【正文】 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)法與沖擊脈沖法的基本原理類似，但能做到更精確的診斷。但沖擊脈沖法是通過 dBN值大小來判斷出軸承運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。 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。 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。 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。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。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。 沖擊脈沖法（ SPM） 滾動軸承在運轉(zhuǎn)中，如果滾動體接觸點進(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 。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。 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，滾動軸承又不同于其他機械零件，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。保持架中心圓上某一點的線速度為 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 可由接觸點處兩物體線速度相等的關(guān)系求得。 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，反映接觸點中心線與滾動體中心線在軸承軸向平面上的夾角， rad。 設(shè)外圈和內(nèi)圈滾道上分別有一接觸點 A 和 B，如圖 21 所示 。缺陷在不同元件上，接觸點經(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。 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。 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。 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 。當(dāng)滾動體上有缺陷時，所產(chǎn)生的波形與內(nèi)圈上缺陷相類似，因為滾動體與滾道相接觸的位置在變動，在各個位置上的接觸力不同，脈沖幅值也將出現(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。外圈滾道上的缺陷，因為外圈固定不動，各個體通過缺陷區(qū)時具有相等的沖擊強度，每個脈沖幅值基本相等，各脈 沖波之間的距離即為外圈間隔頻率的倒數(shù)。當(dāng)軸承滾動體每次進(jìn)入故障接觸區(qū)時產(chǎn)生的沖擊信號波形，每個最高波峰之間的間距為故障頻率的倒數(shù)，沖擊后產(chǎn)生的衰減振蕩波形中，相信兩峰的間距則是元件固有頻率的倒數(shù)。軸承內(nèi)產(chǎn)生的沖擊能量可激起 軸承和軸承座各零部件以其固有頻率的振動，振動能量隨著機械結(jié)構(gòu)的阻尼而衰減。 滾道接觸表面局部性缺陷引起的振動 滾動軸承可能由于潤滑不良，載荷過大，材質(zhì)不良，軸承內(nèi)落入異物，銹蝕等原因引起軸承工作表面上的剝落、裂紋、壓痕、腐蝕凹坑和膠合等離散型或局部損傷。 當(dāng)內(nèi)、外圈偏心時，一般是由于軸承游隙過大并伴有轉(zhuǎn)子的不平穩(wěn)，或者是加工后內(nèi)、外圈滾道本身存在偏心產(chǎn)生的。 當(dāng)滾動體大小不均勻時，軸在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著大直徑滾動體位置的變動，內(nèi)圈中心將作周期性的甩轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸也跟著一起甩轉(zhuǎn)。大小不同的滾動體運轉(zhuǎn)后的磨耗程度是不相同的，小球的磨耗反而大于大球，而且球的大小相差愈大，磨耗愈明顯，結(jié)果是軸承游隙增大，運轉(zhuǎn)精度降低，振動和噪聲增加。 只有當(dāng)內(nèi)、外圈的加工波紋峰數(shù)為 nz+1 或 nz1 時，才會產(chǎn)生外圈的徑向移動，而當(dāng)波紋峰數(shù)為 nz 時，外圈不產(chǎn)生徑向移動。振動頻率與波形度的關(guān)系和所處的元件有關(guān)。軸承接觸表面的缺陷所產(chǎn)生的沖擊力，能夠激起軸承元件的固有頻率振動，一般在 20 到 60kHz 范圍內(nèi)總是有它的振動響應(yīng)，因此很多振動診斷方法是利用這一頻段作為檢測頻帶。不過球軸承的彈性特性具有對稱型的非線性，一般產(chǎn)生奇數(shù)倍的諧波振動。如果潤滑不良，容易出現(xiàn)非線性振動。在徑向方向，當(dāng)滾動體的通過頻率或者缺陷產(chǎn)生的沖擊頻率及其諧波與固有頻率一致時，就會產(chǎn)生徑向共振；在軸向方向，當(dāng)轉(zhuǎn)速頻率的諧波與固有頻率一致時，就會產(chǎn)生軸向共振。內(nèi)圈因為與軸為靜配合，固有振動頻率較高，振動相對要小。因此，只要軸在旋轉(zhuǎn)，每個滾動體通過載荷中心線時，就會發(fā)生一次力的變化，對軸頸或軸承座產(chǎn)生激勵作用，這個激勵頻率就稱為通過頻率。 下面將分別介紹滾動軸承發(fā)生振動的各類故障原因和特征。這部分包括： 套圈、滾道和滾動體波紋度引起的振動； 滾動體大小不均勻、外圈偏心引起的振動； 第三類 由于軸承使用不當(dāng)或裝配不正確引起的振動。這部分包括： 滾動體通過載荷方向產(chǎn)生的振動； 套圈的固有振動； 軸承彈性特征引起的振動。電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 第 2 章 滾動軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 滾動軸承 的 故障 機理及 特征頻率 滾動軸承 產(chǎn)生振動 的原因 分析 引起滾動軸承 振動和噪聲的原因，除了外部激勵因 素（如轉(zhuǎn)子的不平穩(wěn)、不對中、 流體 激勵、結(jié)構(gòu)共振等振動傳遞）之外，屬于軸承本身內(nèi)部原因產(chǎn)生的振動可分為如下三種類型 [1]。第四章主要介紹實測數(shù)據(jù)的來源及相關(guān)參數(shù)、振動信號的分析以及故障特征頻率的提取與故障診斷?？偟膩碚f，主要表現(xiàn)在下述幾個方面 [21]： 故障診斷的遠(yuǎn)程化 ； 故障診斷方法的相互融合 ； 與多元傳感器信息的融合 ； 診斷技術(shù)與虛擬儀器的結(jié)合 。 隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等更加廣泛和深入地應(yīng)用，故障診斷技術(shù)與當(dāng)前前沿科學(xué)的融合是故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。 此外，現(xiàn)有的信號分析技術(shù)在低信噪比振動信號的特征提取方面，并未取得突破性進(jìn)展。但是，上述幾種信號處理方法本身也存在一些固有的缺陷，例如并未充分考慮到旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備固有的周期時變特性。對于工作在較為理想工況條件下的簡單機械設(shè)備，分析結(jié)果尚可；對于精密機械設(shè)備或者是在復(fù)雜的工況條件下的設(shè)備，則診斷結(jié)果常常差強人意，誤診和漏診現(xiàn)象的大量出現(xiàn)，這是影響第 1 章 滾動軸承 故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 5 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)的推廣和進(jìn)一步發(fā)展的最主要原因。但是，在工程實際應(yīng)用中，這樣的簡化常常忽略了信號中的一些重要特征，特別是一些非平穩(wěn)的信息，這些信息往往預(yù)示著設(shè) 備狀態(tài)的發(fā)展趨勢。 2021 年湖南大學(xué)的楊宇等人就提出了一種基于 LMD 的 功率譜 特征值的滾動軸承故障診斷方法，即通過 LMD 將一個多分量的調(diào)幅 調(diào)頻信號分解成若干瞬時頻率具有物理意義的PF 分量之和，由于每一個 PF 分量是分量包絡(luò)信號和信號的積，因此可以直 接對包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析得到 功率譜 ，然后定義信號在包絡(luò)不同故障特征頻率處的幅值比為 功率譜 特征值，并以此作為特征向量輸入到支持向量機分類器中，用以區(qū)分滾動軸承的工作狀態(tài)和故障類型。比如 2021 年 Baojia Chen[4]教授提出了采用 LMD 對滾動軸承的原始故障信號進(jìn)行分析處理，用得到的 PF 分量的特征屬性來判斷滾動軸承的工作狀態(tài)和故障類型。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。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。 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。 EMD 方法自提出后在機械故障診斷等很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但是在理論上還存在一些問題，如 EMD 方法中的過包絡(luò)、欠包絡(luò)、模態(tài)混淆、端點效應(yīng)、 MF 分量判據(jù)和沒有快速算法等問題，還有在利用 Hilbert 變換形成解析信號后計算瞬時頻率時會產(chǎn)生無法解釋的負(fù)頻率，這些問題仍然處在研究當(dāng)中。 EMD（ empirical mode deposition，簡稱 EMD）是一種自適應(yīng)的信號處理方法 [18]。但是和短時傅里葉變換一樣是對時頻平面的機械格型分割。短時傅里葉變換的時頻窗口大小是固定不變的。這些分析方法都有各自的局限性。由于時頻分析方法能同時提供振動信號在時域和頻域的局部化信息而在滾動軸承故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。 在滾動軸承 故障診斷中，故障特征信息的選擇和提取一直是診斷的關(guān)鍵 [15]，它直接影響到故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。 伴隨著軸承故障診斷這四個階段的發(fā)展，故障診斷理論和新的信號測試與處理方法也不斷地出現(xiàn)。時至今日，故障診斷技術(shù)己成為一門獨立的跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，它以可靠性理論、信息論、控制論、系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代測試儀器和計算機為技術(shù)手段，結(jié)合各種診斷對象（系統(tǒng)、設(shè)備、機器、裝置、工程結(jié)構(gòu)、工藝過程等）的特殊規(guī)律而逐步形成一門新興的學(xué)科 [12]。所以設(shè)計基于LMD 的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)具有十分重要的意義。 因此，針對滾動軸承的各類故障 ，設(shè)計出一種故障診斷系統(tǒng)，不僅能夠 避免巨大的經(jīng)濟損失和重大的生命安全威脅 。 帶動和促進(jìn)其它相差學(xué)科的發(fā)展。 減少維修費用，維修成本。機械故障診斷的主要作用 [9]有： 避免突發(fā)故障造成巨大的經(jīng)濟損失。 隨著現(xiàn)代化機械設(shè)備日益高速化、自動化、大型化、復(fù)雜化，人們對于機械電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 設(shè)備的安全性和可靠性的要求越來越高，一旦機械設(shè)備運行失常，將會給生產(chǎn)、質(zhì)量帶來巨大影 響甚至對人們的生命構(gòu)成威脅 [8]。因此，如果按照設(shè)計壽命對軸承進(jìn)行定期維修：一方面，會造成將超過 設(shè)計壽命而仍正常工作的軸承拆下作報廢處理，造成浪費；另一方面，未達(dá)到設(shè)計壽命而出現(xiàn)故障的軸承沒有被及時的發(fā)現(xiàn)，直到定期維修時才被拆下來報廢，使得機器在軸承出現(xiàn)故障后和報廢前這段時間內(nèi)工作精度降低，或者未到維修時間就出現(xiàn)嚴(yán)重故障，導(dǎo)致整部機器陷于癱瘓狀態(tài) [6]。 與其他機械零部件相比，滾動軸承有一個很獨特的特點，那就是其壽命的離散性很大 [5]。故障診斷理論就是為了滿足對系統(tǒng)可 靠性和安全性要求的提高，減少并控制災(zāi)難性事故的發(fā)生而發(fā)展起來的 [4]。 但是，由于故障所引起的 災(zāi)難性事故及其所造成的對生命與財產(chǎn)的損失和對環(huán)境的破壞等也是很嚴(yán)重的 [2]，這就使得人們對諸如航空航天器、核電站、熱電廠及其他大型化工設(shè)備的可靠性、安全性提出了越來越高的要求。 vibration signal。 關(guān)鍵詞： 滾動軸承；故障診斷； 振動信號 ；局部均值分解ABSTRACT Ⅱ ABSTRACT Rolling bearing is an important part of rotating machinery, which is used in various machinery sectors widely, also is one of the most vulnerable parts of the machine. In this paper, with the local mean deposition (local mean deposition, referred to as the LMD) algorithm, written in a signal analysis system for analyzing rolling bearing vibration signal and extracting fault characteristics achieving fault diagnosis. Firstly, the principles of LMD was studied, LMD