一種頻譜分析的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)

1、種頻譜分析的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)中圖分類號(hào)： TH133.3摘要 ：由于在機(jī)械系統(tǒng)中，滾動(dòng)軸承是一種故障多發(fā) 的機(jī)械零部件，設(shè)計(jì)出能夠有效檢測(cè)滾動(dòng)軸承故障的診斷系 統(tǒng)具有很重要的意義。本文在基于滾動(dòng)軸承常見故障下建立 故障頻率分布模型，并針對(duì)干擾故障模型的噪聲信號(hào)設(shè)計(jì)了 FIR 高通數(shù)字濾波器來提取出有效故障頻率段。結(jié)合工程實(shí) 例設(shè)計(jì)了對(duì)工程用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承的故障診斷系統(tǒng)，并且通 過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)有很好的效果。 關(guān)鍵詞 ：滾動(dòng)軸承、故障診斷、頻譜分析、 FIR 濾波 器Roller bearing fault diagnosis system based on fuzzy neural netw

2、orks common failuAbstract: In the mechanical system, roller bearing is a failure-prone mechanical part. It is very important significance that the system detect rolling bearing fault diagnosis effectively can be designed. This paper is established the fault frequency distribution model based on the

3、roller bearing and designed a FIR high-pass digital filter that extract the effective failure frequency from the interference noise signal of the fault model. Fault diagnosis system has been designed for engineering generator rotor bearing with an engineering example, it was tested on experiment and

4、 was found to have a very good result .Key words: rolling bearing; fault diagnosis; frequency spectrum analysis; FIR digital filter中圖分類號(hào)： TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 0 引言隨著機(jī)械工業(yè)的大力發(fā)展，滾動(dòng)軸承是應(yīng)用十分廣泛的 重要機(jī)械基礎(chǔ)零件。滾動(dòng)軸承具有效率高，摩擦阻力小，裝 配方便，潤(rùn)滑容易等特點(diǎn)，因而在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到廣泛的應(yīng) 用。滾動(dòng)軸承是大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械的組成部件，但滾動(dòng)軸承卻 是易損元件，許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承有關(guān) 1 。據(jù)

5、 有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，機(jī)械故障的 70%是振動(dòng)故障，而振動(dòng)故障中 有 30%是由滾動(dòng)軸承引起的 2 。在滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，直接檢測(cè)故障信號(hào)是十分困難 的。一般的檢測(cè)方法是利用軸承故障產(chǎn)生的二次效應(yīng)的變化 來作為故障診斷的依據(jù)，比如振動(dòng)、噪聲、熱量等 3 。而根 據(jù)二次效應(yīng)的不同特征，其診斷的方法各有不同。在眾多的 軸承故障診斷方法中，振動(dòng)檢測(cè)方法是應(yīng)用最廣泛的一種方 法，這主要是因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)提供的故障信息多，對(duì)早期故障 軸承都具有較強(qiáng)的檢測(cè)能力。振動(dòng)法是通過安裝在軸承座或箱體上適當(dāng)位置的振動(dòng) 傳感器測(cè)量軸承振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理和分析來判 斷軸承的工況和故障。由于振動(dòng)法具有可以適用于各種類型

6、 各種工況的軸承；可以有效的診斷出早期微小的故障；信號(hào) 測(cè)試與處理簡(jiǎn)單、直觀；診斷結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以在實(shí)際 應(yīng)用中使用極為廣泛。目前，在國(guó)內(nèi)外開發(fā)生產(chǎn)的滾動(dòng)軸承 故障監(jiān)測(cè)與診斷儀器和系統(tǒng)中大部分是根據(jù)振動(dòng)法的原理 開發(fā)的，有關(guān)軸承監(jiān)測(cè)與診斷方面的文獻(xiàn)也大部分討論的是 振動(dòng)法。 4 從適用性、實(shí)用性和有效性的觀點(diǎn)看，振動(dòng)法也 是最好的方法 5 。其它的振動(dòng)方法還有利用聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)進(jìn)行滾 動(dòng)軸承故障診斷，但由于各種原因和局限性，這些技術(shù)的應(yīng) 用還沒有普及。1 故障診斷理論與方法1.1 滾動(dòng)軸承故障模型與理論故障頻率計(jì)算 滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)是滾動(dòng)軸承狀態(tài)信息的載體，它蘊(yùn)含 了豐富的異?；蚬收?/p>

7、信息，而振動(dòng)特征是軸承運(yùn)行狀態(tài)好壞 的重要標(biāo)志。因此，振動(dòng)測(cè)試是滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的基本測(cè) 試手段。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)能夠獲得軸承狀態(tài)的有效信息，對(duì)它的分析則是滾動(dòng)軸承診斷領(lǐng)域中一個(gè)被廣泛采用的方法。現(xiàn)在常用的滾動(dòng)軸承故障診斷的方法主要有：時(shí)域、頻 域和頻 -時(shí)域等。本文主要是采用頻域分析方法對(duì)軸承早期故 障進(jìn)行精密診斷。直接對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合 頻譜圖的頻率分布和特征頻率來判斷軸承的故障。頻域分析主要包括頻譜分析、功率譜分析和倒頻譜分 析，這些計(jì)算所用的基本方法都是通過快速傅里葉變換 FFT 法，頻譜分析是將離散序列 xi 經(jīng) FFT 變換成頻域中的序列 xk,k=0,1,，N-1滾

8、動(dòng)軸承各元件的振動(dòng)頻率計(jì)算公式如下： 當(dāng)滾動(dòng)體缺陷時(shí)。一般的公式：（1） 當(dāng)外環(huán)靜止、內(nèi)環(huán)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)環(huán)靜止、外環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，公式 分別可變?yōu)椋海?）當(dāng)內(nèi)滾道（外環(huán)）缺陷時(shí)。一般的公式：（3） 當(dāng)外環(huán)靜止、內(nèi)環(huán)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)環(huán)靜止、外環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，公式 分別可變?yōu)椋寒?dāng)外滾道（內(nèi)環(huán)）缺陷時(shí)。一般的公式：（5）當(dāng)外環(huán)靜止、內(nèi)環(huán)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)環(huán)靜止、外環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，公式 分別可變?yōu)椋海?）公式中各項(xiàng)參數(shù)為：n滾動(dòng)體的個(gè)數(shù)；d滾動(dòng)體的直徑；D 軸承節(jié)徑；fn 內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)頻率；fw 外環(huán)的旋轉(zhuǎn) 頻率。1.2 信號(hào)的提取與濾波器設(shè)計(jì) 在實(shí)際測(cè)量中，由于軸承安裝不對(duì)中，軸承徑向載荷以 及滾道粗糙造成的干擾信號(hào)也會(huì)被傳感器采集進(jìn)來，這樣

9、必 然會(huì)影響到故障點(diǎn)的判斷，所以對(duì)干擾噪聲的濾波就顯得尤 為重要。軸承安裝不對(duì)中導(dǎo)致信號(hào)中產(chǎn)生與軸承轉(zhuǎn)動(dòng)同頻率的 周期信號(hào)，且根據(jù)軸承不對(duì)中的程度信號(hào)的幅值也不同，嚴(yán) 重影響對(duì)信號(hào)的分析。由于軸承制造工藝上的限制以及經(jīng)過 長(zhǎng)時(shí)間的使用，軸承的內(nèi)外滾道勢(shì)必會(huì)變得越來越粗糙，產(chǎn) 生的高頻隨機(jī)噪聲也會(huì)干擾系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)量，但是這些不會(huì) 構(gòu)成故障對(duì)機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生直接的影響， 因此可以忽略。 所以， 通過分析上面兩種噪聲信號(hào)，發(fā)現(xiàn)由于軸承安裝不對(duì)中產(chǎn)生 低頻信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承故障產(chǎn)生的信號(hào)頻率。所以選用 FIR 高通數(shù)字濾波器對(duì)測(cè)量的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行濾波，去除低頻噪聲 的影響。數(shù)字FIR高通濾波器的阻帶截止頻率設(shè)計(jì)為90Hz，通帶截止頻率為120Hz，阻帶抑制比80dB，通帶波紋度為1dB , 高通濾波器的頻譜圖如圖 1 所示。圖 1FIR 高通濾波器的頻譜圖通過 matlab 模擬仿真出同時(shí)具有兩種故障特征的振動(dòng) 測(cè)試信號(hào)，該振動(dòng)測(cè)試信號(hào)中既有當(dāng)滾動(dòng)體缺陷和內(nèi)滾道缺 陷時(shí)產(chǎn)生的故障信號(hào)，又包含了軸承不對(duì)中產(chǎn)生的與軸