【關(guān)于滑動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的探究9300字（論文）】

關(guān)于滑動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的研究摘要旋轉(zhuǎn)機(jī)械在生產(chǎn)制造中占有較大的比重，而滑動(dòng)軸承作為其關(guān)鍵部件，更是被大量使用。設(shè)備工作時(shí)，會(huì)在滑動(dòng)軸承上施加很高的負(fù)荷，而且滑動(dòng)軸承所處的位置大多有較高的溫度和骯臟的油污，因此，這也造成了滑動(dòng)軸承的易損性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由滑動(dòng)軸承所誘發(fā)的故障占總故障的30%-40%。如果能在滑動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換或維護(hù)，那么不僅能夠降低設(shè)備的故障率，而且也可為以后的滑動(dòng)軸承安裝以及使用提供參考。本文以實(shí)際的軸承振動(dòng)信號(hào)為分析對(duì)象，依據(jù)常見(jiàn)的軸承模型，研究了軸承的常見(jiàn)故障和故障產(chǎn)生的原因，最后，總結(jié)了軸承部分典型故障下所呈現(xiàn)的特征以及常用的軸承故障分析手段，如時(shí)域分析法、頻域分析法以及時(shí)頻域聯(lián)合分析法等。關(guān)鍵詞：軸承；振動(dòng)信號(hào)；時(shí)域分析法；頻域分析法目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章前言 第1章前言1.1研究背景與意義從以瓦特改良的蒸汽機(jī)為代表的工業(yè)革命開始，機(jī)械設(shè)備逐漸取代人力成為社會(huì)生產(chǎn)的主要工具，人類開始進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代的大門，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷深化和發(fā)展，機(jī)械設(shè)備朝著功能越來(lái)越豐富、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)發(fā)展。機(jī)械設(shè)備的精密化和復(fù)雜化在給人類提供更多功能和便利的同時(shí)，也對(duì)設(shè)備的狀態(tài)檢驗(yàn)和故障識(shí)別診斷提出了更高的要求，因此在機(jī)械設(shè)備的發(fā)展歷程中，研制技術(shù)的研究和維護(hù)技術(shù)的研究一直是同步進(jìn)行的，在現(xiàn)代機(jī)械中，設(shè)備的故障診斷更是研究的重中之重，它對(duì)于保證機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的意義。軸承是機(jī)械裝置中最為常見(jiàn)和重要的零部件，由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)等原因，軸承發(fā)生故障的概率非常大，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)存在重大的安全隱患，及時(shí)預(yù)測(cè)并處理軸承故障，對(duì)于保護(hù)相關(guān)設(shè)備和操作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全有著極為重要的作用。在軸承故障診斷領(lǐng)域，振動(dòng)信號(hào)的分析是最重要的分析方法，傳統(tǒng)的信號(hào)時(shí)域、頻域分析往往對(duì)于平穩(wěn)信號(hào)的處理能力較好，但隨著機(jī)械設(shè)備精密復(fù)雜化，振動(dòng)信號(hào)成分逐漸繁雜，傳統(tǒng)分析方法的處理能力大打折扣，信號(hào)分解則是處理非平穩(wěn)信號(hào)的有效方法，信號(hào)的分解是根據(jù)信號(hào)自身的性質(zhì)將復(fù)雜的非平穩(wěn)信號(hào)分解成若干個(gè)有實(shí)際意義的分量信號(hào)，再對(duì)這些分量信號(hào)進(jìn)行處理，獲取隱含在分量信號(hào)中的某些目標(biāo)信息的信號(hào)研究處理方法。在以振動(dòng)信號(hào)分析為主要方法的軸承故障診斷中，軸承振動(dòng)信號(hào)波形多呈現(xiàn)出非平穩(wěn)的樣式，且由于軸承一般配合其他部件一同工作，振動(dòng)信號(hào)成分復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的傅里葉變換等頻域診斷方法所能得到的效果有限，因此利用信號(hào)分解方法對(duì)軸承的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解而后配合其他算法來(lái)提取分量信號(hào)中的深層次信息，是軸承故障診斷領(lǐng)域有意義和有價(jià)值的探究。1.2軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀自軸承出現(xiàn)并運(yùn)行于機(jī)械設(shè)備之中，相關(guān)的狀態(tài)檢查和故障識(shí)別就伴隨產(chǎn)生了。軸承故障系統(tǒng)化和理論化的研究起源于國(guó)外，我國(guó)的軸承故障診斷研究的起步較晚，大致開始于上世紀(jì)70到80年代，在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中，我國(guó)研究人員取得了重大成就，并在逐步填補(bǔ)國(guó)家在故障診斷領(lǐng)域的相關(guān)空白。在軸承故障診斷方法的發(fā)展中，振動(dòng)信號(hào)的分析是主要方法，早期的軸承故障信號(hào)分析依賴于峰值、有效值等時(shí)域指標(biāo)的計(jì)算和觀察，這些診斷和識(shí)別方法依賴于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，容易受外界無(wú)關(guān)因素的干擾，幾乎不能單獨(dú)用于強(qiáng)背景噪聲或者復(fù)雜工況下的振動(dòng)信號(hào)的分析和處理；以傅氏變換為主要工具的信號(hào)頻域分析技術(shù)將研究角度從時(shí)間域延伸到了頻率域，取得了成功的應(yīng)用；隨著科技水平的不斷提高，傳統(tǒng)方法下的故障診斷往往難以對(duì)分析精度、處理速度、測(cè)試環(huán)境三者進(jìn)行合理的平衡，對(duì)此信號(hào)的時(shí)頻分析技術(shù)產(chǎn)生了，學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果。上述軸承故障診斷與分析方法的主要載體都是信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)的采集需要配置相關(guān)的采集環(huán)境和采集設(shè)備，這對(duì)于時(shí)間和資金設(shè)備提出了要求，同時(shí)有些設(shè)備的軸承拆裝較為繁瑣，或者不能停機(jī)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集，因此又出現(xiàn)了利用其他性質(zhì)進(jìn)行診斷的方法，比如常見(jiàn)的超聲波探傷法、聲發(fā)射診斷法，它們利用了聲學(xué)的性質(zhì)進(jìn)行故障診斷；根據(jù)故障部位的溫度會(huì)與正常部位存在差異的性質(zhì)研發(fā)的紅外線溫度測(cè)量技術(shù)；軸承內(nèi)部一般填充潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑減摩，油料分析法則是根據(jù)潤(rùn)滑油中元素的變化來(lái)衡量故障的類型和損傷程度。第2章軸承結(jié)構(gòu)及其故障機(jī)理的研究2.1軸承的基本結(jié)構(gòu)一個(gè)常見(jiàn)的滑動(dòng)軸承的主視圖和截面圖如圖2-1所示，從圖中可以看出，它有軸承內(nèi)圈、軸承外圈、滾動(dòng)體、保持架四個(gè)主要部分，這四個(gè)部分構(gòu)成了軸承的基本結(jié)構(gòu)并保證軸承安全穩(wěn)定地運(yùn)行。軸承內(nèi)圈一般與轉(zhuǎn)動(dòng)軸緊密裝配在一起，并與轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起運(yùn)動(dòng)；軸承外圈一般與軸承底座或者機(jī)械設(shè)備其他部件裝配在一起，起著支撐軸承的作用，常見(jiàn)的軸承一般是外圈固定不動(dòng)而內(nèi)圈跟隨主軸旋轉(zhuǎn)，但有的軸承也會(huì)固定軸承內(nèi)圈，讓軸承外圈運(yùn)動(dòng)；滾動(dòng)體一般均勻分布在軸承內(nèi)圈和外圈之間，配合內(nèi)外圈的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡位于軸承內(nèi)外圈的滾道溝之中，其數(shù)目、質(zhì)量、形態(tài)和大小等固有屬性會(huì)直接影響軸承的相關(guān)工作方式以及軸承的承載性能；保持架一般用來(lái)保證各個(gè)滾動(dòng)體之間的相對(duì)位置，還可以引導(dǎo)滾動(dòng)體在預(yù)定的軌道上運(yùn)動(dòng)，保證軸承正常工作狀態(tài)，除此之外，軸承一般還有潤(rùn)滑油、密封圈等部件、主要起潤(rùn)滑、密封等保護(hù)作用，防止內(nèi)部元件受到外界因素的侵蝕，保障軸承運(yùn)行安全，延長(zhǎng)軸承使用壽命。圖2-1滑動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)圖2.2軸承的失效過(guò)程軸承由于制造工藝、制造材料等因素之間存在的差異，難以對(duì)軸承的運(yùn)行期間的狀態(tài)和壽命做出精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，但是從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中可以得出，軸承從裝配運(yùn)行到出現(xiàn)故障直至失效損壞的整個(gè)生命周期期間一般有如下四個(gè)典型的狀態(tài)階段。(1)軸承處于正常運(yùn)行狀態(tài)，其振動(dòng)信號(hào)成分的幅值是比較小的，且呈現(xiàn)出周期性的變化形式。此階段軸承可以正常工作，設(shè)備可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。(2)軸承出現(xiàn)了微弱的早期故障，此時(shí)的軸承振動(dòng)信號(hào)的幅值相較于正常軸承的振動(dòng)信號(hào)的幅值會(huì)有所增大，但是由于故障微弱，且故障特征主要存在于超聲頻率范圍內(nèi)，因此用傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)傳感器很難有效測(cè)得故障信息，但是由于軸承內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了微弱的損傷，用聲發(fā)射檢測(cè)裝置或者超聲波探傷裝置往往能有效檢測(cè)早期故障。此階段的軸承尚可以正常維持運(yùn)行。(3)軸承的缺陷和損傷進(jìn)一步加大，振動(dòng)信號(hào)中周期性的故障沖擊信號(hào)開始逐漸明顯，利用包絡(luò)解調(diào)手段可以解析出軸承的故障特征頻率，隨著軸承故障的不斷加劇，包絡(luò)頻譜等檢測(cè)手段所測(cè)出的故障特征頻率的幅值會(huì)明顯增大，故障特征頻率的諧波成分會(huì)逐漸出現(xiàn)并增多，此時(shí)的軸承故障特征較為明顯。在實(shí)際工作中，此階段的軸承往往需要測(cè)試狀態(tài)并維護(hù)檢修。(4)軸承處于嚴(yán)重?fù)p壞到失效的階段內(nèi)，此時(shí)的軸承故障向嚴(yán)重的程度發(fā)展，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲會(huì)明顯加大，各種振動(dòng)成分會(huì)被增大的噪聲逐漸淹沒(méi)，故障部分因發(fā)生比較激烈的沖擊，溫度也會(huì)有較為明顯的提升。此時(shí)的軸承必須維修或者更換，否則會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。2.3軸承的故障類型軸承因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，所以故障的類型和呈現(xiàn)形式是多種多樣的。一般來(lái)說(shuō)，軸承故障主要發(fā)生在軸承的主要元器件和元器件相互接觸的觸面或觸點(diǎn)之處，從故障類型來(lái)看，主要有磨損、疲勞、腐蝕、斷裂、膠合等主要形式。(1)軸承的疲勞故障，軸承在工作期間，其各個(gè)元器件表面或者次表面之間會(huì)相互接觸，從而產(chǎn)生周期性的應(yīng)力，久而久之，當(dāng)接觸面的應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)材料表面所能承受的最大疲勞強(qiáng)度后，接觸面就可能會(huì)產(chǎn)生疲勞裂痕，裂痕程度會(huì)在軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)下不斷加劇，以至于發(fā)展成坑洼，造成材料的疲勞剝落和損傷。疲勞損傷在軸承的整個(gè)生命周期中是不可避免地會(huì)出現(xiàn)的，工作溫度、外部荷載、材料可靠性、潤(rùn)滑狀態(tài)等因素都有可能導(dǎo)致軸承的疲勞損傷。一般早期的疲勞損傷不會(huì)影響軸承的運(yùn)行狀態(tài)，但是損傷到達(dá)一定程度時(shí)，軸承就會(huì)產(chǎn)生安全隱患，此時(shí)需要對(duì)軸承進(jìn)行維護(hù)或者更換。(2)軸承的磨損故障，由于工藝水平的限制，軸承各個(gè)元器件之間必定會(huì)存在間隙，例如滾動(dòng)體和滾道溝和保持架之間的縫隙，在軸承運(yùn)行過(guò)程中，這些縫隙的存在會(huì)令元器件在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生一些相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)令元器件表面產(chǎn)生磨損創(chuàng)傷；除此之外，外界環(huán)境和潤(rùn)滑油中的異物、潤(rùn)滑油的缺失都會(huì)在一定程度上加劇軸承的磨損。磨損會(huì)令軸承元器件表面的粗糙程度加劇，降低軸承的工作精度、嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致軸承失效報(bào)廢。(3)軸承的腐蝕故障，軸承腐蝕受到外部工作環(huán)境的影響最大，對(duì)于軸承而言，電腐蝕和化學(xué)腐蝕是最常見(jiàn)的腐蝕方式。軸承在工作時(shí)，表面可能會(huì)有電流流通，這些電壓或者電流可能會(huì)激起電火花放電，從而在軸承元器件表面造成點(diǎn)蝕；化學(xué)腐蝕一般是由外部的水、空氣、以及潤(rùn)滑油引起，環(huán)境中的水蒸氣、氧氣以及其他元素會(huì)日積月累地附著在軸承的元器件表面，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成軸承表面的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕對(duì)軸承的損傷程度要視工作環(huán)境而言，在工作環(huán)境比較舒適穩(wěn)定的情況下，腐蝕損傷程度會(huì)較??；長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)在強(qiáng)酸強(qiáng)堿或者潮濕的環(huán)境中，腐蝕損傷程度就會(huì)嚴(yán)重一些。對(duì)于軸承腐蝕，采用性能良好的密封圈或者配備軸承專用的保護(hù)罩能有效改善軸承腐蝕狀況。(4)軸承的斷裂故障，軸承斷裂是軸承最為嚴(yán)重的故障之一，是一種不可逆的軸承損傷。軸承承受的載荷過(guò)大、軸承主軸的轉(zhuǎn)速過(guò)高是造成軸承斷裂故障的常見(jiàn)因素，過(guò)大的負(fù)荷超出了軸承元器件的極限承載能力，導(dǎo)致了軸承斷裂；除此之外，軸承裝配時(shí)引起的殘余應(yīng)力、安裝時(shí)存在的不對(duì)中狀況、潤(rùn)滑劑失效或者潤(rùn)滑不良都有可能導(dǎo)致軸承斷裂。軸承的斷裂一般是外部瞬發(fā)的過(guò)載引起的，斷裂的軸承無(wú)法繼續(xù)工作，存在重大安全隱患，必須拆解軸承進(jìn)行修理和更換元器件。(5)軸承的膠合故障，膠合一般指的是某個(gè)元器件表面上的材料通過(guò)某種方式附著到了另一個(gè)元器件表面的現(xiàn)象。軸承在高速、高壓、強(qiáng)荷載的運(yùn)行條件下，各個(gè)元器件之間的擠壓和摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱能，如果潤(rùn)滑劑不能有足夠的散熱和傳熱能力，這些急劇增長(zhǎng)的熱量會(huì)讓軸承元器件產(chǎn)生熱形變，從而在元器件之間的接觸面或者接觸點(diǎn)造成燒傷，引起軸承損壞。因此，保證軸承在可以承載的環(huán)境里運(yùn)行并提供足夠優(yōu)質(zhì)的潤(rùn)滑劑，是避免軸承膠合故障的關(guān)鍵。(6)部分實(shí)際軸承的故障如圖2-2所示。圖2-2軸承實(shí)際故障示意圖第3章軸承的振動(dòng)信號(hào)成分分析在軸承的故障診斷方式中，振動(dòng)信號(hào)分析是經(jīng)典且有效的。軸承的振動(dòng)信號(hào)大致可以分為兩個(gè)主要部分，軸承的固有振動(dòng)成分和軸承的故障振動(dòng)成分。軸承的固有振動(dòng)成分是恒定存在的，它產(chǎn)生于軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程之中；軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者存在輕微故障時(shí)，其故障振動(dòng)成分不會(huì)特別明顯，當(dāng)故障嚴(yán)重到一定程度時(shí)，故障特征就會(huì)逐漸明顯，此時(shí)對(duì)于故障振動(dòng)成分的分析便是軸承故障診斷的主要方式之一。3.1軸承的固有振動(dòng)成分軸承的固有振動(dòng)成分存在于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，它是由軸承或者實(shí)驗(yàn)設(shè)備的固有屬性激發(fā)產(chǎn)生，與軸承的故障成分有本質(zhì)的區(qū)別。對(duì)于含有軸承的機(jī)械設(shè)備而言，其固有振動(dòng)成分主要可以分為以下四個(gè)方面。(1)軸承的主要元器件包含內(nèi)外圈、保持架和滾動(dòng)體，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到擠壓和沖擊，這些作用力可能會(huì)激發(fā)軸承元器件的固有振動(dòng)，這種振動(dòng)屬于外界激勵(lì)條件下的強(qiáng)迫振動(dòng)，根據(jù)單體或者系統(tǒng)的固有頻率的計(jì)算方式，此振動(dòng)成分只和單體或者系統(tǒng)的等效質(zhì)量和等效剛度有關(guān)，取決于各部件的材料、密度等固有屬性，不因外部條件而改變，此類振動(dòng)屬于高頻振動(dòng)，其頻率一般在數(shù)千赫茲以上。對(duì)于軸承而言，其不同元器件的固有的振動(dòng)頻率是存在不同的，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體的固有振動(dòng)是最為明顯的，其固有頻率可以利用以下公式進(jìn)行計(jì)算。軸承內(nèi)外圈的固有振動(dòng)頻率：(3-1)軸承滾動(dòng)體的固有振動(dòng)頻率：(3-2)式中，n為軸承的振動(dòng)階數(shù)(n=2,3,4,…)；g為重力加速度(mm/s2)；ρ為軸承材料的密度(kg/mm3)；R為軸承滾動(dòng)體的半徑(mm)；E為軸承材料的彈性形變模量(Gpa)；D為軸承套圈截面的中徑(mm)；A為軸承套圈截面的面積(mm2)；I為軸承套圈截面的慣性矩(mm4)。(2)軸承在工作時(shí)，不同位置的滾動(dòng)體數(shù)目不同，在承受荷載時(shí)不同部位的承載剛度也會(huì)存在差異，這會(huì)引起軸承的軸心產(chǎn)生起伏，這種振動(dòng)叫做軸承的傳輸振動(dòng)。它主要由滾動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生，其頻率可以由滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率和滾動(dòng)體數(shù)目的乘積來(lái)計(jì)算和表示。(3)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾道和滾動(dòng)體之間會(huì)產(chǎn)生擠壓和彈性變形，它們的接觸形式可以等效為一個(gè)彈簧模型，如果軸承存在潤(rùn)滑不良等情況，可能會(huì)出現(xiàn)非線性彈簧振動(dòng)相關(guān)特性，從而產(chǎn)生推力方向上的振動(dòng)。它的主要頻率表現(xiàn)為軸承轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其各次諧波成分。此類情況在深溝球滑動(dòng)軸承上時(shí)有發(fā)生。(4)由于工藝水平和裝配水平的限制，軸承在制造或者裝配過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)加工表面粗糙程度不達(dá)標(biāo)、滾動(dòng)體大小不一致、主軸彎曲、裝配傾斜或者過(guò)緊過(guò)松等現(xiàn)象，這些因素同樣會(huì)激發(fā)出一些固有振動(dòng)成分。3.2軸承的故障振動(dòng)成分軸承在生命周期內(nèi)，各個(gè)元器件都有可能發(fā)生故障進(jìn)而影響軸承的正常運(yùn)行，軸承有內(nèi)外圈、滾動(dòng)體、保持架等主要結(jié)構(gòu)，因此故障一般集中發(fā)生于這幾個(gè)主要部件之中。當(dāng)元器件發(fā)生故障時(shí)，會(huì)跟隨軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生不同的呈現(xiàn)周期性特征的故障沖擊成分。學(xué)者Balderston在總結(jié)了大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，提出了滑動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)，各主要部件沖擊頻率的計(jì)算公式。對(duì)于常見(jiàn)的外圈固定，內(nèi)圈跟隨主軸旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，典型的故障振動(dòng)頻率計(jì)算方式如下。軸承外圈故障通過(guò)頻率公式：(3-3)式中，fi是是軸承實(shí)際振動(dòng)軸承內(nèi)圈故障通過(guò)頻率公式：(3-4)軸承滾動(dòng)體故障通過(guò)頻率公式：(3-5)軸承保持架故障通過(guò)頻率公式：(3-6)式中，fi為軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率(Hz)；fo為軸承外圈旋轉(zhuǎn)頻率(Hz)；d為軸承滾動(dòng)體直徑(mm)；D為軸承滾道中徑(mm)；α為接觸角(o)；Z為滾動(dòng)體數(shù)目(個(gè))。對(duì)于常見(jiàn)的軸承而言，它的內(nèi)外圈直徑、軸承節(jié)徑、滾動(dòng)體數(shù)目、接觸角度數(shù)等參數(shù)可以直接獲取或者通過(guò)計(jì)算得出，相關(guān)轉(zhuǎn)速可以從工況條件中獲取，套用上述公式即可大致計(jì)算出不同故障狀態(tài)下的軸承相關(guān)特征頻率，為后續(xù)的研究提供參考。如果軸承的相關(guān)信息不全或者軸承的尺寸不便測(cè)量時(shí)，在滾動(dòng)體數(shù)目n在6至12個(gè)的范圍內(nèi)，可以用式(2-7)來(lái)近似估算相關(guān)特征頻率。軸承特征頻率近似估算公式：(3-7)第4章軸承故障診斷研究軸承故障診斷方法多種多樣，早期的故障診斷利用人類觀察軸承運(yùn)行情況，配合過(guò)往積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)加以描述，此方式存在較大的不確定性；隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行軸承的狀態(tài)分析和故障檢測(cè)，很多時(shí)域指標(biāo)的提出讓軸承的故障診斷有了更加科學(xué)合理的規(guī)范化模型，以傅氏變換為基礎(chǔ)的信號(hào)頻域轉(zhuǎn)化為軸承故障診斷提供了嶄新的分析角度和分析方法，讓人們對(duì)振動(dòng)信號(hào)有了更深層次的理解，為以后發(fā)展起來(lái)的信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合分析技術(shù)打下基礎(chǔ)；隨著科技的不斷進(jìn)步，各種智能算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及故障診斷系統(tǒng)被引入到故障診斷領(lǐng)域并展示出其快捷、準(zhǔn)確、高效的巨大優(yōu)勢(shì)。4.1振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析法振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析方法主要依靠從信號(hào)中提取的時(shí)域參量來(lái)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的分析和處理。時(shí)域信號(hào)參量從類別上包含有量綱參量、無(wú)量綱參量，在時(shí)域分析中，均值、峰值、均方根值、峭度、裕度指標(biāo)、歪度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)等是最為常用的時(shí)域特征參數(shù)。(1)均值(AverageValue)是時(shí)域信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)幅值的平均，是信號(hào)在一段采樣時(shí)間內(nèi)幅值之和對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)的比值。均值在振動(dòng)信號(hào)分析中一般不會(huì)單獨(dú)使用，它更多的起到的是輔助分析，比如實(shí)際信號(hào)往往會(huì)減去均值，而后再進(jìn)行信號(hào)處理。對(duì)于有n個(gè)采樣點(diǎn)的離散時(shí)域信號(hào)S(t)，其均值Vavg為：(4-1)(2)峰值(PeakValue)是時(shí)域信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的最大值。它能有效體現(xiàn)軸承的早期表面類故障特征，但是峰值容易受到外界因素的干擾。對(duì)于任意的離散時(shí)域信號(hào)S(t)，其峰值Vp為：(4-2)(3)均方根值(RootMeanSquareValue)也叫做有效值，它是一個(gè)信號(hào)平方和的均值的正平方根，意義是某個(gè)信號(hào)在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)所做功的大小等于與該值相同的直流電壓所做的功。在軸承振動(dòng)信號(hào)分析中，有效值對(duì)于表面點(diǎn)蝕故障的表征效果較好，且對(duì)于外界干擾的抵抗能力較強(qiáng)，但是對(duì)于剝落或者劃痕這一類存在瞬間沖擊的故障，它的表征性能有限。對(duì)于一個(gè)含有n個(gè)采樣點(diǎn)的離散時(shí)域信號(hào)S(t)，其均方根值Vrms為：(4-3)(4)峭度(KurtosisValue)是時(shí)域信號(hào)歸一化后的四階中心矩。它對(duì)于故障信息的感知能力比較強(qiáng)，特別是對(duì)于軸承的早期輕微故障，其損傷程度比較小，故障沖擊幅度不明顯，峭度的計(jì)算可以放大故障特征信息，并且在一定程度上抑制其他無(wú)用的信號(hào)成分，因此它可以較為準(zhǔn)確地識(shí)別軸承早期故障，但是峭度會(huì)受到噪聲的影響，而且當(dāng)故障損傷程度比較大時(shí)，此參數(shù)的識(shí)別效果欠佳，有研究指出，對(duì)于滑動(dòng)軸承而言，故障發(fā)展到一定程度時(shí)振動(dòng)信號(hào)的峭度值會(huì)和正常軸承振動(dòng)信號(hào)的峭度值出現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。對(duì)于有n個(gè)采樣點(diǎn)的離散時(shí)域信號(hào)S(t)，其峭度Vkur為：(4-4)(5)脈沖指標(biāo)(ImpulsionIndex)是信號(hào)的峰值和平均值絕對(duì)值的比。它對(duì)于軸承表面疲勞剝落或者劃痕的檢測(cè)能力比較強(qiáng)。對(duì)于離散的時(shí)域信號(hào)S(t)而言，其脈沖指標(biāo)I為：(4-5)(6)峭度指標(biāo)(KurtosisIndex)是峭度的另一種衍生參數(shù)，是信號(hào)的峭度與均方根值的四次方的比值。振動(dòng)信號(hào)的峭度指標(biāo)值與相關(guān)設(shè)備的轉(zhuǎn)速、大小、載荷等因素?zé)o關(guān)，它對(duì)故障沖擊特別敏感，同樣可以用于軸承類設(shè)備的早期故障檢測(cè)。一般情況下，軸承在正常運(yùn)行狀態(tài)下的峭度指標(biāo)維持在3附近，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，信號(hào)中和故障成分有關(guān)的幅值就會(huì)變大，從而讓信號(hào)幅值的分布偏離正常的正態(tài)分布，峭度指標(biāo)值變大，其值越大，說(shuō)明故障越嚴(yán)重，一般此值大于7或者8時(shí)，可以認(rèn)為設(shè)備出現(xiàn)了重大的故障。對(duì)于離散的時(shí)域信號(hào)S(t)而言，其峭度指標(biāo)K為：(4-6)(7)裕度指標(biāo)(MarginIndex)是信號(hào)的峰值和方根幅值的比值。此指標(biāo)可以用來(lái)衡量軸承的損傷程度，一般情況下，此值越大，說(shuō)明軸承的故障損傷程度越是嚴(yán)重。對(duì)于離散的時(shí)域信號(hào)S(t)而言，其裕度指標(biāo)L為：(4-7)除了上述指標(biāo)外，還有其他很多參數(shù)，諸如方差、斜度、平均幅值、方根幅值、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)等，它們同樣在軸承信號(hào)時(shí)域分析中有著廣泛的應(yīng)用，這些時(shí)域指標(biāo)的出現(xiàn)讓軸承故障診斷有了更加科學(xué)合理的規(guī)范化模型。時(shí)至今日，軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)域分析依然是軸承故障診斷的重要組成部分，并對(duì)故障診斷的發(fā)展和進(jìn)步產(chǎn)生了深刻影響。4.2振動(dòng)信號(hào)頻域分析法機(jī)械設(shè)備有著越來(lái)越精密復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)，其振動(dòng)信號(hào)成分也越發(fā)混雜，這給時(shí)域分析帶來(lái)了諸多不便，于是人們開始從頻域角度來(lái)思考如何進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的故障診斷，以傅里葉變換為主要工具的時(shí)域信號(hào)的頻域轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)分析提供了嶄新的工具。(1)傅里葉變換是信號(hào)頻譜分析的基礎(chǔ)工具之一，它由法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉作為熱力學(xué)分析工具提出，后被廣泛應(yīng)用到時(shí)域信號(hào)的頻域轉(zhuǎn)換中。傅里葉變換指出滿足一定條件的某個(gè)函數(shù)都能表示成三角函數(shù)或者其積分的線性組合形式。對(duì)于任意時(shí)域信號(hào)S(t)，其傅里葉變換形式如下：(4-8)傅里葉變換適合于處理穩(wěn)態(tài)信號(hào)或者周期信號(hào)，隨著研究的深入又衍生出了連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換，并配合計(jì)算機(jī)在實(shí)際信號(hào)的分析和處理中發(fā)揮了很大作用。在計(jì)算機(jī)中，離散形式的傅里葉變換可以獲得較快的處理結(jié)果，此算法被稱為快速傅里葉變換(FastFourierTransform，F(xiàn)FT)算法，它是離散傅里葉變換(DiscreteFourierTransform，DFT)算法的快速實(shí)現(xiàn)形式，時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換可以獲得信號(hào)的頻譜，尋找并分析相關(guān)頻率就可以完成相應(yīng)的故障識(shí)別。傅里葉變換也存在缺點(diǎn)，它適用于較為平穩(wěn)的信號(hào)，對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)的處理效果不佳；傅里葉變換在進(jìn)行時(shí)域卷積時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些不連續(xù)的間斷的點(diǎn)，這些點(diǎn)會(huì)令頻域中出現(xiàn)額外的成分，發(fā)生傅里葉變換的泄露現(xiàn)象。(2)在實(shí)際的工程背景下，獲取的振動(dòng)信號(hào)往往摻雜著大量背景噪聲，此時(shí)的信號(hào)采用時(shí)域分析或者僅利用傅里葉變換進(jìn)行分析獲得的結(jié)果是不盡人意的。希爾伯特包絡(luò)頻譜則是處理此類信號(hào)的有效方式，它利用希爾伯特變換將原始信號(hào)進(jìn)行變換并構(gòu)造復(fù)信號(hào)，并對(duì)構(gòu)造的新信號(hào)進(jìn)行模值求取得到包絡(luò)信號(hào)，再對(duì)包絡(luò)信號(hào)求取頻譜即為包絡(luò)頻譜。相比于傳統(tǒng)的傅里葉分析，此方法對(duì)故障沖擊的敏感程度更高，適合于含有大量背景噪聲的振動(dòng)信號(hào)的頻域分析。對(duì)于任意的時(shí)域信號(hào)S(t)，先對(duì)其進(jìn)行希爾伯特變換得到H[S(t)]，其變換的本質(zhì)是原始信號(hào)與1/πt進(jìn)行卷積運(yùn)算：(4-9)構(gòu)造新的解析信號(hào)S′(t)=S(t)+jH[S(t)]，對(duì)其取模值，得到包絡(luò)信號(hào)A(t)：(4-10)最后對(duì)包絡(luò)信號(hào)A(t)進(jìn)行傅里葉變換，即得到希爾伯特包絡(luò)譜：(4-11)希爾伯特包絡(luò)解調(diào)是一種常用的信號(hào)解調(diào)方式，在軸承的故障診斷中，故障軸承會(huì)在運(yùn)行中激發(fā)出周期性的故障沖擊信號(hào)，這些沖擊信號(hào)可能會(huì)與某些高頻率的固有振動(dòng)發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象，利用希爾伯特包絡(luò)譜就可以將這些沖擊信號(hào)分離出來(lái)。信號(hào)的希爾伯特包絡(luò)譜和信號(hào)的頻譜存在差異，在故障信號(hào)的分析和處理中，包絡(luò)譜用于軸承振動(dòng)信號(hào)故障特征提取往往能取得更好的效果。第5章結(jié)論本文首先闡述了常見(jiàn)滑動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)，而后對(duì)其典型的故障類型和故障表現(xiàn)形式進(jìn)行了分析。在軸承的故障診斷中，振動(dòng)信號(hào)分析法是最為成熟有效的方法，對(duì)于軸承振動(dòng)信號(hào)而言，固有振動(dòng)和故障振動(dòng)是主要的信號(hào)成分，對(duì)故障振動(dòng)成分的分析便是故障診斷的關(guān)鍵。在故障信號(hào)的分析中，時(shí)域和頻域分析是主要手段，時(shí)域分析依靠提取有量綱參數(shù)或者無(wú)量綱參數(shù)這些時(shí)域指標(biāo)來(lái)反映軸承的故障狀態(tài)，應(yīng)用存在諸多限制；頻域分析則是將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，尋找相關(guān)故障特征頻率來(lái)判斷故障類型，傅里葉變換和希爾伯特包絡(luò)解調(diào)作為最常用的信號(hào)頻域分析手段，有著各自的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用范圍，也存在著各自的優(yōu)勢(shì)和不足，現(xiàn)實(shí)中的軸承故障診斷需要將時(shí)域頻域分析方法加以有效整合，方能處理實(shí)際問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]王金東,劉著,趙海洋,等.基于MRSSD與