基于小波包絡(luò)分析的滾動(dòng)軸承典型故障診斷技術(shù)研究

白洪堂++石峰++張占東

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110103）

【摘要】針對(duì)滾動(dòng)軸承故障識(shí)別提出一種小波變換與包絡(luò)譜分析相結(jié)合的方法，對(duì)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。結(jié)果表明小波包絡(luò)分析能夠很好地識(shí)別出軸承故障信息，證明了該方法能夠有效地診斷出滾動(dòng)軸承故障。

【關(guān)鍵詞】滾動(dòng)軸承 小波變換 故障診斷

滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的機(jī)械部件，它的運(yùn)行狀態(tài)往往直接影響響整機(jī)的性能。很多傳統(tǒng)信號(hào)分析方法比如Fourier變換是一種對(duì)全局的變換，表達(dá)不出信號(hào)的時(shí)頻局域性質(zhì)，不能很好地分析非平穩(wěn)信號(hào)。隨著小波理論的發(fā)展，小波分析已越來(lái)越多地應(yīng)用于故障診斷，信息監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

本文的主要研究?jī)?nèi)容是以滾動(dòng)軸承故障模擬試驗(yàn)臺(tái)為載體，對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包絡(luò)譜分析。結(jié)果小波包絡(luò)譜分析能很好地診斷出軸承故障，證明了該方法的有效性。

一、小波變換的基本原理

小波變換是對(duì)一個(gè)函數(shù)在空間和時(shí)間上進(jìn)行局部化的一種數(shù)學(xué)變換，通過(guò)平移母小波獲得信號(hào)的時(shí)間信息，通過(guò)縮放母小波的尺度獲得信號(hào)的頻率特性。平移和縮放母小波能夠計(jì)算出小波的系數(shù)，而這些系數(shù)則代表了局部信號(hào)和小波之間的關(guān)系。

（一）連續(xù)小波變換（CWT）

二、滾動(dòng)軸承故障振測(cè)試

滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用PCB加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，安裝在前后軸承座的X、Y、Z三個(gè)方向的四個(gè)位置上。試驗(yàn)裝置利用伺服電機(jī)提供動(dòng)力輸出精確轉(zhuǎn)速。

三、數(shù)據(jù)處理與故障診斷

滾動(dòng)軸承常見(jiàn)的失效方式主要有磨損、腐蝕、疲勞、塑性變形、壓痕、斷裂、保持架損壞和膠合等。軸承工作表面若出現(xiàn)局部缺陷，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生一系列的寬帶沖擊，這就是所謂的軸承故障頻率（也叫通過(guò)頻率），監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)故障信號(hào)便是檢測(cè)該頻率。其計(jì)算公式如下：

其中，Dc是節(jié)圓直徑，Db是滾動(dòng)體直徑，θ是角接觸角，z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，fr為軸的轉(zhuǎn)頻。

外圈故障診斷：對(duì)外環(huán)卡傷故障軸承進(jìn)行的試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速為fr=100r/min時(shí)的分析結(jié)果如圖2所示。根據(jù)式（10）計(jì)算得外圈故障特征頻率為：fb=26HZ。對(duì)在故障軸承的垂直處所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析與小波分析，其中分辨率為0.5Hz。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波分析，其中第3、4層分解包絡(luò)圖如圖2所示。在圖中可以很明顯的看出在25.8Hz處的峰值非常高，且與理論故障頻率值的誤差也在允許的范圍內(nèi)，故可以判斷圖2中反映的是外環(huán)卡傷故障。

四、結(jié)論

在故障軸承測(cè)試的過(guò)程當(dāng)中，所測(cè)得的信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，并且由于實(shí)驗(yàn)裝備以及外部環(huán)境的干擾，使得測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)信噪比低。小波降噪能夠很好地提高信噪比以及有效地提取主軸承故障的特征信息；同時(shí)小波變換將信號(hào)進(jìn)行多層分解并重構(gòu)，提高了分辨能力。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行測(cè)試，分析滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)，并利用小波包絡(luò)譜分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相吻合，很好的識(shí)別出滾動(dòng)軸承的外圈故障。這為滾動(dòng)軸承故障診斷提供了重要的依據(jù)。

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