軸承微弱故障信號提取方法研究

閻旭坤，石全，李志勇，宋亞飛，辛光

(軍械工程學(xué)院 裝備指揮與管理系，石家莊 050003)

軸承故障是旋轉(zhuǎn)機械停機的主要原因之一，有時可導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。如何更早探測到軸承的微弱故障是有效實施維修活動(備件訂購、更換等)的關(guān)鍵。振動信號分析是軸承狀態(tài)監(jiān)測常用且有效的方法。由軸承故障產(chǎn)生的信號涵蓋的頻帶很寬，很容易被其他部件(齒輪、軸等)所產(chǎn)生的振動和噪聲淹沒[1]。因此，將軸承故障產(chǎn)生的信號與軸、齒輪等產(chǎn)生的信號分離是發(fā)現(xiàn)軸承微弱故障的前提。已有研究提出了應(yīng)用AR濾波結(jié)合最小熵反卷積[2-3]、自適應(yīng)噪聲刪除[4]等方法提取軸承微弱故障信號，在此，嘗試應(yīng)用多次時域同步平均實現(xiàn)軸承微弱故障信號的提取。

1 時域同步平均原理

時域同步平均需要按特定整周期截取信號，并保證信號起始點的相位相同。通常，需要在轉(zhuǎn)軸上安裝一個精度較高的光電碼盤，在一轉(zhuǎn)內(nèi)按等角度間隔產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖。它主要用來去除與相應(yīng)轉(zhuǎn)軸非同步的信號成分。這些非同步信號的成分包括噪聲、軸承振動信號、與其他軸相關(guān)的振動信號成分。

(1)

時域同步平均的效果取決于平均的段數(shù)，平均段數(shù)越多，效果越好。對于輸入軸轉(zhuǎn)頻在20～50 Hz的情況，以輸入軸為同步軸的時域同步平均段數(shù)應(yīng)為60～100；以中間軸為同步軸的時域同步平均段數(shù)應(yīng)為20～33；以輸出軸為同步軸的時域同步平均段數(shù)應(yīng)為12～20。

2 軸承微弱故障信號提取方法

首先將以輸入軸為參考同步平均后的信號yn復(fù)制M段，使得Yn與同步但未平均的信號Xn具有相同的長度，得

(2)

(3)

式中：R為去除了與各軸相關(guān)的信號成分(齒輪和軸的信號成分)后剩余的信號成分(主要包括軸承的信號成分)。軸承故障信號的分離過程如圖1所示。

圖1 軸承信號分離過程

3 案例研究

3.1 試驗設(shè)置

試驗臺結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗所用齒輪箱型號為ZD10；動力源為電磁調(diào)速電動機，型號為YCT180-4A；水冷磁粉制動器為齒輪箱提供載荷，型號為FZJ-5。圖2中標(biāo)注數(shù)字1～4的位置分別對應(yīng)輸入軸和輸出軸4個軸承的位置，也是4個加速度傳感器安裝的位置。齒輪箱主動輪齒數(shù)為30，從動輪齒數(shù)為50，輸入軸軸承(1和2)為6206深溝球軸承，輸出軸軸承(3和4)為7207角接觸球軸承，調(diào)速電動機的轉(zhuǎn)速范圍為0～1 600 r/min。在試驗過程中，可通過調(diào)整直流穩(wěn)壓電源控制磁粉負載的變化，進而控制輸出軸轉(zhuǎn)矩的變化，由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量電動機的旋轉(zhuǎn)脈沖信號和轉(zhuǎn)矩信號以及齒輪箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)脈沖信號和轉(zhuǎn)矩信號，由安裝在軸承座上的振動加速度傳感器采集齒輪箱體的振動信號。

圖2 試驗臺結(jié)構(gòu)

試驗采用線切割的方法在軸承1外圈溝道上切割出寬0.5 mm、深1.5 mm的貫通切口。調(diào)節(jié)調(diào)速電動機使齒輪箱轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，采樣頻率為12.8 kHz，采樣時間為12.8 s。

3.2 軸承信號分離

6206軸承球徑Dw=9.5 mm，球組節(jié)圓直徑Dpw=46.5 mm，球數(shù)Z=9，接觸角α=0°。設(shè)f為輸入軸的轉(zhuǎn)頻，經(jīng)計算可得：

外圈故障特征頻率為

內(nèi)圈故障特征頻率為

球故障特征頻率為

保持架故障特征頻率為

由于調(diào)速器設(shè)定的轉(zhuǎn)速與真實轉(zhuǎn)速存在一定的偏差，因此，利用轉(zhuǎn)速信號計算得出的實際轉(zhuǎn)速為1 176 r/min。相應(yīng)的外圈故障特征頻率為70.212 5 Hz。包絡(luò)分析是一種幅值解調(diào)的信號處理方法，對軸承的故障探測非常有效。由于軸承產(chǎn)生的共振頻率不確定，所以帶通濾波器難以選擇。工程實踐中，一般選擇高通濾波器，通過頻率約為轉(zhuǎn)頻的30倍。圖3和圖4分別為軸承1原始振動信號和提取的微弱軸承故障信號的包絡(luò)譜。從圖3可以看出，外圈故障特征頻率幅值較小，被其他噪聲所掩蓋。而經(jīng)過處理后的微弱故障信號包絡(luò)譜中，外圈故障特征頻率得到增強，其他信號成分則得到了抑制。

圖3 原始振動信號包絡(luò)譜

圖4 處理后軸承微弱故障信號的包絡(luò)譜

4 結(jié)論

時域同步平均方法能夠抑制與同步軸無關(guān)的振動信號，使得齒輪和軸等產(chǎn)生的周期性沖擊信號成分保留并增強。而軸承故障產(chǎn)生的振動信號屬于循環(huán)平穩(wěn)信號，正好被抑制。因此，用原始振動信號減去時域同步平均后的信號所得的剩余信號主要成分則為軸承故障產(chǎn)生的振動信號。從原始信號中減去所有軸的時域同步平均信號所得的剩余信號使得軸承的振動信號成分更加明顯和突出。單級齒輪箱試驗驗證了該方法的有效性。