滾動軸承的振動信號特征分析報告

1、南昌航空大學實驗報告課程名稱： 數(shù)字信號處理實驗名稱：滾動軸承的振動信號特征分析實驗時間： 2013年5月14日班 級 ： 100421學 號 ： 10042134姓 名 ： 吳涌濤成 績 ： 滾動軸承的振動信號特征分析一、 實驗目的利用數(shù)字信號處理課程中學習的序列運算、周期信號知識、DFT知識，對給定的正常軸承數(shù)據(jù)、內(nèi)圈故障軸承數(shù)據(jù)、外圈故障軸承數(shù)據(jù)、滾珠故障軸承數(shù)據(jù)進行時域特征或頻域特征提取和分析，找出能區(qū)分四種狀態(tài)（滾動軸承的外圈故障、內(nèi)圈故障、滾珠故障和正常狀態(tài)）的特征。二、 實驗原理振動機理分析：機械在運動時，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐

2、松動等因素，總是伴隨著各種振動。振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振動三要素。幅值：幅值是振動強度的標志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法來表示。頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。相位：振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點、測量振型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復雜振動的波形分析，各諧波的相位關(guān)系是不可缺少的。 在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)，如振動位移是研究強度和變形的重要依據(jù)；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞的重要依據(jù)；振動速度決定了噪聲的高

3、低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度又與能量和功率有關(guān)，并決定動量的大小。提取振動信號的幅域、時域、頻域、時頻域特征，根據(jù)特征進行故障有無、故障類型和故障程度三個層次的判斷。三、 實驗內(nèi)容Step1、使用importdata（）函數(shù)導入振動數(shù)據(jù)。Step2、把大量數(shù)據(jù)分割成周期為單元的數(shù)據(jù)，分割方法為：設(shè)振動信號為xk(k=1,2,3,n)采樣頻率為fs，傳動軸的轉(zhuǎn)動速率為Vr。采樣間隔為： （1）旋轉(zhuǎn)頻率為： （2）傳動軸的轉(zhuǎn)動周期為： （3）由式（1）和（3）可推出振動信號一個周期內(nèi)采樣點數(shù)N： （4）由式（2）可得到傳動軸的轉(zhuǎn)動基頻fr=29.95Hz，再由式（

4、3）可得到一個周期內(nèi)采樣點數(shù)N=400.67，取N=400。Step3、提取振動信號的特征，分析方法包括：1、時域統(tǒng)計分析指標（波形指標(Shape Factor)、峰值指標(Crest Factor)、脈沖指標(Impulse Factor)、裕度指標(Clearance Factor)、峭度指標(KurtosisValue) ）等，相關(guān)計算公式如下：（1） 波形指標： (5)其中，為峰值，為均值。計算公式如下：（2） 波峰指標： (6)其中，為均方根值。均方根值計算如下： (7)（3） 峭度指標： (8)其中，為峭度，計算式如下： (9)（4） 脈沖指標： (10)（5） 偏度指標： (1

5、1)其中，為偏度，計算式如下： (12)（6） 裕度指標： (13)其中，為方根幅值，計算公式如下： 2、頻域分析，包括離散頻譜序列統(tǒng)計分析指標，階次分析等。滾動軸承的理論特征頻率計算公式如下：（1） 內(nèi)圈故障頻率： =161.73 Hz（2） 外圈故障頻率： =107.82 Hz（3） 滾珠故障頻率： =141.17 Hz其中，N 為滾珠數(shù)，d為滾珠直徑，a 為接觸角,D為軸承節(jié)徑。Step4（提高要求）、提取未知信號的特征，與已知信號的特征進行比對分類，診斷信號是否存在故障以及故障類型。未知故障類型信號：1.mat四、實驗的程序代碼（1）、待測信號1function y1,y2,y3,y4

6、=KuttosisFactor();s=importdata(E:原始信號內(nèi)圈故障105.mat);s_value=s.X105_DE_time;s_cutvalue=s_value(1:24000);tree=wpdec(s_cutvalue,3,sym6);det=wpcoef(tree,2);sigma=median(abs(det)/0.675;alpha=2;thr=wpbmpen(tree,sigma,alpha);keepapp=1;xd=wpdencmp(tree,s,nobest,thr,keepapp);T=400;Vaule1=zeros(1,50);for n=1:1:

7、50 B=sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).4)/T; Rms=sqrt(sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).2)/T); Vaule1(n)=B/(Rms4);end; s=importdata(E:原始信號正常97.mat);s_value1=s.X097_DE_time;s_cutvalue=s_value1(1:24000);tree=wpdec(s_cutvalue,3,sym6);det=wpcoef(tree,2);sigma=median(abs(det)/0.675;alpha=2;thr=wpbmpen(tree,sigma,alpha);keep

8、app=1;xd=wpdencmp(tree,s,nobest,thr,keepapp);Vaule2=zeros(1,50);for n=1:1:50 B=sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).4)/T; Rms=sqrt(sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).2)/T); Vaule2(n)=B/(Rms4);end; s=importdata(E:原始信號外圈故障130.mat);s_value1=s.X130_DE_time;s_cutvalue=s_value1(1:24000);tree=wpdec(s_cutvalue,3,sym6);det=wpcoef(t

9、ree,2);sigma=median(abs(det)/0.675;alpha=2;thr=wpbmpen(tree,sigma,alpha);keepapp=1;xd=wpdencmp(tree,s,nobest,thr,keepapp);Vaule3=zeros(1,50);for n=1:1:50 B=sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).4)/T; Rms=sqrt(sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).2)/T); Vaule3(n)=B/(Rms4);end; s=importdata(E:原始信號滾珠故障118.mat);s_value1=s.X118_DE

10、_time;s_cutvalue=s_value1(1:24000);tree=wpdec(s_cutvalue,3,sym6);det=wpcoef(tree,2);sigma=median(abs(det)/0.675;alpha=2;thr=wpbmpen(tree,sigma,alpha);keepapp=1;xd=wpdencmp(tree,s,nobest,thr,keepapp);Vaule4=zeros(1,50);for n=1:1:50 B=sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).4)/T; Rms=sqrt(sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).2)/T

11、); Vaule4(n)=B/(Rms4);end; s=importdata(E:待診斷信號1.mat);s_value1=s;s_cutvalue=s_value1(1:24000);tree=wpdec(s_cutvalue,3,sym6);det=wpcoef(tree,2);sigma=median(abs(det)/0.675;alpha=2;thr=wpbmpen(tree,sigma,alpha);keepapp=1;xd=wpdencmp(tree,s,nobest,thr,keepapp);T=400;Vaule5=zeros(1,50);for n=1:1:50 B=su

12、m(xd(1+(n-1)*T):(n*T).4)/T; Rms=sqrt(sum(xd(1+(n-1)*T):(n*T).2)/T); Vaule5(n)=B/(Rms4);end; y1(1)=(Vaule1(1)+Vaule1(2)+Vaule1(3)/3;y2(1)=(Vaule2(1)+Vaule2(2)+Vaule2(3)/3;y3(1)=(Vaule3(1)+Vaule3(2)+Vaule3(3)/3;y4(1)=(Vaule4(1)+Vaule4(2)+Vaule4(3)/3;y5(1)=(Vaule5(1)+Vaule5(2)+Vaule5(3)/3;y1(50)=(Vaule

13、1(50)+Vaule1(49)+Vaule1(48)/3;y2(50)=(Vaule2(50)+Vaule2(49)+Vaule2(48)/3;y3(50)=(Vaule3(50)+Vaule3(49)+Vaule3(48)/3;y4(50)=(Vaule4(50)+Vaule4(49)+Vaule4(48)/3;y5(50)=(Vaule5(50)+Vaule5(49)+Vaule5(48)/3;for n=2:1:49 y1(n)=(Vaule1(n-1)+Vaule1(n)+Vaule1(n+1)/3; y2(n)=(Vaule2(n-1)+Vaule2(n)+Vaule2(n+1)/3; y3(n)=(Vaule3(n-1)+Vaule3(n)+Vaule3(n+1)/3; y4(n)=(Vaule4(n-1)+Vaule4(n)+Vaule4(n+1)/3; y5(n)=(Vaule5(n-1)+Vaule5(n)+Vaule5(n+1)/3; end;%繪圖k=linspace(1,50,50);plot(k,y1(k),-.k,k,y2(k),-r,k,y3(k),-pb,k,y4(k),-*g,k,y5(k),m:d);legend(內(nèi)圈故障,正常外圈故障,故障,診斷信號);小結(jié)：