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FSK信号调制与解调技术
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包络解调分析的滚动轴承故障诊断研究
＜仪器仪表与分析监测》２０１２年第ｌ期基于包络解调分析的滚动轴承故障诊断研究ＲＯ¨ｉｎｇ Ｂｅａｒ．ｎｇ ＦａｕＩｔ ＤｉａｇｎＯｓｉｓ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ ＥｎＶｅＩＯｐｅ ＤｅｍｏｄｕＩａｔｉＯｎ宋晓美孟繁超张玉（华北电力大学机械工程系，河北保定０７１００３）［摘要】利用包络解调分析方法对滚动轴承的各种故障进行了模拟和诊断研究。总结了滚动轴承的故障诊断机理，介绍了包络解调分析方法的基本原理，论述了将包络解调分析用于滚动轴承故障诊断 的基本思想，通过对ＱＰｚＺ―ＩＩ．旋转机械故障试验系统进行滚动轴承各种故障的实例验证分析，验证了将 包络解调分析方法运用于滚动轴承的故障诊断的实际效果。’［关键词］滚动轴承；故障诊断；包络解调 ［文献标识码］Ａｆ中图分类号】ＴＨｌ３３．３引言 滚动轴承是各类回转机械中应用最广的一种 通用机械部件，它的运行质量直接影响整台设备 的工作性能。旋转机械的许多故障都与滚动轴承 密切相关，一旦滚动轴承产生故障，就会导致轻 则影响机械设备的正常运行，重则带来人民生命 和财产的巨大损失。因此，研究滚动轴承的故障 诊断技术具有十分重要的现实意义…。 目前运用在滚动轴承的故障诊断方法有很多， 如时域参数分析法、频域分析法、包络解调分析、 冲击脉冲分析等。 其中包络解调方法主要用来对滚动轴承进行 精密诊断，不但可以判断轴承是否故障，而且可 以判断轴承的故障部位。该方法通过对轴承的振 动信号进行滤波、包络检波等处理，然后进行解 调，分离调幅和载波的信息，根据频谱中的轴承 故障特征频率来判断轴承是否故障及其故障部位。 本文利用包络解调分析方法对轴承不同故障的试 验数据进行处理，取得了很好的分析结果。下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落 和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的故障 原因是十分复杂的。滚动轴承的故障形式很多， 其基本形式主要如下［２ｊ】：１）磨损失效磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式，是 轴承滚道、滚动体、保持架、座空或安装轴承的 轴颈由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损。 在工作环境恶劣的情况下，许多杂质会混杂在润 滑油中进入轴承，从而就会在滚动体和滚道上产 生磨料磨损，在滚动体和滚道上出现不均匀的划 痕。磨料的存在，是轴承磨损的基本原因。２）疲劳失效疲劳是滚动轴承的另一种失效形式，常表现 为滚动体或滚道表面金属剥落或脱皮。初期是在 表面上形成不规则的凹坑，以后逐渐延伸成片。 滚动轴承在工作时，由于滚动体与内、外圈接触 面积很小，因此接触应力很大。在高速旋转时。 由于巨大交变接触应力多次反复作用，轴承元件 金属表面就会发生疲劳，产生剥落形成小凹坑。 造成剥落的主要原因是载荷引起的交变应力，有时是因为润滑不良强迫安装。 ３）腐蚀失效１滚动轴承故障诊断机理滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物 侵入、腐蚀和过载等，都可能会导致轴承过早损 坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况 一１６一 万方数据腐蚀是滚动轴承严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面的腐蚀失效导致精度丧失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质的直接侵入会基于包络解调分析的滚动轴承故障诊断研究宋晓美。等引起滚动轴承腐蚀；当滚动轴承停止工作后，轴等于理论计算值。这主要是因为滚动体并非纯滚 动等因素造成的。所以在频谱图上寻找各特征频 率时，需在计算的频率值的上下找其近似的值来诊断故障。此外，随着故障程度的增加，经常还承温度下降到露点，空气中的水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起腐蚀；当滚动轴承内部有 较大电流通过时，在滚道和滚动体的接触点处， 电流通过很薄的油膜会产生电火花，使表面局部 熔融而产生电腐蚀。会出现一些以特征频率为主频，以轴的转频为差值的调制边频现象，而当内圈、外圈和滚子同时 出现故障时，由频谱分析明确诊断比较困难。４）断裂失效 轴承零件的破断或裂纹主要是由磨削、热处 理、运行载荷过大、转速过高、润滑不良、装配不善、产生过大的热应力而引起的。２包络解调分析２．１包络解调的基本原理 包络解调分析法综合利用信号包络检波和频５）压痕失效压痕是在滚道或滚动体表面上产生局部变形 而出现的凹坑，它既可能是由于过载、撞击，也 可能是由于装配敲击或异物落人滚道而形成。 ６）胶合失效谱分析，根据包络谱的谱峰来识别故障。对于高频冲击振动而言，包络分析法更是一项重要而有效的基于传统功率谱分析的技术。 当轴承局部存在损伤或缺陷时，在受载过程中将产生突变的衰减冲击脉冲力，从而激起轴承 的高频固有振动。这种高频固有振动作为轴承振胶合是指滚道和滚动体表面由于受热而局部 融合在一起的现象。常出现在高速、高温、重载、润滑不良、启动加速度过大等情况。 当滚动轴承的内圈、外圈或滚动体存在局部故动的载波，其幅值将受到这些缺陷引起的脉冲激振力的调制，从而使轴承的最终振动波形表现为障时，会产生一定特征频率的冲击，引起轴承振动，机器运行会出现周期性脉冲。这种周期性脉冲作用复杂的幅值调制波。由于这种调制波的调制频率 为与缺陷相对应的通过频率，因此调制波的频率 成分中含有与缺陷对应的故障频率。通过一定的解调技术，能将轴承的缺陷信息从复杂的调幅振时间短，形状陡峭，其冲击频率由轴承的几何尺寸、 故障部位和轴的转速等因素决定。轴承产生缺陷零 件的不同．元件的故障特征频率也不相同口ｊ Ｊ。轴承外圈的故障特征频率为：动的信号中分离出来。针对滚动轴承振动信号的特点，包络解调法是最实用的一种方法，其具体 （１）工＝篙（卜警）轴承内圈的故障特征频率为：原理如图１所示。ｚ＝篙（?＋警）轴承滚动体的故障特征频率为：（２）图ｌ包络解调原理图五＝篙（ｔ一学）扣滚动体直径，ｍｍ； 卜轴承节径，ｍｍ； Ｐ接触角； 一滚动体数量； 卜工作转速，ｒ／ｍｉｎ。式中：（３）由于信号的低频分量被滤除，仅剩下被调制的高频分量，因此包络解调法可以有效地排除各种低频分量的干扰，而带通滤波是包络解调的关键，能否将包含缺陷的固有振动分离出来十分 重要卜ｊ。 ２．２希尔伯特（Ｈｉｌｂｅｒｔ）变换检波原理利用希尔伯特变换进行信号包络时的原理是 让测试信号产生一个９０。的相移，从而与原信号构 成一个解析信号，此解析信号即构成包络信号。 一个实信号算（ｔ）的希尔伯特变换％（ｔ）定 一１７―轴承出现故障后，振动频谱中会出现其特征 频率的谱峰。但实际谱峰的频率并不总是精确地万方数据‘仪器仪表与分析监测》２０１２年第ｌ期义为： ｘｈ（ｆ）＝日［ｘ（ｆ）】装一个激光传感器，以实现转速同步测量。利用数 据采集仪分别对正常、外圈故障、内圈故障和滚动 体故障轴承分时段进行振动加速度数据采集，将采 集的振动波形数据上传至计算机进行数据分析。＝ｚ（‘）×１：上ｆ。苎＿盟由本实验采用圆柱滚子轴承Ｎ２０５，轴承参数为：滚动体直径ｄ＝７．５ｍｍ， 轴承节径Ｄ＝３９ｍｍ，札（ｔ）可以看成是ｚ（ｔ）通过滤波器的输出，该滤波器的单位冲击响应为：＾（ｔ）＝ｌ／州 ｚ（ｆ）的解析信号为：７滚动体个数ｚ＝１２， 接触角ｎ＝０。设置工作轴的转速Ⅳ＝ｌ４４０ｒｐｍ。ｇ（ｆ）＝ｘ（Ｉ）＋豇＾（￡）解析信号ｇ（ｔ）的幅值Ａ（￡）和相位中（ｔ）的表达式为：由公式（１）（２）（３）可得出轴承的故障特 征频率如表ｌ所示。其中，，、正、，、＾、工分别代 表轴的转频、外圈故障特征频率、内圈故障特征 频率、滚动体故障特征频率和保持架旋转频率。表ｌ轴承的特征频率（ＩＩ茑）ｇ（１）＝Ａ（ｆ）矿‘ｏ式中：＾（ｔ）＝、．伊可广ｉｉ―万帅㈦ａｎ―Ｉ［等］幅值Ａ（‘）就是信号ｚ（ｔ）的包络信号，这 样经过希尔伯特变换检波，除去高频的振动分量， 然后用含有缺陷激振分量的Ａ（ｆ）代替原始信号 ｚ（ｆ）进行频谱分析，便可以进行缺陷的故障诊断。 把存在缺陷的轴承振动信号，经过希尔伯特变换 检波后变成包络信号，再对此包络信号进行频谱 分析，则在频谱中舍有低频的激振频率，即缺陷 频率‘５“。｛２４正１１６ ３工１７】７＾６０．１Ｃ１ ０．０分别对无故障、外圈故障、内圈故障及滚动 体故障的四种类型轴承进行了试验，采集振动加 速度数据，运用包络解调分析方法对数据进行了 分析，包络信号频谱图见图３一图６。吣 ¨∽雹ｉ一趔孽３滚动轴承故障实例分析实例分析使用江苏千鹏诊断工程有限公司的 ＱＰＺＺ―ＩＩ．旋转机械振动分析及故障诊断试验平台 系统。试验台示意图如图２所示。妣¨０２０４０６０８０１００频率（Ｈｚ）图３轴承正常状态下的包络信号频谱田轴承 似丑ｏ ｖ鼍ｊ四 一ｔ『Ｕ｛ｏ感器 轴１馨图２试验台示意图实验台由一台可调速电动机通过皮带带动主轴 旋转，轴的另一端是轴承的位置，轴承箱上有加载 弹簧。在轴承座的正上方布置了一个振动测点。安 一１８～ 万方数据国４轴承外圈故障时的包络信号频谱围基于包络解调分析的滚动轴承故障诊断研究宋晓美，等为轴的转频，因此可以断定滚动轴承内圈发生了 局部故障。 ４）从图６的包络谱中可以看到，频率９．３７５Ｈｚ处存在峰值，为保持架的旋转频率。并且在滚动体特征频率（６ｃＬ １Ｈｚ）及其倍频处存在明显的峰值，因此可以断定滚动轴承滚动体发生了局部故障。 ４结论频率（比） 图５轴承内圈故障时的包络信号频谱图作为旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，滚动轴承的工况监测与故障诊断引起了国 内外许多科技人员的重视。本文分析了滚动轴承１００的振动机理、故障原因，对滚动轴承的各种故障●８０进行模拟并提取其振动加速度信号，利用包络解 调的分析方法对其振动信号进行分析。实验结果 表明，利用包络解调方法可以有效并准确可靠地警６０ｊ粤４０ 坚２０Ｏ Ｏ汰妇ｍ虬凡＾。虬＾２００ ４００ ６００ ８００对轴承的故障信息进行诊断。将该方法应用于滚动轴承的状态监测及故障诊断系统中，可显著提高系统的准确判断力。１０００频率（Ｈｚ）参考文献图６轴承滚动体故障时的包络信号频谱图 ［１］梅宏斌．滚动轴承振动监测与诊断理论?方法?系统 ．北京［Ｍ］：机械工业出版社．１９９６：ｌ～７９ ［２］张亿雄，顾海明．Ｈｉｌｂｅｎ变换在滚动轴承故障诊断中 的应用［Ｊ］．煤矿机械，２００８，（１２）：４９―５４ ［３］肖鹏，朱浩，余剑武．基于Ｈｉｌｂｅｎ变换的轴承故障诊断 研究［Ｊ］．精密制造与自动化，２０１０，（吆）：２２～２６ ［４］韩业锋，仲涛，石磊．基于包络谱分析的滚动轴承故障 诊断分析【Ｊ］．机械研究与应用，加１０，（０４）：３５～３９ ［５］谢志江，刘彩利，彭浩．包络分析在齿轮箱故障诊断 中的应用［Ｊ］．振动工程学报，２００４，（１７）：８８―９２ ［６］孔亚林．基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法研究 ［硕士学位论文］．大连：大连理工大学，２００５分析结果如下： １）图３中，包络谱的显著频率为轴的转动频 率（２４Ｈｚ）及其倍频，表明轴承无故障；２）从图４的包络谱中可以看出，在频率等于１１５．６Ｈｚ处及其倍频处存在明显的峰值，其频率非常接近外圈的故障频率（１１６．３Ｈｚ），因此可以断定滚动轴承外圈发生了局部故障。３）从图５的包络谱中可以看出，在频率等于１７１．９Ｈｚ处及其倍频处存在明显的峰值，其频率非常接近内圈的故障频率（１７１．１Ｈｚ），且调制频率―１９― 万方数据 /yq_class/yq_271_1.htmlNLSZcode 能量算子包络解调，可以有效识别信号的冲击成分 matlab 259万源代码下载-
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