分主要包含振动传感器、光电编码器的选型以及信号调理电路与数据采集装置的设计。软件方面包含基于DSP的信号采集与发送程序、LabVIEW开发环境简介基。

第五实验结果和分析。对实验对象、实验平台和实验步骤进行了详细的介绍；然后利用设计的轴承故障诊断系统对振动信号进行采集，并通过故障分析模块对振动信号进行了处理、分析。实验结果表明本文设计的轴承故障诊断系统可以有效的诊断轴承故障

第六章总结与展望。概述了全文的主要工作以及创新之处，介绍了该滚动轴承故障诊断系统所取得的效果，并列举了系统所存在的不足之处，对设计的系统可以改进之处进行了展望。

第2章电机滚动轴承故障机理分析

2.1引言

滚动轴承在电机上的主流地位无可替代，作用更是不可小觑。然而，滚动轴承也是电机上最容易损坏的部件，所以对电机的滚动轴承进行故障机理分析是非常有必要的。滚动轴承在初始损坏阶段表现并不明显，不易被发觉，因此对滚动轴承进行实时监测是必须的。而当轴承发生明显的故障时，会发出巨大的声响，并且会破坏整台机械的运作，从而影响工作效率，更严重时会造成巨大的人身财产安全。综上所述，对滚动轴承故障机理进行分析研究大有必要。

2.2滚动轴承的典型结构

滚动轴承的典型结构如图2.1所示。内圈、外圈、滚动体和保持架是轴承最重要的四个组成部分。保持架将一定数目的滚动体按固定间隔均匀排列在内圈与外圈之间。滚动轴承运作时，大都通过机械压装或加热装配的方式将内圈装在转轴上随轴转动，外圈固定在轴承座上。

图2·1滚动轴承典型结构图

2.2滚动轴承的失效形式

电机滚动轴承在正常使用时，会出现各式各样的问题，例如：磨损、断裂...。引起轴承的故障振动的原因也有许多：润滑剂不及时给予、工人在安装时操作不当、侵入异物（水分、油脂、杂志等）、发生腐蚀、承载过重等等，为此我们有必要对其失效形式进行探究，下面将给出滚动轴承的主要损伤形式及原因:

生故障。如若故障轴承不能及时地更换和维修，很快会损坏报废，造成极严重的

后果。

2.3滚动轴承的故障诊断常用方法

轴承故障诊断的方法有很多,根据采样的状态信息性质不同，主要分为以下几类：(1)振动检测法:当轴承元件的表面出现损伤时，轴承在运行工作中就会发生突变性的脉冲冲击信号,这时安装在轴承座上的振动传感器就会接收信号并分析，以以诊断轴承是否发生故障。对于磨损类故障，振动信号也与正常状态不同，所以此种方法对任何轴承类型和工作环境都适用，且采集信号方式简单、易于存储，诊断准确度高，因此有广阔的发展前景。

(2)温度分析法

(3)磨损颗粒分析法

(4)油膜电阻检测法

(5)声发射诊断技术

经分析得出，振动信号分析法的适用范围最广，且对各种故障形式都有良好的监测效果，所以本文采用振动信号分析法来分析诊断轴承故障。

2.3滚动轴承的故障机理

滚动轴承对于整个电机机械而言，至关重要，起着支撑部件的作用，它的结构主要包含四个方面：外圈、内圈、滚动体、保持架。

在工作运转状态下，电机的滚动轴承的振动有两类：一跟弹性有关；二跟滚