工程測(cè)試與信號(hào)分析大作業(yè)

1、滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)分析與故障特征提取技術(shù)報(bào)告6目錄一、概 述11.1引言11.2實(shí)驗(yàn)描述1二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析32.1觀察信號(hào)時(shí)域波形32.2信號(hào)時(shí)域特征值的提取42.3信號(hào)頻域分析52.3.1信號(hào)幅值譜52.3.2信號(hào)解調(diào)分析52.4信號(hào)時(shí)頻分析6一、概 述1.1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備日趨大型化、集成化、高速化、自動(dòng)化和智能化，由此而使得設(shè)備特別是關(guān)鍵設(shè)備在生產(chǎn)實(shí)踐中的作用越來(lái)越大。發(fā)展有效的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)成為當(dāng)今設(shè)備管理和維修的迫切需求，對(duì)于齒輪和滾動(dòng)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷亦是如此。減速器和滾動(dòng)軸承從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料到制造等方面已相當(dāng)成熟和規(guī)范，但仍然難以避

2、免諸如磨損、剝落、點(diǎn)蝕、裂紋等常發(fā)故障。減速器和滾動(dòng)軸承一旦出現(xiàn)故障，直接威脅機(jī)械的安全，同時(shí)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)減速器和滾動(dòng)軸承的故障研究對(duì)提高機(jī)械運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性有極大的意義。本文將一組五個(gè)滾動(dòng)軸承進(jìn)行點(diǎn)蝕故障實(shí)驗(yàn)，觀察在故障逐步發(fā)生、惡化的過(guò)程中軸承振動(dòng)的變化趨勢(shì)，提取故障特征，借此對(duì)將來(lái)的故障診斷提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1.2實(shí)驗(yàn)描述試驗(yàn)臺(tái)基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。由減速齒輪箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器和測(cè)速裝置四個(gè)部分組成。電機(jī)額定工作轉(zhuǎn)速1486轉(zhuǎn)/分，電機(jī)輸出軸上直接安裝第一級(jí)主動(dòng)齒輪。經(jīng)過(guò)減速后的齒輪箱輸出軸上安裝一個(gè)摩擦制動(dòng)器用以模擬齒輪箱的負(fù)載。電機(jī)另一端安裝測(cè)速裝置。 圖1.1

3、齒輪故障試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖 圖1.2 齒輪故障試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖兩級(jí)減速齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1.2示。電機(jī)輸出軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1486轉(zhuǎn)/分，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頻率為24.8Hz，第一級(jí)齒輪齒數(shù)比為24/68，對(duì)應(yīng)嚙合頻率594.4Hz。第二級(jí)傳動(dòng)的齒數(shù)比為11/52，對(duì)應(yīng)嚙合頻率96.2Hz。在額定電機(jī)轉(zhuǎn)速下，第一級(jí)從動(dòng)齒輪軸（軸2）的轉(zhuǎn)速為525轉(zhuǎn)/分，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率為8.74Hz，減速器輸出軸（軸3）轉(zhuǎn)速為111轉(zhuǎn)/分，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)頻率為1.85Hz。滾動(dòng)軸承故障：以軸II上靠近驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)的6302型單列向心滾動(dòng)軸承為故障模擬對(duì)象，在軸承內(nèi)圈人工模擬生成點(diǎn)蝕故障故障。分別制作三個(gè)具有不同故障程度（故障面積大小不

4、同）的軸承進(jìn)行試驗(yàn)，即故障面積分別占軸承內(nèi)圈總面積約為15%、45%、75%、100%。對(duì)每種故障軸承各進(jìn)行一組試驗(yàn)測(cè)量。 表1.1 實(shí)驗(yàn)分組信息軸承故障L0無(wú)故障1990.03.09P00L115%內(nèi)圈故障面積1990.02.02P15L245%內(nèi)圈故障面積1990.02.06P45L375%內(nèi)圈故障面積1990.02.20P75L4100%內(nèi)圈故障面積1990.02.2610P對(duì)于無(wú)故障運(yùn)行狀態(tài)和每一種故障狀態(tài)均進(jìn)行一組測(cè)量。每組測(cè)量中分別調(diào)整三種負(fù)荷狀態(tài)，在每種負(fù)荷狀態(tài)下用三種不同的采集頻率各測(cè)一次，數(shù)據(jù)采集過(guò)程用測(cè)速裝置輸出的外觸發(fā)信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的同步測(cè)量。每次測(cè)量以后直接進(jìn)

5、行功率譜和倒頻譜計(jì)算，將測(cè)量信號(hào)和計(jì)算結(jié)果分別存入數(shù)據(jù)文件。每次測(cè)量存四種文件，一個(gè)1024點(diǎn)原始振動(dòng)信號(hào)、一個(gè)經(jīng)100次同步平均的時(shí)間信號(hào)、一個(gè)經(jīng)過(guò)100次平均的功率譜和一個(gè)由功率譜計(jì)算的倒頻譜。測(cè)量參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表1.2。表1.2 測(cè)量采樣頻率與負(fù)荷采樣頻率（點(diǎn)數(shù)/轉(zhuǎn)）高頻HF102425600Hz中頻MF2566400Hz低頻LF641600Hz負(fù)荷（N）高負(fù)荷HL48030.7Nm中負(fù)荷ML28017.9Nm低負(fù)荷LL805.1Nm二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析本文選取了重載高頻采樣1測(cè)點(diǎn)在正常狀態(tài)與各故障狀態(tài)下的振動(dòng)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期冀得到相應(yīng)的結(jié)論。2.1觀察信號(hào)時(shí)域波形我們?cè)趍atlab

6、里畫(huà)出振動(dòng)的時(shí)域波形圖，分析得知每個(gè)信號(hào)中都帶有一定的直流成分，為了分析簡(jiǎn)便，我們將信號(hào)減去其時(shí)域平均值畫(huà)出其處理后的時(shí)域波形圖2.1進(jìn)行觀察。圖2.1信號(hào)的時(shí)域波形圖由信號(hào)的時(shí)域波形圖我們可以看出正常狀態(tài)想振動(dòng)信號(hào)有明顯的周期，振動(dòng)穩(wěn)定，振幅較大。而能明顯看出，故障狀態(tài)信號(hào)的振動(dòng)頻率變大、振幅變小。原因是故障使信號(hào)中加入了周期沖擊成分與原信號(hào)調(diào)制，使振動(dòng)頻率變大。而正常狀態(tài)下振幅較小可能是因?yàn)槭軐?shí)驗(yàn)軸承的質(zhì)量影響所帶來(lái)的誤差。2.2信號(hào)時(shí)域特征值的提取對(duì)于時(shí)域特征的提取，本文選取了具有代表性的時(shí)域特征方差、有效值、峭度以及峰值指標(biāo)作為對(duì)象分析，如圖2.2。方差表示了平均能量，有效值表示了振動(dòng)

7、的烈度，波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)共同反映了沖擊能量的大小。圖2.2 時(shí)域特征提取由圖2.2結(jié)合我們對(duì)時(shí)域波形圖的分析，可以看出故障信號(hào)的振動(dòng)能量隨故障程度的加深而增大，而前面已經(jīng)分析過(guò)，正常信號(hào)的振動(dòng)能量大與本身軸承特性帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差有關(guān)。而故障振動(dòng)的烈度也隨著故障程度的加深而增加。對(duì)于沖擊能量，15%、75%的沖擊能量較大，分析認(rèn)為是點(diǎn)蝕的不對(duì)稱性造成的。2.3信號(hào)頻域分析2.3.1信號(hào)幅值譜為了看清楚正常與故障信號(hào)中到底存在頻率是如何的信號(hào)成分，我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，求取它的幅值譜進(jìn)行分析，作圖時(shí)我們將正常信號(hào)與各故障信號(hào)放在一起對(duì)比分析，如圖2.3所示：圖2.3信號(hào)幅值譜如圖2.3我們可以

8、看出，正常狀態(tài)下，我們能清楚地看到嚙合頻率為600Hz。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，與嚙合頻率相同的振動(dòng)依然存在，同時(shí)它的周?chē)霈F(xiàn)了邊帶成分，這些成分與正常信號(hào)調(diào)制在一起，形成了復(fù)雜的振動(dòng)。比較明顯的低頻成分有350Hz附件的成分，高頻則有950Hz、1500Hz、3600Hz等頻率。同時(shí)我們觀察到，隨著故障程度加深，低頻的350Hz的成分消失了，而更多的高頻成分出現(xiàn)，振動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜化。2.3.2信號(hào)解調(diào)分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障，一般有周期性的脈沖沖擊力，產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜上表現(xiàn)為在嚙合頻率或固有頻率兩側(cè)出現(xiàn)間隔均勻的調(diào)制邊頻帶。采用解調(diào)分析方法，從信號(hào)中提取調(diào)制信息，分析其強(qiáng)度和頻次就可以判斷零

9、件損傷的程度和部位，是機(jī)械故障診斷中廣泛使用的一種分析零件損傷類(lèi)故障的有效方法。為了更加清楚地看清看出調(diào)制信息的大小，本文用包絡(luò)分析法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，想要觀察頻譜中的邊帶成分，得到如圖2.4的分析圖。圖2.4 用包絡(luò)法解調(diào)分析如圖不難看出，正常信號(hào)僅有嚙合頻率的振動(dòng)。15%故障時(shí)軸承出現(xiàn)了多頻率又低能量的振動(dòng)。其后的故障出現(xiàn)了350Hz低頻與1500Hz、2800Hz、4000Hz等高頻成分。且隨著故障程度的加深，低頻成分逐漸消失，高頻成分逐漸增多。2.4信號(hào)時(shí)頻分析為了得到信號(hào)隨時(shí)間與頻率一同變化時(shí)信號(hào)的特征，本文采用短時(shí)傅里葉變換的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換，并用matlab將時(shí)頻分析圖繪制如下圖2.5。圖2