基于振動信號技術(shù)特征頻率的故障注入軸承案例研究

郭振偉，于瀾濤，陳卓，黃首清，路彤

（1.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094； 2.航天機電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

引言

滾動軸承是旋轉(zhuǎn)機械的關(guān)鍵零部件，軸承的可靠性高低往往會影響整個機械設(shè)備的運行狀態(tài)[1]。導(dǎo)致軸承失效的因素[2]有很多，例如安裝不當(dāng)、潤滑失效、污染、磕碰、惡劣的使用環(huán)境等，因此軸承實際壽命與設(shè)計壽命之間常常有較大偏差，且具有分散性。因此，監(jiān)測軸承的工作狀態(tài)并據(jù)此進行故障診斷，可以及時發(fā)現(xiàn)軸承失效的征兆，預(yù)防和減少軸承失效造成的損失。

目前關(guān)于軸承故障診斷的文獻較多[3]，根據(jù)故障信號類型[4]進行分類包括溫度檢測法、油液檢測法、振動分析法、聲發(fā)射法、電流檢測法，其中振動分析法是目前使用最多、最有效的方法之一。根據(jù)故障特征提取方式分類，包括時域分析和頻域分析兩大類，常見的時域特征參數(shù)包括均值、均方根、峰值、峭度等，常見的頻域特征參數(shù)包括平均能量、頻譜集中程度、主頻帶位置等。根據(jù)故障診斷模型進行分類，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動方法和失效物理方法，目前數(shù)據(jù)驅(qū)動方法[5-7]發(fā)展迅猛，主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、隨機森林法、支持向量機等，特點是準(zhǔn)確性較高，但常常需要歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗支撐；失效物理方法包括特征頻率法[8]、譜峭度法[9]，具有不依賴歷史數(shù)據(jù)的特點，更適用于工程實際中的小樣本故障診斷場景。綜上，大部分文獻側(cè)重于對故障信號處理、故障診斷模型的研究，所研究的軸承常常只是早期輕微故障且具有多故障耦合的特點，針對典型單一故障模式開展故障注入軸承試驗件的研究并不多見。

航天領(lǐng)域針對軸承產(chǎn)品的可靠性有極高要求，意外故障可能會導(dǎo)致重大損失，例如美軍HESSI衛(wèi)星在振動試驗中就因為試驗臺軸承故障造成整星損毀[10]。有很多文獻重點關(guān)注軸承加速壽命試驗的試驗方法研究。徐東等[11]深入分析滾動軸承加速壽命試驗過程中遇到的各種問題, 提出一套完整的滾動軸承加速壽命試驗方法。李新立等[12]針對某航天器天線指向機構(gòu)固體潤滑球軸承，開展了恒定應(yīng)力加速壽命試驗方法研究。黃小凱等[13]建立了基于響應(yīng)面方法辨識不同應(yīng)力與軸承失效響應(yīng)值之間的加速模型，并對其進行了試驗驗證?；诩铀賶勖囼灥臄?shù)據(jù)，還可利用各種模型對滾動軸承的壽命與可靠性開展研究[14-16]。

本文針對多個故障注入軸承試驗件，通過搭建的軸承試驗平臺，對各故障注入軸承試驗件進行對比試驗，利用故障特征頻率分析方法對比分析了不同轉(zhuǎn)速下各故障軸承的頻率特征圖像，實現(xiàn)對滾動軸承故障位置和故障類型的診斷，積累了故障位置為內(nèi)圈、外圈、滾珠以及故障模式為擦傷、裂紋的軸承對應(yīng)的振動信號特征數(shù)據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)

參考圖1，本文采用的試驗系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括兩個軸系，每個軸系有兩個軸承腔，故障軸承安裝在軸系一端的軸承腔（1-2和2-2）中，便于拆裝。兩個軸系由PC端控制轉(zhuǎn)速的電機驅(qū)動，電機驅(qū)動端與軸承腔間安裝了摩擦力矩傳感器，軸承腔外表面安裝了熱電偶和振動傳感器，可實時監(jiān)測兩個軸系的摩擦力矩和各軸承腔的溫度和振動信號，其中振動信號是本案例研究中重點分析的對象。硬件部分還包括變頻器、溫度變送器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集板卡等，用于試驗數(shù)據(jù)測控。

圖1 軸承試驗系統(tǒng)的軸系和傳感器

試驗系統(tǒng)的監(jiān)控軟件界面如圖2所示，由Labview程序編寫，可操作電機按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)并實現(xiàn)無級變速，記錄兩個軸系振動、摩擦力矩以及溫度信號。

圖2 軸承試驗系統(tǒng)的監(jiān)控軟件界面

2 故障注入軸承試驗件

軸承試驗件為HRB7004 CETA/P5型角接觸球軸承，軸承節(jié)圓直徑取D = 31 mm，滾珠個數(shù)Z = 13，滾珠直徑d = 6.35 mm，接觸角α = 15 °。按照故障類型和位置的不同，將各故障軸承試驗件如表1進行編號，故障位置照片見圖3。

圖3 各故障軸承試驗件的故障照片

表1 故障注入軸承試驗件列表

試驗時，將故障軸承和用于對照的正常軸承同時安裝在同一個軸系上，分別在1 000 rpm、1 500 rpm、3 000 rpm三種轉(zhuǎn)速下對軸承的振動信號進行采集，并對采集到的振動信號進行FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）處理得到對應(yīng)的頻率特征圖。1 000 rpm時無故障軸承L00的頻率特征圖如圖4所示。頻率特征圖用于下一步的頻率特征分析和故障定位。

圖4 1 000 rpm時L00軸承的頻率特征圖

從圖中可以看出無故障時，軸承的振動信號頻域分布相對均勻，幅值隨頻率有一定的起伏波動，但是并沒有表現(xiàn)出在某個特定頻率下的異常極大值，最高點仍小于400。后續(xù)的案例診斷主要針對特征頻率附近軸承振動信號的幅值變化。

3 典型故障位置的故障特征頻率計算方法

軸承部件如外圈、內(nèi)圈或滾珠，當(dāng)其接觸的工作面產(chǎn)生了擦傷、裂紋等局部的損傷故障時，會以特定的通過頻率引發(fā)一連串的沖擊振動，這一通過頻率就為故障特征頻率。不同故障位置的故障特征頻率如下：

內(nèi)圈故障的特征頻率：

滾珠故障的特征頻率：

式中：

d—滾珠直徑；

D—軸承節(jié)圓直徑；

α—接觸角；

Z—滾珠個數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速。

代入本次試驗中的軸承數(shù)據(jù)，得到各個轉(zhuǎn)速下軸承的故障特征頻率，如表2所示。

表2 各個轉(zhuǎn)速下的故障特征頻率

4 故障診斷結(jié)果和討論

基于L06、L08和L10共3個故障軸承和1個無故障軸承L00的頻率特征圖，分別繪制內(nèi)圈故障特征頻率if，外圈故障特征頻率of和滾珠故障特征頻率rf處的幅值對比柱狀圖分別如表4~6所示。

無故障軸承L00的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)如表3所示，作為其他故障軸承數(shù)據(jù)的對比基準(zhǔn)。

表3 無故障軸承L00在各故障特征頻率處幅值

故障軸承L06的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)如表4所示。結(jié)合非故障軸承和其它故障軸承的振動信號數(shù)據(jù)可以看出，故障軸承L06內(nèi)圈故障特征頻率（fi）幅值在3 000 rpm下明顯偏大，在1 000 rpm、1 500 rpm下相較于外圈故障特征頻率（fo）和滾動體故障特征頻率（fr）也偏大，故可以推斷，L06的主要故障類型為外圈故障。

表4 故障軸承L06的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)

故障軸承L08的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)如表5所示。可以看出，故障軸承L08在1 000 rpm，1 500 rpm和3 000 rpm三個轉(zhuǎn)速下各個特征頻率對應(yīng)的振幅都比無故障軸承高，但是滾動體故障特征頻率（fr）幅值明顯偏高。推斷其故障類型為滾動體故障。

表5 故障軸承L08的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)

故障軸承L10的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)如表6所示。可以看出，故障軸承L10在三個轉(zhuǎn)速下外圈故障特征頻率（fo）幅值異常偏高，滾動體故障特征頻率（fr）幅值在1 000 rpm轉(zhuǎn)速下偏大，在1 500 rpm及3 000 rpm下逐漸回歸正常范圍內(nèi)。故推斷L10主要故障類型為外圈損壞。

表6 故障軸承L10的振動信號在各故障特征頻率處的幅值數(shù)據(jù)

針對三個軸承故障診斷結(jié)果進行匯總，如表7所示。綜上所述，采用本文試驗平臺和故障特征頻率分析方法能較為準(zhǔn)確地對滾動軸承的故障進行診斷。

表7 故障注入軸承案例診斷結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對多個故障注入滾動軸承試驗件，設(shè)計了軸承試驗平臺，利用故障特征頻率分析方法對故障位置和故障類型的診斷，主要結(jié)論如下：

1）所設(shè)計的軸承試驗系統(tǒng)可實時監(jiān)測兩個軸系的摩擦力矩和各軸承腔的溫度和振動信號。

2）針對HRB7004 CETA/P5型角接觸球軸承設(shè)計了L06（擦傷故障，內(nèi)圈溝道）、L08（擦傷故障，滾珠）、L10（裂紋故障，外圈溝道）3個故障注入試驗件，測試了1 000 rpm、1 500 rpm和3 000 rpm三種轉(zhuǎn)速下的振動數(shù)據(jù)。

3）計算HRB7004 CETA/P5型角接觸球軸承在三種轉(zhuǎn)速下的故障特征頻率，以1 000 rpm為例，內(nèi)圈、外圈、滾動體故障特征頻率分別是129.77 Hz、86.9 Hz和39.09 Hz。

4）基于故障特征頻率頻率法推斷出故障軸承L06、L08和L10的故障位置和嚴(yán)重程度，與實際情況吻合。

后續(xù)將針對更多故障位置和故障類型進行研究，細化對故障類型的診斷精度。