【文章內(nèi)容簡介】 值也將出現(xiàn)周期性變化，其間隔頻率的脈沖波幅值將為體的公轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制。 潤滑不良，由摩擦引起的振動 滾動軸承中存在各個元件之間的滑動摩擦 ，摩擦導(dǎo)致磨損、擦傷、疲勞剝落和裂紋等損傷，如果潤滑劑不足或不良，滾動體 在滾道上不能形成良好的油膩，金屬之間的直接摩擦在滾道上產(chǎn)生 更多 的缺陷或損傷，使軸承工作時振動加大。 保持架的引導(dǎo)面與滾動體之間無油 膜 隔離，則可能使?jié)L動體在保持架內(nèi)被卡住滾動體在滾道上以滑動代替滾動，產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，保持架的材料膠合到滾動體上 。潤滑不良首先會使保持架產(chǎn)生異常的振動和噪聲，這種振動是由于滾動體和保持架之間發(fā)生摩擦，引起保持架的自激振動所致。 第 2 章 滾動軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 9 裝配不正確，軸頸偏斜產(chǎn)生的振動 如果軸承在軸上裝歪或者旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生了彎曲，軸在旋轉(zhuǎn) 時 相當(dāng)于轉(zhuǎn)子的角度不對中現(xiàn)象，將表現(xiàn)出以轉(zhuǎn)速頻率為特征的振動頻率。但在滾動軸承中，由于軸的彎曲使軸承單側(cè)面受力，因此又具有滾動體通過頻率的特征，兩者合成將成為這種故障振動的主要頻率成分。 從上面列出地滾動軸承發(fā)生振動的各類故障原因和特征可以看出，一旦滾動軸承存在故障，其振動就會產(chǎn)生一個沖擊信號，其故障類型就會以特定地特征頻率表現(xiàn)出來。 滾動軸承故障特征頻率的計(jì)算 當(dāng)滾動體和滾道接觸處遇到一個局部缺陷時，就有一個沖擊信號產(chǎn)生。缺陷在不同元件上，接觸點(diǎn)經(jīng)過缺陷的頻率是不相同的，這個頻率就稱為沖擊的間隔頻率和特征頻率。間隔頻率可以根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、軸承零件的尺寸由軸承的簡單運(yùn)動關(guān)系分析中得到。 設(shè)外圈和內(nèi)圈滾道上分別有一接觸點(diǎn) A 和 B，如圖 21 所示 。 如果徑向游隙為零，則 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的圓周速度分別為 圖 21 滾動軸承中各元件的運(yùn)動關(guān)系 eee nD60?? ? (21) 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 iii nD60?? ? (22) 式中 ie ??、 ——外圈、內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的圓周速度， mm/s； ie DD、 ——外圈、內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的直徑， mm； ie nn、 ——外圈、內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速， r/min 。 令 ： ?? cosmDd? (23) 式中 d ——滾動體直徑， mm； mD ——滾動體中心圓直徑， mm； ? ——接觸角，反映接觸點(diǎn)中心線與滾動體中心線在軸承軸向平面上的夾角， rad。 由圖 21 可見 )1(cos ?? ???? mme DdDD (24) 滾動體圍繞 軸承中心線的公轉(zhuǎn)線速度是 i? 和 e? 速度的平均值，即 )]1()1([1202 ?????? ?????? eimeic nnD (25) 滾動體的公轉(zhuǎn)線速度也就是保持架中心圓的線速度。保持架中心圓上某一點(diǎn)的線速度為 cmc nD60?? ? (26) 由上面得保持架的轉(zhuǎn)速為 )]1()1([21 ?? ???? eic nnn (27) 內(nèi)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速為 )1)((21 ?????? eiciic nnnnn (28) 外圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速為 )1)((21 ?????? eeceec nnnnn (29) 滾動體的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 on 可由接觸點(diǎn)處兩物體線速度相等的關(guān)系求得。例如，滾第 2 章 滾動軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 11 動體與內(nèi)圈接觸的 B 點(diǎn)線速度為 2602 dnoOB ??? ?? (210) 式中負(fù)號表示滾動體與滾動體接觸的 B 點(diǎn)相對于滾動體中心的線速度為 260 )(2 iciiB Dnn ???? ?? (211) 根據(jù)純滾動條件，滾動體上接觸點(diǎn) B 和內(nèi)圈滾道上相應(yīng)的 B 點(diǎn)速度相等，得到 OBiB ?? ? (212) 由此可得滾動體的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 )1)((2)( 2?????? iemicio nndDnndDn (213) 絕大多數(shù)滾動軸承在實(shí)際應(yīng)用中問題保持外接靜止，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速為 n 時，則 nni ? 0?en (214) 則 內(nèi)圈相對于保持架的轉(zhuǎn)速 )cos1(21)1(21 mic Ddnnn ?? ???? (215) 因?yàn)楸３旨苌嫌?z 個滾動體，所以內(nèi)圈上某一點(diǎn)每分鐘通過的滾動體為 zDdnznN mici )cos1(21 ???? (216) 保持架相對于外圈的轉(zhuǎn)速 )cos1(21)1(21 mec Ddnnn ?? ???? (217) 外圈上某一點(diǎn)每分鐘通過的滾動體數(shù)為 zDdnznN mcee )cos1(21 ???? (218) 滾動體自轉(zhuǎn)速度為 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 )cos1(2)1(2 2222 ??mmmo DdndDndDn ?????? (219) 則局部缺陷引起的沖擊振動特征頻率如下所示： 內(nèi)圈有缺陷時的故障特征頻率： zDdnf mi )cos1(120 ??? (220) 外圈有缺陷時的故障特征頻率： zDdnf me )cos1(120 ??? (221) 滾珠有缺陷時的故障特征頻率： )cos1(60 2220 ?mm DddDnf ?? (222) 保持架碰外圈時的故障特征頻率： )cos1(120 ?mec Ddnf ?? (223) 保持架碰內(nèi)圈時的故障特征頻率： )cos1(120 ?mic Ddnf ?? (224) 滾動軸承 的常用 故障診 斷方法 滾動軸承的振動診斷過程，首先要從軸 承上或軸承座上采集信號，即利用振動傳感器（例如壓電式傳感器、電 渦流傳感器和光纖傳感器等）把振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚱渌问降目蓽y信號，然后再作各種形式的處理，以獲得能夠顯示故障狀態(tài)的特征信息。然而，滾動軸承又不同于其他機(jī)械零件，它的振動信號頻率范圍很寬，信噪比很低，信號傳遞中途上的衰減量大，提取它的特征信息還必須采用一些特殊的檢測技術(shù)和處理方法。目前應(yīng)用的滾動軸承振動檢測技術(shù)和診斷方法主要有下列幾種 [1]。 第 2 章 滾動軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 13 低頻信號接收法 低頻信號接收法是將軸承上由傳感器 檢測到的寬頻帶信號直接進(jìn)行頻譜分析，或者信號經(jīng)過低通濾波，去除調(diào)頻成分后再作頻譜分析，從頻譜上觀察主要譜峰。然而實(shí)際運(yùn)行中的軸承，因?yàn)楣收蠜_擊的能量很小，而軸承、齒輪的工藝誤差誘發(fā)的能量比它要大得多。因此，直接利用低頻信號接收法得到的譜圖往往譜線密集，模糊不清，很難鑒別出故障信號。目前很少直接用這種方法去識別軸承故障，有些僅是用這種頻譜來確定軸承元件的固有頻率。 沖擊脈沖法（ SPM） 滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果滾動體接觸點(diǎn)進(jìn)入表面的缺陷區(qū)，就將發(fā)生低頻沖擊，并且以不連貫的沖擊脈沖波形式傳遞到軸承座上 。這種沖擊脈沖信號不同于一般機(jī)器的振動信號，沖擊脈沖的持續(xù)時間很短，其能量可在廣闊的頻率范圍內(nèi)發(fā)散，沖擊脈沖波形由于結(jié)構(gòu)阻尼很 快被衰減下去，累積的能量很小。然而，在這個沖擊力作用下，軸承 結(jié)構(gòu)的某一部分可能被激發(fā)起它的固有頻率。盡管沖擊脈沖的重復(fù)頻率遠(yuǎn)低于軸承的固有頻率。但只要這個沖擊產(chǎn)生的高階頻率落在軸承固有頻率的通帶內(nèi)，也會激起軸承系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。 上述原理應(yīng)用于滾動軸承的故障狀態(tài)監(jiān)測，稱為沖擊脈沖法。 1970 年以來，該技術(shù)首先在歐洲、北美和澳大利亞發(fā)展起來，現(xiàn)在已在國內(nèi)各工業(yè)部門中獲得應(yīng)用。當(dāng)軸承出現(xiàn)故 障時，它所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，會激起諧振體的共振，共振的調(diào)頻波包含了低頻和隨機(jī)干擾的幅值大小反映了沖擊力的大小，也就是反映了滾動軸承工作表面的故障情況。 窄帶濾波器的中心頻率一般選在 30 到 40kHz 的較高頻段上，這個頻段正是傳感器的諧振頻帶，而與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)振動相遠(yuǎn)離，這樣就可排除常規(guī)振動的影響。 沖擊脈沖計(jì)的刻度單位是用 dBN值來表示的。 軸承工作狀態(tài)的好壞分為三個區(qū)域： （ 0 到 20） dBN—— 表示軸承工作狀態(tài)良好； （ 20 到 40） dBN—— 表示軸承狀態(tài)變壞，屬于發(fā)展中損傷期； （ 40 到 60） dBN—— 表 示軸承已有明顯的損傷。 沖擊脈沖法無須專業(yè)人員進(jìn)行分析，可直接得到軸承的損傷程度，能夠準(zhǔn)確地診斷軸承的缺陷信息。但沖擊脈沖法是通過 dBN值大小來判斷出軸承運(yùn)行的故電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 障狀態(tài)，但并非所有軸承都遵循此種分類方式，且沖擊脈沖法不能診斷出軸承的故障位置。 共振解調(diào)法 共振解調(diào)法也稱為包絡(luò)檢波頻譜分析法，此法是目前滾動軸承故障診斷中最常使用的方法之一。 共振解調(diào)法與沖擊脈沖法的基本原理類似，但能做到更精確的診斷。沖擊脈沖法不僅能判斷軸承的損傷程度，還可以通過頻譜分析指示出軸承的損傷部位。共振解調(diào)法也是利用軸承 或檢測系統(tǒng)作為諧振體，把故障沖擊產(chǎn)生的調(diào)頻共振響應(yīng)波放大，通過包絡(luò)檢測方法變?yōu)榫哂泄收咸卣餍畔⒌牡皖l波形，然后采用頻譜分析法找出故障的特征頻率，從而確定故障的類型以及故障發(fā)生在軸承的哪一零件上。 共振解調(diào)法不僅可以判斷出軸承的損傷程度，還可以判斷軸承的損傷部位，是目前滾動軸承故障診斷中最常使用的方法。 局部均值分解方法 概述 2021 年， Jonathan. S. Smith[5]提出了一種自適應(yīng)時頻分析方法 —LMD（ Local mean deposition，簡稱 LMD）方法。 LMD 方法將一個復(fù)雜的多分量信號分解為若干個 PF（ Product function，簡稱 PF）分量之和。其中第一個 PF 分量由一個包絡(luò)信號和一個純調(diào)頻信號相乘而得到，很好地保持了原始信號的幅值和頻率變化特性，將所有 PF 分量的瞬時幅值和瞬時頻率組合便可以得到原始信號完整的時頻分布。對其進(jìn)行分析可以更準(zhǔn)確有效地把握原始信號特征信息。特別重要的是， LMD 方法是依據(jù)信號本身而進(jìn)行的自適應(yīng)分解，得到的第一個 PF 分量都具有一定的物理意義，反映了信號的內(nèi)存本質(zhì)，具有很高的信噪比，非常適用于非平穩(wěn)、非線性信號的處理。當(dāng)滾動軸承發(fā) 生故障時，其振動信號通常是多分量的復(fù)雜調(diào)制信號，要提取出故障特征，就需要對其進(jìn)行解調(diào)，采用 LMD 方法對軸承故障振動加速度信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，可以得到若干個 PF 分量，同時求得各第 2 章 滾動軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 15 個 PF 分量的瞬時幅值和瞬時頻率，然后對各個 PF 分量的瞬時幅值作頻譜分析，以此來提取軸承的故障特征，從而診斷出滾動軸承的故障。 局部均值分解方法實(shí)現(xiàn)步驟 LMD 方法實(shí)質(zhì)上是把任意信號分解成 不同尺度的包絡(luò)信號和純調(diào)頻信號，并定義包絡(luò)信號和純調(diào)頻信號的積 為瞬時頻率具有物理意義的 PF 分量，不斷迭代至分離出所有 PF 分量 [19]。 對于 任意一個非平穩(wěn)信號 ，其分解步驟如下： 數(shù) 據(jù)極 值 點(diǎn)局 部 均 值 函 數(shù) 包 絡(luò) 估 計(jì) 值剩 余 信 號純 調(diào) 頻 函 數(shù)開 始結(jié) 束NY 圖 22 LMD 分解流程圖 確定信號 )(tx 上的所有局域極值點(diǎn)（極大值和極小值） in ，計(jì)算所有相信兩個極值點(diǎn)之間的平均值 2 1??? iii nnm (225) 將所有平均值 點(diǎn) im 用直線直接連接起來，然后進(jìn)行平滑處理，此處采用滑動平均做平滑處理，可得到局域均值函數(shù) )(11tm 。 通過局域極值點(diǎn) in 可以求出相應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)值 2 1??? iii nna (226) 和第一步類似，把所 有包絡(luò)估計(jì)值點(diǎn) ia 用直線直接連接起來，再做平滑處理，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 此處仍然采用了滑動平均的方法，因此可以得到相應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) )(11ta 。 從原始信號 )(tx 中分離出均值函數(shù) )(11tm ，得到剩余信號 )(11th ，用 )(11th除以 包絡(luò)估計(jì)函數(shù) )(11ta 對 )(11th 進(jìn)行解調(diào) ，即 )()()( 1111 tmtxth ?? (227) )(/)()( 111111 tathts ? (228) 如果 )(11ts 的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) 1)(12 ?ta ，則可判定 )(11ts 是一個純調(diào)頻信號，否則重復(fù)上述迭代過程 n 次，直到 )(1 tsn 成為一個純調(diào)頻信號，此時有 ???????