滚动轴承故障诊断技术

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1、上海海洋大学2008届毕业论文 旋转机械故障诊断特诊参数的提取Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.目录摘要3第1章 绪论41.1滚动动轴承故故障诊断断技术的的发展现现状41.2滚动动轴承故故障诊断断技术的的发展趋趋势61.3滚动动轴承诊诊断基础础71.3.11滚动轴轴承的常常见故障障形式71.3.22滚动轴轴承的诊诊断方法法81.4本课课题的研研究意义义和内容容9第2章 滚动动轴承振振动机理理112.1滚动动轴承的的基本参参数112.1.11滚动轴轴承的典典型结构构112.1.22滚动轴轴承的

2、特特征频率率112.1.33滚动轴轴承的固固有频率率132.2滚动动轴承故故障诊断断常用参参数142.2.11时间领领域有量量纲特征征参数142.2.22时间领领域的无无量纲特特征参数数152.2.33频率领领域的无无量纲特特征参数数16第3章 滚滚动轴承承故障诊诊断实验验系统及及实验方方案173.1滚动动轴承故故障诊断断实验系系统173.1.11滚动轴轴承故障障实验机机械平台台183.1.22设备的的组成:193.1.33设备的的主要参参数:193.1.44实验平平台信号号采集及及故障诊诊断系统统213.2实验验方案233.2.11轴承的的故障状状态233.2.22实验步步骤23第4章 实实

3、验的操操作过程程及数据据的提取取254.1装拆拆轴承254.1.11实验前前期准备备254.1.22试机254.1.33拆卸并并安装轴轴承254.2信号号的采集集过程274.2.11前期准准备274.2.22数据采采集过程程284.3数据据信号的的处理过过程30第5章 结论35致谢366参考文献37旋转机械故故障诊断断特征参参数的提提取摘要：本文文对滚动动轴承的的故障形形式、故故障原因因、常用用诊断方方法等诊诊断基础础和滚动动轴承故故障的振振动机理理作了研研究，并并建立了了相应的的滚动轴轴承典型型故障(外圈损损伤、内内圈损伤伤、滚动动体损伤伤)的理论论模型，给给出了一一些滚动动轴承故故障诊断断

4、常用的的特征参参数。通通过对滚滚动轴承承故障振振动机理理的研究究可以帮帮助我们们了解滚滚动轴承承故障的的本质和和特征。本本文对特特征参数数的提取取，理论论推导，和和过程都都进行了了详细的的阐述，本本文所提提出的方方法不仅仅仅适用用滚动轴轴承故障障的诊断断，还可可推广适适用旋转转机械其其它故障障的诊断断。关键词:滚滚动轴承承；故障障诊断；特征参参数；分辨指指数；识识别率The EExtrracttionn onn Faaultt Diaggnossis Symmptoom PParaametterssof Rootattingg MachhineeryABSTRRACTT ：In thee th

5、hesiis ,thee faaultt tyypess,diiagnnosttic metthodds aand vibbrattionn prrincciplle oof rrolllingg beeariing aree diiscuusseed.tthe theesiss seets up a sseriies of acaademmic moddelss off faaultty rrolllingg beeariingss annd llistts ssomee syympttom parrameeterrs wwhicch oofteen uusedd inn faaultt d

6、iiagnnosiis oof rrolllingg beeariingss . thee sttudyy off viibraatioon pprinncipple of rolllinng bbearringgs ccan hellp uus tto kknoww thhe eesseencee annd ffeatturee off roolliing beaarinngs.In thiis ppapeer, thee paarammeteers of thee exxtraactiion, thheorretiicall annalyysiss, aand proocesss aare

7、 desscriibedd inn deetaiil, thee paaperr byy thhe wway nott onnly to thee Roolliing fauult diaagnoosiss, bbut alsso pprommotee thhe aappllicaatioon oof ootheer rrotaatinng mmachhineery fauult diaagnoosiss.Keywoordss: Rolllingg Bearringg; FFaullt DDiaggnossis; Syympttom Paraametter; Diistiincttionn I

8、nndexx; DDisttincctioon RRatee第52页 共37页第1章 绪绪论1.1滚动动轴承故故障诊断断技术的的发展现现状机械故障诊诊断学是是识别机机器或机机组运行行状态的的科学，它它研究的的是机器器或机组组运行状状态的变变化在诊诊断信息息中的反反映。随随着科学学技术不不断发展展和工业业化程度度的不断断提高，机机械设备备精密程程度、复复杂程度度及自动动化程度度不断提提高，凭凭个人的的感观经经验对机机械设备备进行诊诊断己经经远远不不够。机机械设备备故障诊诊断技术术集数学学、物理理、化学学、电子子技术、通通讯技术术、信息息技术、计计算机技技术、模模式识别别、人工工智能等等多种综综合

9、技术术发展起起来的一一门多学学科交叉叉和融合合的新技技术。早早在二次次世界大大战期间间，由于于大量军军事装备备缺乏诊诊断技术术和维修修手段，而而造成非非战斗性性的损坏坏，使人人们意识识到故障障诊断和和监测技技术的重重要性1。60年代代以来，由由于半导导体的发发展，集集成电路路的出现现，电子子技术、计计算机技技术的更更新换代代，特别别是19965 年FFTT方法获获得突破破性进展展后出现现了数字字信号处处理和分分析技术术的新分分支，为为机械设设备诊断断和监测测技术的的发展奠奠定了重重要的技技术基础础。滚动动 轴 承 是各种种旋转机机械中应应用最广广泛的一一种通用用元件，它它的运行行状态是是否正常

10、常直接影影响到整整台机器器的性能能(包括精精度、可可靠度及及寿命等等)，据统统计旋转转机械故故障的330%是是由滚动动轴承故故障引起起的。滚滚动轴承承的故障障诊断在在国外大大概始于于20世纪纪60年代代2。故障障滚动轴轴承诊断断的诊断断流程如如图1.1所示示。目前国内外外学者的的对于滚滚动轴承承故障诊诊断的一一些方法法的研究究工作主主要集中中在以下下几个方方面:1）时域分分析法时域分析法法是滚动动轴承故故障诊断断技术发发展最早早的一种种方法，在在时域诊诊断中，提提取信号号特征的的主要方方法有相相关分析析和时序序分析，普普遍采用用振动信信号的基基本数字字特征及及其概率率分布特特征进行行诊断分分析

11、，如如均值、有有效值、峰峰值和无无量纲因因子判别别方法等等。时域域同步平平均法是是滚动轴轴承故障障诊断最最为常用用的一种种信号增增强方法法，通过过对滚动动轴承振振动信号号进行采采样，并并对多周周期的信信号进行行同步平平局，就就可以得得到时域域同步平平均信号号。这种种方法可可以有效效降低其其他部件件和振动动源对于于信号的的影响，提提高信噪噪比33。2）频域分分析法频域分析方方法是将将时域波波形经过过FFTT变换转转换成频频谱图，采采用振动动信号的的频谱特特征进行行诊断分分析，如如特征频频率、幅幅值、无无量纲判判别因子子等，对对滚动轴轴承的故故障可以以进行精精密诊断断。在滚滚动轴承承诊断技技术中常

12、常用的频频谱图有有全息谱谱、幅值值谱、相相位谱、功功率谱等等。细化化和倒谱谱技术是是频谱分分析的常常用手段段。在对对滚动轴轴承振动动信号作作频谱分分析时必必须有足足够高的的频率分分辨率，通通常采用用细化谱谱分析技技术可以以提高分分辨率。FFT-FS频谱细化方法在不增加采样点数的前提下，对感兴趣的频带进行细化，能够得到比较准确的频率值4。3）时频分分析法采用普通的的频谱分分析无法法同时进进行时频频分析，找找出信号号的时域域特征。而而时频分分析法既既能够反反映时域域特征又又能够反反映频域域特征，可可以很好好的描述述滚动轴轴承故障障特征的的全貌，常常用的时时频分析析方法有有短时傅傅立叶变变换、小小波

13、变换换、小波波包分析析等。119466年，Gaaborr提出了了窗口傅傅立叶变变换概念念，用一一个在时时间上可可滑移的的时窗进进行傅立立叶变换换，从而而实现了了在时间间域和频频率域上上都具有有较好局局部性的的分析方方法。小小波分析析的多尺尺度和对对突变信信号的探探测能力力，在处处理非平平稳信号号上表现现出极大大的优越越性，它它克服了了短时傅傅立叶变变换分辨辨率不可可变的缺缺陷，在在时域和和频域同同时有良良好的局局部化性性质，成成为滚动动轴承诊诊断发展展的热点点5。4）智能诊诊断计算机人工工智能与与诊断理理论相结结合形成成了具有有信息时时代特色色的智能能诊断。当当前滚动动轴承诊诊断领域域中最常常

14、用的两两类人工工智能诊诊断系统统是基于于知识的的专家系系统和基基于网络络的智能能诊断系系统.基于知识的的专家系系统的特特点是:以知识工程程(知识库库)为基础础；在串行行运行的的格式中中模拟人人脑的逻逻辑思维维；实现严严格的诊诊断推理理。基于神经网网络的智智能诊断断系统的的特点是是:以神经网络络结构为为基础；在大规规模并行行运算格格式中模模拟人脑脑的物理理结构。通常智能诊诊断系统统与各种种现代理理论结合合起来，如如将模糊糊集理论论与专家家系统结结合起来来形成模模糊专家家系统，将将小波用用于神经经网络可可以形成成小波神神经网络络等。这这样的结结合可以以充分利利用各自自的优势势，取长长补断，处处理更

15、复复杂的故故障诊断断问题，获获得更佳佳的诊断断结果。根根据该模模型的特特点提出出了能够够克服传传统BPP算法学学习速度度慢、容容易陷入入局部极极小的新新算法。改改进后的的算法用用于滚动动轴承故故障诊断断，试验验结果表表明，该该算法可可以有效效缩短网网络在训训练过程程中滞留留于局部部极小区区域的时时间，大大大提高高网络的的学习速速度66。1.2滚动动轴承故故障诊断断技术的的发展趋趋势近几年来，通信技技术、电电子技术术、计算算机技术术、数据据处理技技术的飞飞速发展展为滚动动轴承故故障诊断断的发展展提供了了强大的的支持。从从目前的的研究资资料来看看，滚动动轴承故故障诊断断的发展展方向和和发展趋趋势如

16、下下:1)混合故故障诊断断技术研研究智能诊断技技术是滚滚动轴承承故障诊诊断技术术的一个个重要的的研究方方向。将将多种不不同的智智能技术术结合起起来的混混合诊断断系统，是是智能故故障诊断断研究的的一个发发展趋势势。结合合方式主主要有基基于规则则的专家家系统与与神经网网络的结结合，实实例推理理与神经经网络的的结合模模糊逻辑辑、神经经网络与与专家系系统的结结合等7。2)多信息息量融合合，多层层次诊断断集成集成知识库库中的各各种诊断断知识，结结合数据据库中的的各种故故障数据据，按照照不同的的故障情情况进行行综合分分析、判判断，定定位故障障点。主主要对状状态监测测所得到到的信息息进行融融合，然然后结合合

17、层次诊诊断模型型，按照照深浅结结合的推推理层次次进行诊诊断。它它进一步步把状态态监测中中的信号号监测处处理集成成到诊断断系统中中，进行行在线数数据处理理与在线线诊断推推理，实实现非实实时诊断断到实时时诊断的的转变，也也实现信信息诊断断与智能能诊断的的统一8。3)远程协协作诊断断基于因特网网的滚动动轴承故故障远程程协作诊诊断是将将滚动轴轴承诊断断技术与与计算机机网络技技术相结结合，用用若千台台中心计计算机作作为服务务器，在在企业的的关键设设备上建建立状态态监测点点，采集集设备状状态数据据;在技术术力量较较强的科科研院所所建立分分析诊断断中心，为为企业提提供远程程技术支支持和保保障。跨跨地域远远程

18、协作作诊断的的特点是是测试数数据、分分析方法法和诊断断知识的的网络共共享，因因此必须须使传统统诊断技技术的核核心部分分(即信号号采集、信信号分析析和诊断断专家系系统)能够在在网络上上远程运运行99。4)诊断与与控制相相结合根据当前设设备的健健康状况况决定设设备运行行方式或或策略，最最终预知知故障，从从而防止止故障的的发生，是是诊断技技术的最最高目标标。它是是把诊断断系统和和控制系系统进一一步结合合，达到到集监测测、诊断断、控制制、管理理于一身身.它由单单机诊断断发展到到分布式式全系统统诊断，信信息量大大，类型型多，相相应的也也就需要要多种数数据处理理和诊断断推理方方法的联联合总之之 ，在今今后

19、的研研究中应应进一步步对诊断断理论与与诊断方方法加以以研究，建建立一套套完整的的故障诊诊断指导导理论和和方法体体系，将将诊断理理论和诊诊断方法法能运用用到实际际的生成成中，同同时加强强对便携携式诊断断和监测测工具的的研究，致致力于建建立简单单的故障障诊断平平台，建建立更人人性化的的人机工工作环境境，提高高诊断的的效率，提提高人们们的设备备管理意意识，促促进滚动动轴承及及其它设设备故障障诊断技技术的应应用和发发展110。1.3滚动动轴承诊诊断基础础1.3.11滚动轴轴承的常常见故障障形式由于滚动轴轴承的材材料缺陷陷，加工工或者装装配不当当，润滑滑不良，水水分或者者异物侵侵入，腐腐蚀以及及过载等等

20、原因都都可能导导致早期期损坏11122。即即使在安安装、润润滑和使使用维护护都正常常的情况况下，经经过一段段时间的的运转，滚滚动轴承承也会出出现疲劳劳剥落和和磨损等等现象影影响机器器的正常常工作。概概括起来来滚动轴轴承的主主要故障障形式有有：1)疲劳剥剥落滚动轴承工工作时，滚滚道和滚滚动体表表面既承承受载荷荷又相对对滚动，由由于交变变载荷的的作用，首首先在表表面下一一定深度度处(最大剪剪应力处处)形成裂裂纹，继继而扩展展到接触触表层产产生剥落落坑，最最后大面面积剥落落，这种种现象就就叫做疲疲劳剥落落。正常常工作条条件下，疲疲劳剥落落是滚动动轴承故故障的主主要原因因。习惯惯上所说说的轴承承寿命就

21、就是指轴轴承的疲疲劳寿命命。2)磨损由于滚道和和滚动体体的相对对运动(包括滚滚动和滑滑动)和尘埃埃异物的的侵入等等都会引引起表面面磨损，而而当润滑滑不良时时更会加加剧表面面磨损。磨磨损的结结果使滚滚动轴承承游隙增增大，表表面粗糙糙度增加加，降低低了滚动动轴承的的运转精精度，因因而也降降低了机机器的整整体运动动精度，振振动及噪噪声也随随之增大大。对于于精密机机械中所所用的滚滚动轴承承，往往往就是因因为磨损损量限制制了滚动动轴承的的寿命。此此外 ，还有有 一 种所谓谓的微振振磨损。当当滚动轴轴承本身身不旋转转而受到到振动时时，由于于滚动体体和滚道道接触面面间微小小的，往往复的相相对滑动动，因而而导

22、致微微振磨损损产生，其其结果是是在滚道道上形成成波纹状状的磨痕痕。3)塑性变变形在工作负荷荷果重的的情况下下，滚动动轴承受受到过大大的冲击击载荷或或者静载载荷，或或者因为为热 变 形引起起额外的的载荷，或或者当有有高硬度度的异物物侵入时时，都会会在滚道道表面形形成凹痕痕或者划划痕。这这将使滚滚动轴承承运转时时产生剧剧烈的振振动和噪噪声。而而且，一一旦产生生上述凹凹痕，由由此所引引起的冲冲击载荷荷可能还还会进一一步引起起附近表表面的剥剥落。4)腐蚀腐蚀也是滚滚动轴承承的常见见故障之之一。当当水分直直接侵入入滚动轴轴承时就就会引起起滚动轴轴承腐蚀蚀，另一一方面，当当滚动轴轴承停止止工作时时，滚动动

23、轴承温温度下降降达到零零点，空空气中的的水分凝凝结成水水滴吸附附在轴承承的表面面上也会会引起腐腐蚀。此此外当滚滚动轴承承内部有有电流通通过时，在在滚道和和滚动体体之间的的接触点点处，电电流通过过很薄的的油膜引引起火花花，使表表 面局部部熔融，在在表面上上形成波波纹状的的凹凸不不平。高高精度的的滚动轴轴承往往往由于表表面腐蚀蚀，丧失失精度而而不能继继续工作作。5)断裂当载荷超过过滚动轴轴承或者者滚动体体的强度度极限时时会引起起滚动轴轴承零件件的破裂裂。此外外，由于于磨削加加工、热热处理或或者装配配时引起起的残余余应力、工工作时的的热应力力过大等等也都有有可能造造成滚动动轴承零零件的断断裂。6)胶

24、合所谓胶合是是指一个个表面的的金属粘粘附到另另一表面面的现象象。在润润滑不良良，高速速重载的的情况下下，由于于摩擦发发热，滚滚动轴承承零件可可能在极极短的时时间内达达到很高高的温度度，从而而导致表表面损伤伤及损坏坏。7）保持架架损坏通常，由于于装配不不当或者者使用不不当而引引起的保保持架发发生变形形，从而而就可能能增加保保持架与与滚动体体之间的的摩擦，甚甚至使某某些滚动动体卡死死而不能能滚动，或或保持架架与内外外滚道发发生摩擦擦等均可可引发保保持架损损坏，这这也使振振动、噪噪声与发发热增加加133。1.3.22滚动轴轴承的诊诊断方法法可用于对滚滚动轴承承进行故故障诊断断的方法法有很多多，包括括

25、振动信信号分析析法、声声发射法法、油污污染分析析法(磁性法法，铁谱谱法的光光谱分析析法)等，它它们各有有特点，其其中以振振动信号号分析法法相对简简单，应应用最为为广泛14。1）冲击脉脉冲法( SPMM法)冲击脉冲(SPMM，Shoock Pullse Metthodd)法是是一种用用于提取取滚动轴轴承在运运转中所所产生的的冲击能能量的方方法。当当滚动轴轴承受到到损伤后后，如疲疲劳剥落落、裂纹纹、磨损损及表面面划伤等等，在运运转过程程中就会会产生衰衰减性的的振动。这这种振动动中冲击击的强弱弱反映了了滚动轴轴承在一一定转速速下的故故障大小小程度.冲击脉脉冲法就就是基于于这个基基本原理理。首先先将信

26、号号进行带带通滤波波，然后后利用传传感或者者谐振电电路的谐谐振放大大特点，提提取冲击击能量或或者折算算成脉冲冲值.利用脉脉冲值(dB)可以确确定滚动动轴承的的好坏情情况。2）共振解解调法(IFDD法)共振解调法法(IDDF，IInciipieent Faiilurre Dettecttionn)，这这是美国国波音公公司发明明的一项项技术.共振解解调法与与冲击脉脉冲法的的共同特特点是:利用传传感器或或者电路路的谐振振(共振)，将故故障冲击击法引起起的衰减减振动放放大，因因而大大大提高了了探测故故障的灵灵敏度和和可靠性性。共振振解调法法还进一一步利用用解调技技术将故故障信息息提取出出来，通通过对解

27、解调后的的信号做做频谱分分析，可可以诊断断出故障障发生的的部位，如如具体指指出故障障发生在在滚动轴轴承外圈圈、内圈圈还是在在滚动体体上，对对于共振振解调法法在后面面将做详详细的介介绍。3）特征参参数判断断法利用一些具具有特殊殊意义的的系数或或者因子子即特征征参数，来来判断滚滚动轴承承故障往往往也是是简单有有效的方方法。如如:(1) 有有效值和和峰值判判别法。有有效值即即均方根根值，它它反映了了信号总总体能量量的大小小。一般般情况下下，有效效值对磨磨损这类类滚动轴轴承故障障可以给给出比较较恰当的的评价，而而峰值则则对疲劳劳剥落、划划痕等一一类有瞬瞬变冲击击振动的的故障比比较有用用。(2) 峭峭度

28、系数数法。峭峭度系数数是无量量纲因子子，其特特点是对对载荷及及轴的转转速不敏敏感，可可以发现现早期故故障。1.4本课课题的研研究意义义和内容容振动法是滚滚动轴承承故障诊诊断最常常用的方方法，通通过对采采集的振振动信号号进行处处理分析析，提取取相应的的异常特特征，进进行故障障诊断分分析。滚滚动轴承承故障诊诊断时的的特征参参数分为为有量纲纲和无量量纲两种种。有量量纲特征征参数，如如均值、峰峰值、有有效值等等，这些些特征参参数虽然然可以反反映滚动动轴承的的故障特特征，但但是当滚滚动轴承承的负载载、转速速等外在在条件发发生变化化时，这这些特征征参数随随着振动动的变化化而变化化，容易易对滚动动轴承故故障

29、产生生误判。无无量纲判判别因子子，如歪歪度、峭峭度、峰峰值因子子、波值值因子，这这些判别别因子一一般不受受滚动轴轴承的尺尺寸、负负载、转转速变化化的影响响，只取取决于滚滚动轴承承故障的的类型和和大小。但但是这些些判别因因子各有有局限性性，某一一个因子子往往只只对某种种故障比比较敏感感，而不不能用于于判别其其他的故故障，如如峰值因因子对滚滚动轴承承的局部部剥落等等故障非非常的敏敏感，但但是对于于滚动轴轴承磨损损之类的的故障几几乎没有有识别能能力。同同时在实实际的滚滚动轴承承故障诊诊断中，故故障信号号中含有有许多的的千扰成成分，为为故障特特征的提提取增大大困难，不不容易找找到一个个最佳的的特征参参

30、数来进进行故障障诊断.图1.22为本文文方法的的诊断流流程框图图。本文的主要要内容如如下:1）首先研研究了滚滚动轴承承振动的的机理，建建立的滚滚动轴承承诊断的的典型故故障理论论模型，阐阐述了滚滚动轴承承的基本本参数和和振动信信号的特特征并介介绍了滚滚动轴承承诊断常常用的特特征参数数。通过过对滚动动轴承振振动机理理的研究究，有助助于了解解滚动轴轴承故障障的本质质和特征征。2）详细介介绍了本本实验所所采用的的设备仪仪器，并并根据本本研究建建立了相相应的适适应度函函数。3）在该实实验平台台上分别别对滚动动轴承的的常见故故障:外圈损损伤、内内圈损伤伤、滚动动体损伤伤进行实实验模拟拟，并采采集相应应的数

31、据据。通过过对采集集的大量量数据进进行处理理和综合合分析验验证了本本文提出出的方法法。第2章 滚动动轴承振振动机理理在本章给出出了滚动动轴承的的一些基基本参数数和滚动动轴承特特征频率率的计算算方法，建建立了滚滚动轴承承典型故故障的理理论振动动模型，分分别说明明了滚动动轴承外外圈损伤伤、内圈圈损伤、滚滚动体损损伤时的的振动信信号波形形的典型型特征，给给处了一一些常用用的滚动动轴承故故障诊断断用的特特征参数数155。2.1滚动动轴承的的基本参参数2.1.11滚动轴轴承的典典型结构构图2.11标准滚滚动轴承承图滚动轴承的的典型结结构如图图2.1所示，它它由内圈圈，外圈圈，滚动动体和保保持架四四部分组

32、组成。滚动轴承的的几何参参数主要要有:滚动轴承节节径、滚滚动体直直径、内内圈滚道道半径、外外圈滚道道半径、接接触角、滚滚动体个个数。2.1.22滚动轴轴承的特特征频率率为分析滚动动轴承各各部分的的运动参参数，先先做如下下假设:(1)滚道道与滚动动体之间间无相对对滑动;(2)承受受径向,轴向载载荷时各各部分无无变形; (3)滚动动轴承外外圈固定定，内圈圈(即轴)的旋转转频率为为; 则滚动轴承承工作时时各点的的转动速速度如下下: 内圈滚道上上一点的的速度为为: （22-1）外圈滚道道上一点点的速度度为: （2-2）保持架上一一点的速速度为: （2-3）由此可得得保持架架的旋转转频率(即滚动动体的公

33、公转频率率)为: （22-4）从固定在保保持架上上的动坐坐标系来来看，滚滚动体与与内圈作作无滑动动滚动，它它的回转转频率之之比与成成反比: 由此可得滚滚动体自自转频率率(滚动体体通过内内滚道或或外滚道道的频率率)fb: （22-5）同时考虑到到滚动轴轴承有个个滚动体体，则:(1)Z个个滚动体体与外圈圈滚道上上某一固固定点的的接触频频率为: （2-6）(2)Z个个滚动体体与内圈圈滚道上上某一固固定点的的接触频频率为: （2-7） (3)个滚滚动体上上某一固固定点与与外圈或或者内圈圈滚道的的接触频频率为: （22-8） ，分别为为外圈、内内圈和滚滚动体的的通过频频率.当“某一固固定点”是局部部损伤

34、点点(如点蚀蚀点、剥剥落点等等)时，、和分别成成为局部部损伤点点撞击滚滚动轴承承元件的的频率，因因此、和又分别别称为外外圈、内内圈和滚滚动体的的故障特特征频率率.2.1.33滚动轴轴承的固固有频率率滚动轴承在在运行过过程中，由由于滚动动体与内内圈或外外圈冲击击而产生生振动，这这时的振振动频率率为滚动动轴承各各部分的的固有频频率。固固有振动动中，内内、外圈圈的振动动表现最最明显，滚滚动轴承承元件的的固有振振动频率率如下:1)轴承圈圈在自由由状态下下的径向向弯曲振振动的固固有频率率为: （22-9） 式中 -弹性模模量，钢钢材为2210GGPa; I-套圈圈横截面面的惯性性矩mmm4; -密度度

35、， 钢材为为7866x100-6kgg/mmm3;A-套圈横横截面积积，=bbh，mmm2;-套圈横横截面中中性轴直直径，mmm; -重重力加速速度，99=98800mmm/s2。 -振动动阶数(变形波波数)，=2，3;对钢材 ，将将各常数数代入式式得2)钢球振振动的固固有频率率为: （22-100） 式中-钢球球半径。2.2滚动动轴承故故障诊断断常用参参数特征参数被被定义为为在各个个时间领领域、频频率领域域中的参参数。在在此之中中，分为为有量纲纲特征参参数和无无量纲特特征参数数。以前前的故障障诊断中中主要被被使用的的是有量量纲特征征参数，现现在，和和有量纲纲特征参参数相比比，更多多的是使使用

36、了对对运作状状态的依依赖小、诊诊断散乱乱少的无无量纲诊诊断参数数。在本本研究中中，运用用时间领领域无量量纲特征征参数和和频率领领域无量量纲特征征参数进进行研究究。2.2.11时间领领域有量量纲特征征参数在对滚动轴轴承故障障诊断和和监测中中，迄今今为止一一直使用用的是以以振动为为主的特特征参数数。另外外，作为为被使用用的振动动的特征征参数，以以速度的的实效值值，变位位的实效效值等有有量纲参参数为主主。在此此，在滚滚动轴承承诊断中中常用的的有量纲纲特征参参数，用用以下的的公式表表示，另另外，没没有特别别说明的的，取时时间序列列数据的的绝对值值。(1)绝对对值总和和：X= （22-111）（2）平均

37、均值： =/NN （22-122） (3)标标准方差差：= （22-133）（4）最大大值：XXmaxx= XmaaxXmmaxtt/Xmmaxtt2 （22-144）(5)最大大平均值值：maax= XmmaxXmmaxtt/Xmmaxtt （22-155）(6)极大大值的平平均值： （22-166）(7)极大大值的标标准方差差： （22-177）（8）极小小值的平平均值： （2-18）在此： （9）极小小值的标标准方差差： （2-19）2.2.22时间领领域的无无量纲特特征参数数在此，在滚滚动轴承承诊断中中常用的的有量纲纲特征参参数，用用以下的的公式表表示。（1）波形形率： （22-200

38、）（2）歪度度： （22-211）（3）峭峭度： （2-22）（4）波波高率： （2-23）（5）最最大值比比率： （2-24）（6）极极大值的的变动率率： （22-255）（7）极极小值的的变动率率： (22-266)（8）平平方根的的平均值值： (2-27)（9）自自乘平均均值： （2-28）（10）对对数平均均数： （22-299）2.2.33频率领领域的无无量纲特特征参数数（1）平均均特征频频率： （2-30）（2）波形形安定指指数： （22-311）（3）变动动率： (2-332)（4）歪度度： （2-33）（5）峭度度： （22-344）（6）平方方根比率率： （22-355）以上

39、各式中中： 分辨指数和和识别率率166117分辨指数：或者= （2-36）识别率： 其中： （22-377）第3章 滚滚动轴承承故障诊诊断实验验系统及及实验方方案本章主要介介绍了滚滚动轴承承故障诊诊断实验验系统如如图3.1，对对系统的的机械平平台和采采集系统统作了详详细的介介绍，并并且设计计了滚动动轴承故故障模拟拟实验方方案。3.1滚动动轴承故故障诊断断实验系系统滚动轴承故故障诊断断实验系系统主要要包括两两个部分分:滚动动轴承故故障实验验机械平平台和数数据采集集系统。该该平台是是由江苏苏千鹏故故障诊断断有限公公司研发发的，该该平台得得到了高高金吉院院士的认认可，在在国内具具有先进进水平。该该平

40、台可可以模拟拟滚动轴轴承，齿齿轮，轴轴系的各各种故障障，在此此主要介介绍一下下对于滚滚动轴承承故障的的模拟。3.1.11滚动轴轴承故障障实验机机械平台台图3.22旋转机机械故障障故障试试验机械械平台对于滚动轴轴承的故故障模拟拟是在图图3.11所示的的旋转机机械振动动测试故故障实验验平台上上实现的的，该平平台是由由江苏千千鹏故障障诊断有有限公司司研发的的，该平平台在国国内具有有先进水水平，该该平台可可以模拟拟滚动轴轴承，齿齿轮，轴轴系的各各种故障障，在此此主要介介绍一下下对于滚滚动轴承承故障的的模拟。图图3.33所示为为旋转机机械故障障实验平平台的滚滚动轴承承故障实实验部分分的机械械结构示示意图

41、。3.1.22设备的的组成:由变速驱动动电机、轴轴承、齿齿轮箱、轴轴、偏重重转盘、调调速器等等组成。通通过调节节配重，调调节部分分的安装装位置以以及组件件的有机机组合快快速模拟拟各种故故障。系系统的机机械部分分还包括括被测部部件有：有缺陷陷的轴承承（外圈圈缺陷、内内圈缺陷陷、滚珠珠缺陷）；有缺陷陷的齿轮轮（断齿齿的齿轮轮、磨损损的齿轮轮）；旋旋转圆盘盘的配重重块（在在圆盘圆圆周边缘缘每隔110度开开一螺孔孔，用于于固定和和调平衡衡用的配配重块）平台+有缺缺陷的轴轴承+有有缺陷的的齿轮+旋转圆圆盘的配配重块+专用配配套工具具3.1.33设备的的主要参参数:1）旋转机机械模拟拟装置及及各部分分规格

42、 马达a) 型式：交流流变频电电机b) 功率：0.55KKWc) 马达转数：最大转转数14450rrpmd) 电源：单相相交流，电电压2220V，频频率500/600HZe) 速度控制：交流变变频控制制器 制动器a) 型式：磁粉粉离合制制动器b) 径向加力器器：c) 最大转矩：5N.m 齿轮箱a) 齿轮：大齿齿轮 模模数2 齿数775 材材质S445C（33只，其其中2只只故障齿齿轮） 小齿齿轮 模模数2 齿数555 材材质S445C（22只，其其中1只只故障齿齿轮）b) 润滑：浸油油式c) 轴承：滚动动轴承 旋转圆盘（产产生失衡衡用圆盘盘）a) 形状：220010mmm2b) 材质:铝c)

43、平衡块的安安装：每每10度度一处（平平衡块66只）d) 轴承：马达达侧用滚滚珠轴承承；提供供检测侧侧用滚柱柱轴承NN2055（4只只，其中中3只故故障轴承承） 底座：a) 机构：可以以用改变变中心角角的方法法调整支支点和在在2范围调调整角度度 （产产生基准准错位用用；有一一只百分分表调整整刻度）b)全钢抗抗震机座座2）旋转机机械模拟拟装置控控制器马达速度控控制：a) 控制方法：交流变变频器单单相输入入三相输输出b) 变速范围：7514550rppmc) 仪表盘：主主电路操操作用按按钮开关关（即光光显式钮钮开关）， 其状态态用ONN，OFFF表示示。带调调整转数数的变频频调节器器（有启启动开关关

44、），带带模拟转转数计；制动力力矩电流流调节器器（有电电源开关关）。d) 速度波动量量：2%以以内b) 电源：单相相交流2220伏伏，允差差10%，频率率为500/600赫兹c) 保护功能：防止主主电源电电压过高高、散热热片过热热、速度度放大器器饱和、控控制电源源异常、电电流过大大。制动力矩控控制：a)输出电电压：最最高 直流流0224伏最低 直流00122伏b)功率：1000Wc)电源：单相交交流 2000/2220伏伏，频率率50/60赫赫兹3.1.44实验平平台信号号采集及及故障诊诊断系统统1)说明：本系统完成成现场振振动信号号的采集集、基本本的信号号处理与与常规诊诊断功能能。有以以下功能

45、能：信号号采集、实实时显示示、信号号保存、时时序列信信号分析析、频域域信号分分析、轴轴承精密密诊断用用的各种种参数计计算功能能、齿轮轮精密诊诊断用的的各种参参数计算算功能、轴轴承精密密诊断功功能、倒倒谱计算算功能、寿寿命预测测功能、静平衡与动平衡计算功能。2)组成：由传感器（加加速度44、激光光转数仪仪1）、电电缆线、接接线端子子、信号号条理器器、采集集卡、采采集软件件、故障障诊断软软件组成成。3)主要参参数：传感器(KKD10001LL)：电压灵敏度度： 110mVV最大量程： 5000分辨率： 0.04使用频率： 00.512KK恒流电源: DC: 2MMa 4Maa/+115v+288v

46、安装方式: M5信号条理器器：放大： X11 ，XX10，XX1000恒流电压源源: DDC: 2Maa 44Ma/+155v+28vv电压输入范范围： 050VVp频响： 1000Hzz20kkHz（隔隔直）低通滤波 转折频频率： 1000Hz、2000Hz、5000Hz、1kHHz、2kHHz、5kHHz、10kkHz、20kkHz8档衰减速率： -1140ddB/ooct电压增益： 1、10、1000 、10000五五档测量误差： 22%失真度： 1%噪声： 220uVVRMSS供电电压： ACC 2220V10%50HHz工作环境 工作温温度： -100 +500工作湿度： 855%R

47、HH（无冷冷凝）过荷： 5VVp采集卡AADA116-88/2(LPCCI)： 支持总线： 标准准PCII；Loow PProffilee PCCI功 能： 输入，输输出输入点数： 4点点输出点数： 4点点双向点数： -响应速度： 2000nSSec(maxx.)操作电压： 5VVDC-TTLL内部电源： - -输入回路： 非隔隔离TTTL电平平输入(正逻辑辑)输出回路： 非隔隔离TTTL电平平输出(正逻辑辑) 模拟量输入入输出机机能：支持总线： 标准准PCII；Loow PProffilee PCCI功 能： 输入，输输出输入路数： 单端端连接 8通道道输出路数： 2通通道精 度： 16位位

48、A/D 变变换： 10Secc/chh(maax.)D/A 变变换： 10Secc(maax.)采集软件： 信信号采集集、实时时显示、信信号保存存本实验数据据采集系系统如图图3.44所示，振振荡信号号通过传传感器（加加速度传传感器）经经过恒流流电压源源（多通通道电压压源）以以后，信信号采集集仪会对对振荡信信号进行行调理滤滤波，最最后通过过数据采采集仪的的数据采采集箱进进入计算算机系统统，等待待计算机机采集软软件的处处理和分分析.图3.4数数据采集集系统3.2实验验方案3.2.11轴承的的故障状状态 本本实验主主要是针针对滚动动轴承的的三种典典型故障障进行模模拟实验验：外圈圈损伤，内内圈损伤伤，

49、滚动动体损伤伤。本实实验分别别对三个个滚动轴轴承的外外圈，内内圈，滚滚动体进进行人为为破坏，用用电火花花加工在在轴承的的相应部部位进行行破坏。如如下图所所示： 图3.55外圈破破损 图图3.66内圈破破损 图3.7滚珠珠破损3.2.22实验步步骤1）安装试试验平台台，连接接数据采采集系统统，对整整个系统统进行调调试，校校正系统统本身不不平衡，轴轴不对中中，轴弯弯曲，松松动等故故障，减减少各种种振动信信号对滚滚动轴承承振动信信号的影影响。2）安装有有不同故故障的滚滚动轴承承，对滚滚动轴承承的三种种典型故故障进行行实验：内圈损损伤，外外圈损伤伤，滚动动体损伤伤，并采采集相应应振动信信号。3) 对对

50、采集的的信号进进行数据据分析和和故障诊诊断识别别。具体流程如如下图所所示：第4章 实实验的操操作过程程及数据据的提取取本章主要介介绍试验验完成的的具体步步骤和过过程，详详细说明明信号的的采集过过程和特特征参数数的提取取过程。利利用所得得特征参参数对轴轴承故障障进行识识别，通通过前后后比较可可以看出出轴承属属于哪种种故障的的可能性性较大。本本文定义义N正常轴轴承，OO为外圈圈损伤轴轴承，II为内圈圈损伤轴轴承，EE为滚动动体损伤伤轴承。本本文采用用的数据据分析和和处理均均是作者者利用江江苏千鹏鹏公司研研发的软软件完成成的。4.1装拆拆轴承4.1.11实验前前期准备备根据设备操操作说明明书，再再结

51、合本本人现有有知识，下下面仅把把本人的的操作过过程叙述述一下！开始工作前前要确认认以下事事项，使使其处于于工作的的初始状状态，制动器器的电源源处于OOFF状状态，再关闭粗调调旋钮，使使部件套套上护罩罩，底座调调成0度度位置，最最后把螺螺母松的的拧紧。4.1.22试机进行如下检检查：1）各螺栓栓，螺钉钉松动没没有？2）电机绝绝缘电阻阻是否合合适？（电电压5000V罩罩欧表，电电阻大于于20MM为正常常） 3）各部分分布线有有没有错错误？4）作空载载运行，看看旋转方方向是否否正确？5）作短时时间12个小小时运行行，检查查机械的的振动，噪噪音及温温升情况况，如果果有什么么异常，马马达进行行单独运运行

52、，查查找问题题是出在在马达侧侧还是机机械侧？把原因因弄清楚楚。4.1.33拆卸并并安装轴轴承关闭主电路路电源，做如下步骤：1)把检测测端轴承承座处的的轴承外外圈压盖盖螺栓松松开，拆拆下轴承承外圈压压盖。图4.1拆拆下外圈圈压盖图图 2)取出轴轴承外圈圈；把外圈盖上上的四个个螺栓松松开，取取出轴承承外圈。图4.2取取出轴承承外圈图图3)把轴承承内圈压压盖处的的螺栓松松开，拆拆下压盖盖；4)把轴承承的内圈圈部分取取下；图4.3取取下内圈圈后的图图5)换上有有缺陷的的轴承；6)把前面面拆下的的部件按按顺序装装上；7)接通主主电路电电源，把把装置开开动起来来。4.2信号号的采集集过程4.2.11前期准

53、准备1）先关闭闭电源，防防止操作作时触电电。2）把传感感器和采采集装置置连接好好。3）取下传传感器上上的拨片片，放在在装有轴轴承的待待测部位位。 图4.4传传感器的的放置4）打开电电源，开开启数据据采集仪仪和电脑脑，进入入采集信信号界面面。图4.5数数据采集集仪本文模拟了了轴承故故障中的的三种故故障方式式：外圈圈磨损，内内圈磨损损，以及及滚珠磨磨损，在在这里作作者以外外圈磨损损的采集集过程为为例，说说明要点点，其他他故障形形式以此此类推！4.2.22数据采采集过程程1）进入数数据采集集系统 图图4.66采集系系统界面面创建测试目目录并选选择好测测试点以以便数据据储存。2）进入采采集画面面图4.

54、7采采集信号号图本文中所用用到的数数据采集集仪有四四个传输输通道，本本实验为为了方便便后期处处理，只只用了两两个通道道。特此此说明！3）储存存测量数数据，为为了后期期处理做做准备。 4）根据据所侧数数据通过过软件得得出各种种情况下下时域波波形进入信号号处理界界面 图图4.88信号处处理界面面图调入已储储存好的的测点数数据，得得出时域域波形图图图4.99正常轴轴承的时时域波形形图图4.100外圈破破损的时时域波形形图图4.111内圈圈破损的的时域波波形图图4.112滚动动体破损损的时域域波形图图4.3数据据信号的的处理过过程前面我们已已经通过过拆装故故障齿轮轮和测量量信号得得出了实实验数据据，现在在我们可可以通过过江苏千千鹏公司司给出的的数据处处理软件件得出我我们想要要的十个个特诊参参数，并并且可以以得到参参数的DDI值和和DR值值，通过过该值，可可以体现现该软件件的优越越性。并并且DII和DR值越越高，参参数的诊诊断性就就越强！为了方便各各位老师师阅读，理理解和把把问题说说清楚，在在这里作作者把操操作过程程叙述如如下：1）进入软软件诊断断界面，选选择特征征参数诊诊断2）选择基基准数据据图4.113调入入基准数数据图基准数据就就是正常常轴承测测点数据据，用它它和非