轴承故障诊断与分析

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小波包分析
小波包分析(Wavelet Packet Analysis) 是一种比小波分析更精细的分析方 法,它将频带进行多层次划分,并对小波变换中没有细分的高频部分做进一步 分解,从而提高时频分辨率。 小波包分解是一种分解更为精细的分解方法,它不仅对低频段部分进行分解, 而且对高频段部分也进行分解,并能根据分析信号的特征,自适应地选择相应 的频带,使之与信号频谱相匹配,从而提高时频分辨率。因此,小波包分析可以 提取振动信号中能量突出的频带,分析其频率特征,找出故障产生的根源。
c)经滤波、包络检波得到 的波形a1(t)，相当于将 故障引起的脉冲加以放大 和拓宽，并且踢除了其余 的机械干扰；
IFD法的信号变换过程
d)最后作频谱分析可以得 到与故障冲击周期T相对 应的频率成分及其高次谐 波。
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时频分析法
滚动轴承在工作时，由于载荷、摩擦力和阻尼等因素的存 在，其振动常常是非线性的；另外，在采集过程中，由于 受噪声，环境等因素的影响，实际采集到的包含轴承故障 信息的震动信号往往会具有非平稳、非线性的随机信号特 性。而非平稳信号的统计特性和频率是随时间变化的，此 时若仅仅采用基于平稳信号的时域分析或频域分析，就无 法同时兼顾信号在时域和频域的局部化特征，而这些局部 化特征恰恰是轴承故障的表征。非平稳信号的局部特征需 要使用时域和频域的二维联合表示，称为时频分析。 小波变换（小波包变换） 经验模态分解(EMD)
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（1）振幅值诊断法
振幅值指峰值、均值 以及均方根值（有效值）。 峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像 表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对 于转速较低的情况（如300r/min以下），也常采用峰值进 行诊断。 均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测 值较峰值稳定，但一般用于转速较高的情况（如300r/min 以上）。 均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类 的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。 日本NSK公司生产NB系列轴承监测仪和新日铁研制的 MCV-21A型机械监测仪就是这类仪器。
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（4）概率密度诊断法
无故障滚动轴承振幅的概率密度曲线是典型的正态分布曲 线；而一旦出现故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分 散的现象，如图所示。
图 滚动轴承的损伤
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（5）峭度系数诊断法
峭度（Kurtosis）β定义为归一化的4阶中心矩，即：




( x x ) 4 p ( x)dx
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（2） 波形因数诊断法
波形因数定义为峰值与均值之比 X P / X 。当值过大时，表 明滚动轴承可能有点蚀；而 X P / X 小时，则有可能发生 了磨损。
滚动轴承冲击振动的波形因数
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（3）波峰因数诊断法
波峰因数定义为峰值与均方根值之比 X P / X 。该值用于滚动轴承简易诊断 的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响。适用于点蚀类故障的诊断。 通过对 X P / X 值随时间变化趋势的监测，可以有效地对滚动轴承故障进行 早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。 当滚动轴承无故障时，X P / X 为一较小稳定值；一旦轴承出现损伤，则会产 生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显增大，故 X P / X 增大;当故障不断扩展,峰值逐步达到极限值后,均方根值则开始增大，X P / X 逐步减小，直至恢复到无故障时的大小。
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轴承故障诊断与分析
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主要内容
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轴承相关简介 滚动轴承故障诊断与分析 滑动轴承故障诊断与分析
参考文献
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轴承（Bearing）是机械中的固定机件。当其他机件在轴上彼此产生 相对运动时，用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件，就称之为 轴承。轴承是各种机电设备中的重要组成部件,在各个机械部门有着 广泛的应用。
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轴承也是机器中最易损坏的零件之一，有资料表明，在旋 转机械中有70%的故障是由滚动轴承引起的，在齿轮箱的 各类故障中轴承的故障仅次于齿轮而占到19%，电机故障 中有80%表现为电机轴承故障。
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轴承故障诊断的历史
最初的轴承故障诊断是利用棒，靠听觉来判断。 现在仍然在用，且改为电子听诊器。对经验要求 较高，且影响因素较多。 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。 第二阶段：利用冲击脉冲技术为诊断轴承故障。 第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承监视与 故障诊断系统。
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无故障轴承，峭度值K v≈3； 如果出现故障，峭度值K v先增大，后减小。 峭度系数对于诊断轴承的点蚀等冲击类故障，灵敏性好。
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（6）冲击脉冲诊断法（SPM法）
滚动轴承存在缺陷时，如有疲劳剥落、裂纹、磨损和滚道进入异物时， 会发生冲击，引起脉冲性振动。冲击脉冲的强弱反映了故障的程度， 它还和轴承的线速度有关。SPM冲击脉冲法（Shock Pulse Method)就 是基于这一原理。
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选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率 的带通滤波器把该振动分离出来。然后，通过包络检波器检波，去除高 频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对 这一包络信号进行频谱分析从而诊断出轴承的故障。
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a)轴承故障引起的冲击脉 冲F(t)；
b)经传感器拾取及电路谐 振，得到放大的高频 衰减振动a(t)；
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经验模态分解（EMD）
N E Huang在1998年提出了经验模态分解（Empitical Mode Decomposition，简称EMD）方法。EMD方法从本质上 讲是对非平稳信号进行平稳化处理，它将原始信号分解为 若干个平稳的固有模态函数（IMF）及一个余项之和，分 解出的各个IMF分量更好的体现出了数据的局部特征。选 取与轴承特征相关系数较大的IMF分量（包含了主要故障 信息）进行进一步分析，如采用Hilbert变换获得包络信 号，然后对其进行频谱分析，从中提取出特征参数，从而 为轴承的故障诊断提供依据。EMD信号处理方法具有自适 应分解特性，信噪比高，对非平稳和非线性信号的处理具 有较高的效率。
内圈有剥落频率
z d fi (1 cos ) f 0 2 D
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各符号意义
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振动分析中的频域分析wenku.baidu.com
频域分析主要是为了确定信号的频率结构、信号的频 率成分及各频率成分的幅值大小。信号的频域信息包 含了大量的机械运行状态信息，故障的发生、发展都 会引起信号的频率结构的变化。频域分析包括： 频谱分析 细化谱分析 解调谱分析 倒频谱分析 差频谱分析 共振解调法
获取振 动信号 信号相 关处理 信号结 果分析
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滚动轴承的简易诊断（时域分析）
时域诊断方法是发展最早的，基于所采集振动信 号的滚动轴承故障诊断方法。这种方法即使能够 判断出轴承存在故障，也很难确定故障的性质和 部位等关键信息。
振幅值诊断法 波形因数诊断法 波峰因数诊断法 概率密度诊断法 峭度系数诊断法 滚动轴承的冲击脉冲诊断法
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滚动轴承的故障诊断与分析
滚动轴承是各种机电设备中的重要组成部件和常 用件, 它的工作状态直接影响到整台设备正常运 行的质量, 且由于其寿命随机性大, 无法准确预 测, 因而掌握轴承运行的工作状态以及故障的形 成和发展是目前机械故障诊断前沿领域中研究的 重要课题之一。
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滚动轴承常见的失效形式
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小波变换
小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平 移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频 处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析 的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，有人把小波变换 称为“数学显微镜”。 小波分析是调和分析的重大突破。它继承和发展了Gobor 变换的局部化思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化、 缺乏离散正交基的缺点，不仅是比较理想的局部频谱分析 工具，而且在时域也具有良好的局域性。通过小波分解能 够把任何信号(平稳或非平稳)映射到由一个小波伸缩、平 移而成的一组基函数上，在通频范围内得到分布在各个不 同频道内的分解序列，其信息量是完整的。
fc=1.94Hz fc*2=3.88Hz 保持架发生故 障
前3个IMF分量的包络谱
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光纤监测诊断法
光纤位移传感器的构造如图1所示，它由多根光导纤维组成，可分为发送光纤 束和接收光纤束两种。两束光纤在横截面中的分布方式有多种，在图1(a)中 为随机分布，图1(b)中为相间分布，图1(c)中则为圆环形分布。在这三种分 布中，圆环形分布最常用，等间隔分布最灵敏，但制造最困难。光纤位移传 感器的安装方式如图2所示。
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共振解调法分析
基于共振解调法的轴承故障诊断方法是目前广泛采用的行 之有效的方法。共振解调法的基本原理为: 当轴承某一元 件表面产生局部损伤时, 在轴承受载运行时要撞击与之相 互作用的其它元件表面, 产生一系列的冲击脉冲力。这些 冲击力会激起轴承系统的高频固有振动。 共振解调法是利用传感器及电路的谐振，将故障冲击引起 的衰减振动放大，提高故障探测的灵敏度，这是与冲击脉 冲法相同之点。但该方法还利用解调技术将故障信息提取 出来，通过对解调后的信号进行频谱分析，可以诊断出故 障的部位，指出故障发生在轴承外圈、内圈滚道或滚动体 上。这是美国波音公司提出的一项技术，称为早期故障探 测法（Incipient Failure Detection）。
故 障 诊 断 技 术
时频域分析 光纤诊断分析 油液诊断分析 轴承润滑状态监测诊断法 声学诊断分析（基于声发射）
热诊断（热成像诊断和温度诊断）
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基于振动信号诊断技术及分析
基于振动信号的诊断技术能够诊断大多数滚动轴 承故障，其优点是可在运动中测得轴承信号。目 前国内外开发生产的各种滚动轴承故障诊断与监 测仪器大都是根据振动法的原理制成的。 步骤：
图 冲击脉冲值与 轴承寿命的关系
图 冲击脉冲仪示意图
LOGO 滚动体具有缺陷后的故障频率（通过频率）
滚动体剥落频率 保持架故障频率 外圈有剥落频率
fb
D d [1 ( cos ) 2 ] f 0 2d D
fc
fo
1 d (1 cos ) f 0 2 D
z d (1 cos ) f 0 2 D
疲劳点蚀或剥落
磨 损
胶 合
断 裂
保持架损坏
烧 伤
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时域分析
振幅值诊断法 波形因数诊断法 波峰因数诊断法 概率密度诊断法 峭度系数诊断法 滚动轴承的冲击脉冲诊断法 频谱分析 细化谱分析 解调谱分析 倒频谱分析 差频谱分析 共振解调法 小波变换（小波包变换） 经验模态分解(EMD)
振动诊断分析
频域分析
图1
光纤传感器的横截面形式
图2
光纤传器的安装方法
图 光纤式位移传感器的原理及特性曲线 1—光送光纤束；2—接收光纤束；3—发送光维； 4—反射光锥；5—轴承表面
采用光纤监测技术进行滚动轴承故障诊断具有以下优点: (1)光纤位移传感器具有较高的灵敏度（可达50mV /μm），且外形细长，便于 安装。 (2)可以减少或消除振动传递传递过程中噪声的侵入和信号的衰减影响，从而提 高信噪比。 (3)可以直接反映滚动轴承的制造质量、工作表面磨损情况、载荷、润滑和间隙 的情况，反映直观明确。
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EMD分析法举例
本实验所用装置主要有滚动轴承实验台、传感器、数据采集系统和计算机。 电机参数:型号A07114 型交流电机, 额定功率为0.55 kW, 额定转速为 1400r/min。轴承参数: 型号6201, 内径d=12mm,外径D=32mm, 厚度B=10mm, 滚珠数z=7,滚珠直径d1=6.5mm。设置采样频率为1024Hz,分析频率为1000 Hz, 采样点数1024,轴承转速为330r/min。通过计算,滚动轴承的故障特征频率为: 滚珠旋转频率f0=8.5Hz,持架旋转频率fc=1.94 Hz,滚珠通过内圈频率 fbi=24.94Hz,滚珠通过外圈频率fbc=13.56Hz。下图为实验装置示意图。