【文章內(nèi)容簡介】 后者則反映了軸承的損傷情況。 滾動軸承故障類型本文指出滾動軸承的幾何結構如圖 22 所示，滾動軸承主要有內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架組成，保持架用于確保滾動體的間距相等。滾動體數(shù)目被記為 N，滾子直徑為 d，滾動體的滾動范圍或保持架的直徑為 D。球與滾道之間的接觸點的特點是由接觸角 α 決定。軸承故障可分為分布式故障和局部式故障。分布式故障影響整個區(qū)域并且通過檢測不同頻率很難提出其特征。相反，單點故障是局部故障并且可以根據(jù)以下影響因素進行歸類：外圈故障；內(nèi)圈故障；滾動體故障。其它類型故障本文暫不討論，例如：保持架故障。圖 22 滾動軸承的幾何形狀示意圖 滾動軸承的固有振動頻率軸承工作時，滾動體與內(nèi)圈外圈之間可能產(chǎn)生沖擊而誘發(fā)軸承元件的振動，這種振動是一種強迫振動，當振動頻率與軸承元件固有頻率相等時滾動軸承外圈滾動體滾動軸承內(nèi)圈哈爾濱理工大學學士學位論文10振動加劇。固有頻率僅取決于元件本身的材料、形狀和質量，而與軸的轉速無關。鋼球的固有頻率為，計算公式如下式 21。 （2??1）式中 —鋼球的半徑， m；r—材料密度，Kg/m179。；?—鋼球的彈性模量，N/m178。E當滾動軸承為鋼材時，其內(nèi)、外圈固有頻率可用式 22 計算即 （225(,) 2(1)+iohnf D???2）式中 —圓圈的厚度，mm；h—圓圈中性軸的直徑，m；D—節(jié)點數(shù)。n一般滾動軸承元件固有頻率有數(shù)千赫到數(shù)十千赫 [2~3]，是頻率非常高的振動。 滾動軸承特征頻率滾動軸承是旋轉機械中重要元件，他支撐著機械設備中的旋轉結構，設備運行中的大部分能量都要傳遞到軸承上。軸承失效很容易導致設備中其他元件的損壞。滾動軸承發(fā)生的故障，一般包括磨損故障和損傷性故障。磨損故障是由于軸承零件的磨損造成間隙間隙逐漸變大，振動增強。這是一種漸變性的故障，振動波形變化無一定規(guī)律，隨機性較強，但通頻帶振動幅值變化往往能明顯反映其嚴重程度。損傷性故障是指軸承元件表面出現(xiàn)損傷，包括滾珠、滾道等表面點蝕、金屬剝落或擦傷等。當軸承元件滾過表面損傷點時，即會產(chǎn)生突變的沖擊脈沖力，引起軸承和設備的共振，這是損傷類故障的基本特點。磨損類故障一般有較長的發(fā)展過程，可以通過定期的軸承振動總量檢測，作趨勢分析進行預測預報。而損傷類故障是一種突發(fā)性突發(fā)性較強又比較危險，早期癥狀較難識別的一類故障，也是進行故障診斷時需要重點研究的。滾動軸承在運行過程中，軸承元件表面的損傷點反復撞擊與之相接觸的其他元件表面而產(chǎn)生周期性沖擊振動成分，沖擊振動的頻率一般在 1KHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率。對于外圈固定，內(nèi)圈旋轉軸承，特哈爾濱理工大學學士學位論文11征頻率可用以下公式計算：內(nèi)圈故障頻率： （21(cos)2ic rdfNfD???3）外圈故障頻率： （21(cos)2oc rdf f?4）滾動體故障頻率： （22[1(cos)]bc rDdf f??5）保持架故障頻率： （2(1cos)2ce rdf f?6）式中：fr 為軸旋轉頻率；N 為滾子個數(shù)；d 為滾子直徑；D 為軸承節(jié)徑；為軸承的壓力角。軸承故障診斷的關鍵就是獲取這些特征信息。如果無法得到所測軸承的幾何尺寸，可按軸承滾子數(shù) N 來估算其內(nèi)、外圈的故障頻率。其中內(nèi)圈故障特征頻率約為 fr，外圈故障特征頻率約為fr。 軸承振動信號處理當軸承元件表面產(chǎn)生局部損傷時，軸承系統(tǒng)在運轉時就會產(chǎn)生周期性的脈沖激勵，而脈沖響應是一寬頻帶信號，在其高頻區(qū)必然會包含加速度計或某些機械結構的諧振頻率，激起較大的響應。這些響應頻率作為載波頻率與滾動軸承的故障頻率會發(fā)生調制。因此通過高頻解調方法可以將軸承故障頻率信號從高頻信號中解調出來，從而有效提高滾動軸承故障信號的信噪比 [4]。共振解調法主要利用軸承或軸承座結構的共振頻率，對獲取的沖擊響應信號還要進行解調處理，剔除結構共振成份，也就是將無用的信息成分去掉，將故障信息提取出來，最后對解調后的信號作詳細的頻譜分析，可以診斷出故障發(fā)生的具體部位。通過對信號進行 Hilbert 變換求出包絡譜可以很好的實現(xiàn)這一效果。常見的有采用 Hilbert 變換求包絡方法。該文根據(jù)通信信號中的調制與解調原理，并利用 Hilbert 變換求包絡譜技術，最后給哈爾濱理工大學學士學位論文12出了該算法在滾動軸承故障診斷中的應用。包絡解調法是故障診斷技術中較常用的一種方法，他可非常有效地識別弄些沖擊震動，從而找到該沖擊振動的振源。例如，當軸承和齒輪表面因疲勞或應力集中而產(chǎn)生剝落和損傷時，會產(chǎn)生周期性的沖擊振動信號，振動信號包括兩部分分別為載頻信號和調制信號，載頻信號頻率成分較高是各種隨機干擾信號的頻率和系統(tǒng)的自由震蕩信號的頻率，調制信號是被包絡線所包圍、頻率較低的信號，多為故障信號。因此，若要進行故障分析，就必須把低頻信號（或調制信號）從高頻信號（或載頻信號）中分離出來。這種處理方法稱為信號的包絡解調。對分離出來的包絡信號進行特征頻率和幅值分析，就能準確可靠地診斷出如軸承和齒輪的疲勞、切齒、剝落等故障。常用的包絡解調法有如下兩種方法：低通濾波包絡解調法和希爾伯特變換解調法。 低通濾波包絡解調法低通濾波包絡法的步驟是：，從而得到的低頻脈沖信號；；；，分析脈沖信號的周期。低通濾波包絡法解調法用于軸承診斷時，不僅可以根據(jù)某種高頻固有振動的是否出現(xiàn)，判斷軸承是否異常；而且還可以根據(jù)包絡信號的頻率成分識別產(chǎn)生缺陷的軸承元件（如內(nèi)圈、外圈和滾動體） 。低通濾波包絡法解調可以避免其他成分的干擾，從高頻調制信號中將故障相關信號提取出來，診斷的可靠性和靈敏度都非常高。其主要缺點以一是信號的幅值量發(fā)生了變化，二是對于信號的起始和末尾部分有較大的誤差，并且信號相位滯后。 希爾伯特變換及包絡譜算法將希爾伯特變換（Hilbert）應用到機械故障診斷中效果十分明顯，很容易證明調幅和調頻表現(xiàn)為總合成矢量與載波矢量在幅值與頻率上的相對變化。因此，只要能設法求出總矢量的變化過程，解調就有可能。總合成矢量分為實部和虛部，實部通常就是已知的待解調的時域信號，而虛部因頻譜的偶對稱性，所以各譜線相互抵銷 [5~7]。設 x(t)為一個實時域信號，其 Hilbert 變換定義為：哈爾濱理工大學學士學位論文13 (27)1()1()()xhtdtt?????????則原始信號 x(t)與它的 Hilbert 變換信號 能夠組成一個新的解析信號 z(t)：h (38)()()jtztxjtae??其幅值 (29)2()atth?便為原始信號 x(t)的幅值解調信號。 (210)()rctan()x?為相位信號。相位信號的導數(shù)即為瞬時頻率，即頻率解調信號： (211)()dtt??或 (212)1()()2tft?? 變換 計算原理根據(jù)傅立葉變換原理知 (213)01()sin()jfFjgftf??????????則信號 x(t)的 Hilbert 變換在頻域中的表達式為 (214)()0()0jXfHff?????????能夠看出，Hilbert 變換相當于一個幅頻特性為 1 的全通濾波器，信號 x(t)通過 Hilbert 變換后，幅值不變，只是對負頻率做了+90186。 相移，正頻率做了90186。 相移。根據(jù)式 (214)，采用 Hilbert 變換的包絡解調計算流程的如下：（1）將待分析信號 x(n)通過傅里葉變換得到它的頻域函數(shù) X(k)。（2） 將正頻率相移 ，負頻率相移 ，得到經(jīng)過相移的頻域/2??/2?函數(shù) X′(k)。（3）對 X′(k)進行傅里葉逆變換得到時域信號 x′(n)，它即是 x(n)的Hilbert 變換 h(n)。（4） 根據(jù)式 x(n)和 h(n)，結合公式(213) 求得信號 x(n)的包絡信號哈爾濱理工大學學士學位論文14a(n)[51]。根據(jù)式(214)可以看出，Hilbert 變換可以采用 FFT 來計算，采用 FFT的 Hilbert 變換求包絡譜的具體流程如圖 23 所示。逆 FT |z(n)| FTjx(n) h (n)移 相FT |Xa(k)|x(n)圖23 Hilbert變換求包絡譜流程示意圖 本章小結本章主要介紹軸承的結構，軸承的失效機理和軸承的主要失效形式。并且通過介紹軸承的失效，介紹了軸承的故障頻率的計算及以及對檢測到的復制信號的處理方法。哈爾濱理工大學學士學位論文15第 3 章 滾動軸承故障模擬試驗臺滾動軸承的運行環(huán)境比較復雜，許多因素干擾滾動軸承的運行，例如：裝配不當、潤滑不、水分和異物侵入、腐蝕和過載等。考慮到實驗環(huán)境，試驗臺僅模擬滾動軸承內(nèi)外圈故障的情況。 滾動軸承故障模擬試驗臺方案試驗臺用于檢測滾動軸承的內(nèi)外圈故障，我們是以軸承的振動信號作為研究對象。振動檢測法發(fā)展多年并得到多方面的驗證，技術和理論都已經(jīng)非常成熟，所以我們只要選對對應的傳感器及其他部件，實現(xiàn)該測量過程還是比較方便的。在實驗過程中，需要分別采集滾動軸承在正常情況下的信號、滾動軸承內(nèi)圈故障信號和外圈故障信號，所以軸承座可以更換軸承。電動機帶動滾動軸承運行時，需要提供負載并且負載可以改變，這樣實驗的效果會更好，本文中使用直流發(fā)電機作為負載。實驗需要設計一根主軸，主軸兩端分別連接電動機和直流發(fā)電機，主軸與滾動軸承過盈配合，使主軸和滾動軸承成為一體。試驗臺要選擇平穩(wěn)的位置進行安置，這樣的實驗的效果會更好，要盡量減小試驗環(huán)境帶來的各種誤差。 滾動軸承試驗臺結構設計試驗臺對軸承采取徑向實驗，主結構為臥式結構，軸承套在主軸上在軸承座中只做旋轉運動，不受徑向、軸向載荷，僅承受扭矩載荷。主軸與電動機、發(fā)電機用柔性聯(lián)軸器連接，減小了由于軸中心不對稱的影響。振動傳感安裝在軸承座上，可分式軸承座可以更換實驗所用的軸承。滾動軸承故障試驗臺的主體結構如圖 31 所示，實物照片如圖 32 所示。主要由電動機、柔性聯(lián)軸器、主軸、滾動軸承、軸承座、負載發(fā)電機、傳感器等組成。電動機、軸承座和發(fā)電機固定在底座的滑軌上，調節(jié)彼此之間的距離使達到最好的傳動效果。哈爾濱理工大學學士學位論文16試驗臺由動力部分、故障模擬部分和負載組成，直接由該實驗室的供電網(wǎng)絡提供電源。：由 三相異步電動機驅動滾動軸承和直流發(fā)電機旋轉。柔性聯(lián)軸器在軸與電動機、軸與發(fā)電機起到了連接的作用，實現(xiàn)扭矩傳遞。：試驗臺只針對滾動軸承外圈故障和內(nèi)圈故障，在理想環(huán)境下模擬單一故障，忽略復雜情況。在軸承內(nèi)外圈分別制造了一個小凹槽，最后與主軸配合上用卡簧固定，如圖 33 所示。被測試軸承放在軸承座中，軸承座通過一個圓環(huán)將軸承固定，可以更換故障軸承，軸承座如圖 34 所示。:這里為了模擬軸承在不同情況下的故障，采用了直流大電機作為負載，來檢測軸承在不同轉速、不同負載下的振動情況。以便于我們對軸承的故障作進一步的研究。1試驗臺底座、2電動機、8柔性聯(lián)軸器、4主軸、5滾動軸承、6可分式軸承座、7振動傳感器、9負載發(fā)電機圖 31 滾動軸承故障試驗臺結構示意圖哈爾濱理工大學學士學位論文17圖 32 滾動軸承故障模擬試驗臺圖片圖 33 內(nèi)圈故障、外圈故障和組合后實物圖哈爾濱理工大學學士學位論文18圖 34 軸承座結構圖 控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)滾動軸承故障時振動效果是比較微小的，對我們的檢測十分不利，我們設計了控制系統(tǒng)改變負載的大小，將故障信號放大。直流發(fā)電機作為負載使用。自耦調壓變壓器（TDG2/250）中間通過整流器整流、電容濾波對其供電，負載發(fā)電機發(fā)出的電能供外接電阻(R=500 歐姆)消耗。改變負載電阻可以改變負載電流的大小，使故障信息更加明顯以便檢測準確。圖 36 直流發(fā)電機勵磁和負載回路實物圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)采集卡、接線端子擴展卡、哈爾濱理工大學學士學位論文19電流互感器、電壓互感器、振動傳感器、高低通濾波器、電荷放大器等組成，振動信號接在端子板的 0 通道，電流信號和電壓信號分別接在 4 通道和 8 通道，可以單獨采集每個信號也可以同時采集三種信號，整個采集系統(tǒng)結構如圖 37 所示。圖 37 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖圖 38 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖片圖 38 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實物照片，數(shù)據(jù)采集中本文采用單獨采集的方式，分別對每種信號采集以便對每一種信號做簡單處理再做分析處理。工業(yè)控制計算機通過研華數(shù)據(jù)采集卡（PCI1710HG）如圖 39 所示。進行采集信號進行分析處理。PCI1710HG