【畢業(yè)學(xué)位論文】(Word原稿)滾動(dòng)軸承早期故障特征提取與智能診斷技術(shù)研究-交通運(yùn)輸（機(jī)務(wù)工程）

編號(hào) 南京航空航天大學(xué) 畢業(yè)論文 題 目 滾動(dòng)軸承早期故障特征提取 與智能診斷技術(shù)研究 學(xué)生姓名 吳志偉 學(xué) 號(hào) 070430120 學(xué) 院 民航學(xué)院 專 業(yè) 交通運(yùn)輸（機(jī)務(wù)工程） 班 級(jí) 0704301 指導(dǎo)教師 陳果 副教授 二 八年六月 南京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目： 滾動(dòng)軸承早期 故障特征提取與智能診斷技術(shù)研究 ）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號(hào)）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 I 滾動(dòng)軸承早期故障特征提取與智能診斷技術(shù)研究 摘要 滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械零件，也是最易損壞的元件之一。近年來，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)在國內(nèi)外得到了較大的發(fā)展，在國民生產(chǎn)中起到了重大的作用。本文引入小波 分析方法，從滾動(dòng)軸承外部振動(dòng)信號(hào)中獲取故障特征信息，有效地實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承的故障診斷。 首先，介紹了滾動(dòng)軸承故障診斷的意義及基于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷的必要性。 其次，介紹滾動(dòng)軸承振動(dòng)機(jī)理和共振解調(diào)原理，得到利用軸承外表面振動(dòng)信號(hào)對機(jī)器進(jìn)行不解體故障診斷是可行的，并分析了各種故障振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，為滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷提供了理論依據(jù)。 再次，引入小波分析方法，重點(diǎn)講解離散小波變換的基本原理。 然后，結(jié)合小波變換的基本原理，討論了滾動(dòng)軸承故障診斷的應(yīng)用與研究。主要內(nèi)容為滾動(dòng)軸承內(nèi)圈，外圈，滾動(dòng)體故障的診斷。 最后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過必要的分析得出研究結(jié)論。 關(guān)鍵詞 ： 滾動(dòng)軸承，共振解調(diào)，故障特征，小波分析，故障診斷 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 is is in it is of In of in it an in In by At of is of on is of of It is to of to is at of is of is of s At to we 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 錄 摘要 . I . 一章 引 言 . 1 動(dòng)軸承故障診斷的意義和內(nèi)容 . 1 動(dòng)軸承故障診斷的意義 . 1 動(dòng)軸承故障診斷的內(nèi)容 . 2 于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷的必要性 . 3 動(dòng)信號(hào)的分析方法種類 . 3 波分析方法的優(yōu)點(diǎn) . 5 文主要研究內(nèi)容 . 5 第二章 滾動(dòng)軸承故障診斷機(jī)理及共振解調(diào)原理 . 7 . 7 動(dòng)軸承故障分類 . 7 動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷 . 8 動(dòng)軸承振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理 . 8 動(dòng)軸承各故障的振動(dòng)特征 . 9 振解調(diào)原理 . 10 第三章 小波分析 . 12 . 12 . 12 . 13 . 15 第四章 基于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷的應(yīng)用研究 . 17 動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡介 . 17 動(dòng)軸承故障模擬分析 . 18 動(dòng)軸承外環(huán)上有單個(gè)損傷點(diǎn)的理論模型 . 18 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 滾動(dòng)軸承內(nèi)環(huán)上有單個(gè)損傷點(diǎn)的理論模型 . 21 動(dòng)軸承單個(gè)滾動(dòng)體上有單個(gè)損傷點(diǎn)的理論模型 . 24 于小波分析的滾動(dòng)軸承故障特征提取 . 27 . 27 . 31 . 33 第五章 總結(jié)與展望 . 35 論 . 35 望 . 35 參考文獻(xiàn) . 36 致謝 . 37 附錄 1滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)界面 . 38 附錄 2 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng) . 39 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 1 第一章 引 言 動(dòng)軸承故障診斷的意義和內(nèi)容 動(dòng)軸承故障診斷的意義 隨著時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)逐漸向生產(chǎn)設(shè)備大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化方向發(fā)展，在提高生產(chǎn)率，降低成本，節(jié)約能源和人力，減少廢品率，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有很大的優(yōu)勢。但從另一方面來看，由于機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障而造成的損失卻成比例的增加，維修費(fèi)用也隨之大幅度的上升。另外，某些現(xiàn)代尖端設(shè)備或結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生故障還可能導(dǎo)致重大事故。如前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站爆炸，美國“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)失事等，都是 近代設(shè)備重大事故中的典型 1。 隨著工程設(shè)備自動(dòng)化程度提高，其結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，就會(huì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，以致整個(gè)設(shè)備損壞，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)危及人身安全。工程實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到，要使設(shè)備可靠、有效地運(yùn)行，充分發(fā)揮其效益，必須發(fā)展工程監(jiān)測和故障診斷技術(shù)。提高可靠性的途徑一方面是提高產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面就要監(jiān)測產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測發(fā)展趨勢，盡可能把故障消滅在萌芽狀態(tài)。 故障診斷技術(shù)為保障設(shè)備安全運(yùn)行、對設(shè)備故障的發(fā)展作出早期預(yù)報(bào)、對出現(xiàn)故障的原因作出判斷并提出對策、建議，為實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)行 的“定期維修”向更合理的“預(yù)測維修”的轉(zhuǎn)變提供了條件。這種技術(shù)在能源、石化、交通、冶金、電子、軍事等許多重要領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用。 滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用機(jī)械部件。它的運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響到整臺(tái)機(jī)器的性能 (包括精度、可靠性及壽命等 )。與別的機(jī)械零部件相比，滾動(dòng)軸承有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是其壽命的離散性很大。由于軸承這一特點(diǎn)，在實(shí)際使用中就出現(xiàn)這樣一種情況，即有的軸承已大大超過設(shè)計(jì)壽命而依然完好地工作，基于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷方法的研究及應(yīng)用而有的軸承遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè) 計(jì)壽命就出現(xiàn)各種故障。所以，如果按照設(shè)計(jì)壽命對軸承進(jìn)行定期維修，一方面，會(huì)對超過設(shè)計(jì)壽命而完好工作的軸承拆下來作 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 2 為報(bào)廢處理，造成浪費(fèi) ;另一方面，未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命而出現(xiàn)故障的軸承或者堅(jiān)持到定期維修時(shí)拆下來報(bào)廢，使得機(jī)器在軸承出現(xiàn)故障后和拆下前這段時(shí)間內(nèi)工作精度下降，或者未到維修時(shí)間就出現(xiàn)嚴(yán)重故障，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器出現(xiàn)嚴(yán)重事故。由此看來，對重要用途的軸承來說，定期維修是不科學(xué)的，要進(jìn)行工況監(jiān)視與故障診斷，減少或杜絕事故的發(fā)生，而且可以最大限 度地發(fā)揮軸承的工作潛力，節(jié)約開支。因此，滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)視與故障診斷具有重要 意義，引起了國內(nèi)外許多科技人員的重視。 動(dòng)軸承故障診斷的內(nèi)容 滾動(dòng)軸承故障診斷的目的是保證軸承在一定的工作環(huán)境 (承受一定的載荷，以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)等 )下和一定的工作期間 (一定的壽命 )內(nèi)可靠有效地運(yùn)行，以保證整個(gè)機(jī)器的工作精度。與此目的相適應(yīng)，軸承故障診斷就要通過對能夠反映軸承工作狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行觀測、分析和處理來識(shí)別軸承的狀態(tài)。所以，從一定程度上說，軸承故障診斷就是軸承的狀態(tài)識(shí)別。 軸承故障診斷過程如圖 包括以下 5方面內(nèi)容 : 信號(hào)測取根據(jù)軸承的工作環(huán)境和性質(zhì)， 選擇并測取能夠反映軸承工作情況或狀態(tài)的信號(hào)； 特征提取從測取的信號(hào)中以一定的信號(hào)分析與處理方法抽取出能夠反映軸承狀態(tài)的有用信息； 圖 備診斷過程 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 3 狀態(tài)識(shí)別根據(jù)征兆以一定的狀態(tài)識(shí)別方法識(shí)別軸承的狀態(tài)，即簡單地判斷軸承工作是否有故障； 狀態(tài)分析根據(jù)征兆，進(jìn)一步分析有關(guān)狀態(tài)的情況及其發(fā)展趨勢 :當(dāng)軸承有故障時(shí)，詳細(xì)分析故障類型、性質(zhì)、部位、產(chǎn)生原因與趨勢等； 決策干預(yù)根據(jù)軸承狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，作出決策，如調(diào)整、控制、維修或繼續(xù)監(jiān)視等。 于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷的必要性 動(dòng)信號(hào)的分析方法種類 （ 1） 平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù) 1） 平穩(wěn)信號(hào)的 分析技術(shù) 目前振動(dòng)信號(hào)分析工程上常用的信號(hào)處理方法是 譜分析。在對軸承的故障診斷中 ,將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 ,查看譜圖中有無明顯的故障頻率譜峰存在 ,從而可以判斷軸承是否好。這種方法具有很大的局限性 ,診斷出來的軸承一般都已有較嚴(yán)重的損害 ,并且對軸承早期故障的分析不夠靈敏。 2） 平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)間序列分析 對于直接進(jìn)行頻譜分析比較困難的情況 ,如采集的信號(hào)序列較短 ,或者 換不能將相互靠近的兩個(gè)頻率分開 ,采用時(shí)間序列分析 (也稱參數(shù) 模型的譜分析 ) 是一種較好的方法。常用的時(shí)間序列模型有 型、 型以及 3） 平穩(wěn)信號(hào)的其他分析方法 采集到的軸承振動(dòng)信號(hào) ,不可避免地會(huì)受到噪聲的污染。為提高信噪比 ,還發(fā)展了其他一些方法 ,如時(shí)域平均方法 ,倒頻譜分析 ,包絡(luò)分析等。時(shí)域平均方法也稱相干檢波 ,主要原理是以一定的時(shí)間間隔對所測得的信號(hào)進(jìn)行分段 ,然后將各信號(hào)段進(jìn)行疊加再平均 ,這樣可以在一定程度上消除信號(hào)中的隨機(jī)干擾和非周期成分 ,從而提取出信號(hào)中的周期成分。采用倒頻譜分析技術(shù) ,可以對存在幅值調(diào)制的軸承故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。倒頻譜 分析具有譜線定位準(zhǔn)確、幅值突出和能識(shí)別因信號(hào)調(diào)制引起的功率譜中的周期分量并診斷出調(diào)制源的特點(diǎn) 2 。與傳統(tǒng)的 析方法不同 ,包絡(luò)分析是在頻譜分析之前對信號(hào)進(jìn)行濾波檢波分析 ,從而只提取附載在高頻信號(hào)上的調(diào)制信號(hào)。因此包絡(luò)分析技術(shù)可以有效地排除噪聲干擾 ,提高信噪比 ,診斷出 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 4 軸承磨損、裂紋、點(diǎn)蝕等故障 3 。實(shí)踐證明 ,利用包絡(luò)分析、倒頻譜技術(shù)可以準(zhǔn)確地判斷軸承缺陷的部位及損傷程度。 （ 2） 現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù) 1） 循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù) 循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)是一種特殊的非平穩(wěn)信號(hào) ,其統(tǒng)計(jì)特征參量隨時(shí)間呈現(xiàn)出周期或多 周期的變化規(guī)律。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生損傷故障時(shí) ,損傷部件在運(yùn)轉(zhuǎn)中都會(huì)在相接觸的零件間產(chǎn)生周期性的脈沖力 ,使觀測到的振動(dòng)信號(hào)明顯包含有周期成分。這種周期性的振動(dòng)信號(hào)具有循環(huán)平穩(wěn)特性。目前 ,循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)分析方法已開始應(yīng)用于設(shè)備故障診斷領(lǐng)域 ,并取得了一些卓有成效的結(jié)果4。姜明等 5在二階循環(huán)平穩(wěn)理論的基礎(chǔ)上 ,將時(shí)間平滑周期圖法應(yīng)用到實(shí)測軸承振動(dòng)信號(hào)的分析與診斷中 ,通過與經(jīng)典的功率譜分析方法相比較 ,證明循環(huán)周期圖能夠快速有效地識(shí)別出軸承的故障。李力等 6討論了二階統(tǒng)計(jì)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)特性 ,基于調(diào)幅和調(diào)頻信號(hào)模型推導(dǎo)出循 環(huán)域解調(diào)方法 ,通過掃描循環(huán)頻率域使調(diào)制源 (故障 ) 信息解調(diào)在循環(huán)域的低頻段和高頻段 ,利用高頻段無調(diào)制源交叉相的特點(diǎn) ,有效地提取出軸承外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體的故障特征。秦愷等 7針對軸承故障信號(hào)含有調(diào)幅成分的特點(diǎn) ,提出并討論了利用譜相關(guān)密度來提取軸承故障特征的方法。王鋒等 8采用小波包原理對一組仿真得到的軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu) ,再計(jì)算其循環(huán)譜密度 ,可解調(diào)出所有的調(diào)制源頻率 ,并能有效抑制噪聲和干擾信號(hào)對解調(diào)結(jié)果的影響 ,提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。因此 ,循環(huán)平穩(wěn)分析方法利用振動(dòng)信號(hào)的周期時(shí)變特性來分析軸承的運(yùn)行狀態(tài) ,可 以更加貼切反映出軸承的真實(shí)狀況 ,揭示故障的本質(zhì)特征。 2） 其他非平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù) 時(shí)頻信號(hào)分析 對非平穩(wěn)信號(hào)而言 ,換不再是有效的數(shù)學(xué)分析工具 ,因?yàn)樗切盘?hào)的全局變換 ,而信號(hào)的局部性能的分析必須依靠信號(hào)的局部變換。信號(hào)的局部性能需要使用時(shí)域和頻域的二維聯(lián)合表示 ,因此常將非平穩(wěn)信號(hào)的二維分析稱為時(shí)頻信號(hào)分析。 的專著 9 系為研究非平穩(wěn)信號(hào)的經(jīng)典著作 ,詳細(xì)敘述了時(shí)變頻譜在時(shí)頻平面上的分布特性、計(jì)算方法、尺度表示以及各種算子問題等。孟慶豐等 10描述了振動(dòng)信號(hào)分析時(shí)頻域法 ,證 明了時(shí)頻域法是識(shí)別軸承故障的有效方法。研究表明 ,短時(shí) 和 布都能將時(shí)域信號(hào)變換到時(shí)頻域 ,但是對于時(shí)變信號(hào) ,應(yīng)用 布更為適宜。黃迪山等 11根據(jù)非平穩(wěn)帶通信號(hào)的特點(diǎn) , 改進(jìn)了 布算法 ,克服了由離散計(jì)算引起的混疊問題 ,應(yīng)用二維、三維 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 5 布圖對軸承故障進(jìn)行了特征分析。 小波分析 小波分析是最近幾年才出現(xiàn)并得以應(yīng)用和發(fā)展的一種時(shí) 頻信號(hào)分析方法。 等 12采用連續(xù)小波變換 (的方法 ,通過各尺度連續(xù)小波 變換的簡化分析 ,來識(shí)別軸承振動(dòng)信號(hào)中包含的以故障特征頻率為周期的周期成分 ,用來檢測軸承運(yùn)行中的局部損傷故障。 G 等 13提出了使用小波包變換 (作為分析系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)的工具 ,來診斷軸承的局部缺陷。結(jié)果表明 ,小波包變換能有效地提取振動(dòng)信號(hào)的微弱瞬態(tài)特征。張中民等 14提出了基于正交小波變換診斷軸承故障的新方法。利用正交小波基將軸承故障振動(dòng)信號(hào)變換到時(shí)間 尺度域 ,對高頻段尺度域的小波系數(shù)進(jìn)行包絡(luò)細(xì)化譜分析 ,不僅能檢測到軸承故障的存在 ,而且能有效地識(shí)別軸承的故障模式。史東鋒等 15提出了基于高斯函數(shù)的小波包絡(luò)解調(diào)分析方法。該方法能將各共振響應(yīng)頻帶的調(diào)制頻率提取出來 ,進(jìn)一步采用包絡(luò)譜熵選擇最優(yōu)尺度來監(jiān)測軸承缺陷的發(fā)生和發(fā)展過程。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證 ,該方法能準(zhǔn)確地檢測出軸承外圈、內(nèi)圈及鋼球局部缺陷。張中民等 16利用小波分析技術(shù)將軸承故障振動(dòng)信號(hào)分解到時(shí) 頻空間 ,定義了軸承故障振動(dòng)信號(hào)能量分布函 數(shù) S(t)，提出了利用能量分布函數(shù) S(t)細(xì)化譜診斷 變速箱軸承故障的分析方法。張佩瑤等 17提出了提取強(qiáng)噪聲背景下多通帶窄帶信號(hào)的一種新方法 小波包信號(hào)提取算法。它是利用小波包絡(luò)信號(hào)按任意時(shí)頻分辨率 (滿足測不準(zhǔn)原理 ) 分解到不同頻段的特點(diǎn)而提出的 ,并以仿真結(jié)果和軸承的故障診斷說明了該算法的有效性。 波分析方法的優(yōu)點(diǎn) 由于它具有時(shí)域和頻域的局部化和可變時(shí)頻窗的特點(diǎn) ,用它分析非平穩(wěn)信號(hào)比傳統(tǒng)的傅里葉分析具有更為顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于軸承的故障信號(hào)中含有非穩(wěn)態(tài)成分 ,所以用小波分析來處理其振動(dòng)信號(hào) ,可望獲得更為有效的診斷特征信息。它可以分析瞬變信號(hào)，可以觀察到信號(hào)的局部特征頻率特性以及局部特征頻率隨時(shí)間的演變。 文主要研究內(nèi)容 由于小波變換具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以本文主要采用小波變換來進(jìn)行滾 動(dòng)軸承的故障診斷。小波變換中的連續(xù)小波變換的概念及其公式，往往只適用于理論的分析和推導(dǎo)。由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上基本采用了數(shù)字處理模式，因此，連續(xù)小波變換必須進(jìn)行離散化，以適合于數(shù)字計(jì)算 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 6 機(jī)的處理。而且，離散化最主要原因還在于：連續(xù)小波變換系數(shù)是高度冗余的，要試圖通過離散化，最大程度上消除和降低冗余性 18。基于以上原因，本文將主要以一維離散小波變換進(jìn)行分析。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 7 第二章 滾動(dòng)軸承故障診斷機(jī)理及共振解調(diào)原理 動(dòng)軸承的故障 動(dòng)軸承故障分類 （ 1） 磨損失效 這是滾動(dòng)軸承常見的一種失效形式， 是軸承滾道、滾動(dòng)體、保持架、座孔或安裝軸 承的軸頸，由于機(jī)械原因引起的表面磨損。一般來說軸承表面磨損后產(chǎn)生的振動(dòng)同正常 軸承的振動(dòng)具有相同的性質(zhì)，即兩者的波形都是無規(guī)則的，隨機(jī)性較強(qiáng)。但磨損后的振 動(dòng)水平（幅值）明顯高于正常軸承，因此對這種故障診斷的方法常常是監(jiān)測振動(dòng)信號(hào)的 有效值和峰值，如果明顯高于正常軸承，即判定為磨損。 （ 2） 疲勞失效 這是滾動(dòng)軸承另一種常見的失效形式，滾動(dòng)軸承的內(nèi)外滾道和滾動(dòng)體表面既承受載 荷又相對滾動(dòng)，由于交變載荷的作用，首先在表面下一定深度處（最大剪應(yīng)力處）形成 裂紋，繼而擴(kuò)展 到接觸表面使表層發(fā)生剝落或脫皮。 （ 3） 腐蝕失效 軸承零件表面的腐蝕是由下面三種原因造成的：潤滑油、水分或濕氣的化學(xué)腐蝕； 軸承表面間有較大電流通過造成電腐蝕；軸承套環(huán)在座孔中或軸頸上產(chǎn)生微小相對 運(yùn)動(dòng)而造成的微振腐蝕。 （ 4）斷裂失效 過載運(yùn)行可能會(huì)引起軸承零件斷裂。磨削、熱處理、裝配不當(dāng)會(huì)引起殘余應(yīng)力，工 作時(shí)熱應(yīng)力過大也會(huì)引起軸承零件斷裂。另外，裝配方法、裝配工藝不當(dāng)，也可能造成 軸承套環(huán)擋邊和滾子倒角處掉塊。 （ 5）壓痕失效 壓痕是在滾道或滾動(dòng)體表面上產(chǎn)生局部變形而出現(xiàn)的凹坑，它既可能是由于 過載、撞擊、也可能是由于裝配敲擊或異物落入滾道而形成。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 8 （ 6）膠合失效 膠合指滾道和滾動(dòng)體表面由于受熱而局部熔合在一起的現(xiàn)象。常出現(xiàn)在高速、高溫、重載、潤滑不良、起動(dòng)加速度過大等情況下。 (7）保持架損壞 由于裝配或使用不當(dāng)可能會(huì)引起保持架變形，增加它與滾動(dòng)體之間的摩擦，甚至使某些滾動(dòng)體卡死不能滾動(dòng)，也有可能造成保持架與內(nèi)外環(huán)發(fā)生摩擦等。這一損傷會(huì)進(jìn)一步使振動(dòng)噪聲與發(fā)熱加劇導(dǎo)致軸承損壞。 動(dòng)軸承故障的振動(dòng)診斷 軸承系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于各種原因而產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)十分復(fù)雜。一般來說，通過安裝在軸承座上的傳感器所拾取的振動(dòng)信號(hào)是一寬帶信號(hào)，且隨機(jī)性比較強(qiáng)。引起軸承振動(dòng)的激勵(lì)是多方面的，就軸承本身而言，產(chǎn)生激勵(lì)的原因有：軸承各元件的制造誤差（尺寸和形位誤差，如表面波紋、不圓、滾動(dòng)體大小不一致等）；裝配誤差（如不對中，不平衡等）；運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障（如疲勞點(diǎn)蝕、剝落、裂紋、磨損、潤滑不良等）。不同的原因，對軸承系統(tǒng)的激勵(lì)是不同的。例如，由于疲勞點(diǎn)蝕或剝落等軸承表面元件損傷引起的激勵(lì)是沖擊性質(zhì)的；由于各元件表面波紋引起的激勵(lì)近似正弦激勵(lì)。由于激勵(lì)不同（即故障形式不同），軸承系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)也 不同。所以，振動(dòng)信號(hào)作為軸承故障信息的載體，理論上可通過對軸承振動(dòng)信號(hào)的分析與處理診斷出軸承的所有故障類型。但事實(shí)上，通過安裝在軸承座上的傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)除反映有關(guān)軸承本身的工作情況的信息外，也包含了大量的機(jī)械中其它運(yùn)動(dòng)部件和結(jié)構(gòu)的信息，這些信息對于研究軸承本身的工況與故障來說，屬于背景噪聲。由于實(shí)際中背景噪聲比較大，滾動(dòng)軸承故障所特有的信息往往淹沒在背景噪聲里，很難被發(fā)現(xiàn)和提取出來。因此本文尋找一種能從強(qiáng)背景噪聲中提取有用信號(hào)的方法小波分析法，達(dá)到降噪、提取信號(hào)特征的目的，從而進(jìn)行故障診斷。 動(dòng)軸承振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理 根據(jù)軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工裝配誤差及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障等內(nèi)部因素，以及傳動(dòng)軸上其它零部件的運(yùn)動(dòng)和力的作用等外部因素，當(dāng)軸以一定的速度并在一定的載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對軸承和軸承座或外殼組成的振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)，使該系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。如圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 9 動(dòng)軸承各故障的振動(dòng)特征 首先介紹滾動(dòng)軸承各元件單一缺陷的特征頻率 保持架： 1 1 c o 0(內(nèi) 圈： 1 c o 0iZ n (外圈：0 1 c o 0Z n （ 滾動(dòng)體： 21 c o 0 （ 式中： n 軸承所在軸的轉(zhuǎn)速 ,單位：轉(zhuǎn) /分鐘 d 軸承滾動(dòng)體直徑 ,單位： 軸承節(jié)圓直徑 ,單位： 軸承接觸角 ,單位：弧度 Z 滾子數(shù) (1) 軸承嚴(yán)重磨損引起偏心時(shí)的振動(dòng) 在使用過程中由于發(fā)生嚴(yán)重磨損而使軸承偏心時(shí) ,軸的中心將產(chǎn)生振擺 ,振動(dòng)頻率為 其中 軸旋轉(zhuǎn)頻率。 (2) 內(nèi)環(huán)有缺陷時(shí)的振動(dòng) 圖 動(dòng)軸承振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 10 當(dāng)內(nèi)環(huán)某個(gè)部分存在剝落、裂紋、壓痕、損傷等缺陷時(shí)，振動(dòng)頻率為 其高次諧波 23 。 由于軸承通常有徑向間隙而使振動(dòng)受到軸旋轉(zhuǎn)頻率 滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率 調(diào)制。 (3) 外環(huán)有缺陷時(shí)的振動(dòng) 當(dāng)外環(huán)有缺陷時(shí)，軸承的振動(dòng)頻率為 0f 及其高次諧波 2 0f ， 3 0f ， 。與內(nèi)環(huán)缺陷振動(dòng)特征不同的是，由于此時(shí)缺陷的位置與承載方向相對位置固定，故不會(huì)發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象。 (4) 滾動(dòng)體有缺陷時(shí)的振動(dòng) 當(dāng)滾動(dòng)體上有缺陷時(shí)，振動(dòng)頻率為 其高次諧波 2 3 。和內(nèi)環(huán)有缺陷時(shí)情況相同，由于通常存在軸承徑向間隙，使振動(dòng)受到滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率 調(diào)制。 振解調(diào)原理 滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈滾動(dòng)體等元件表面在運(yùn)行過程中易發(fā)生局部損傷 (如點(diǎn)蝕、剝落、裂紋、擦傷等 )，此類損傷與缺陷故障必然會(huì)引起運(yùn)動(dòng)沖擊。但由于沖擊持續(xù)時(shí)問短，能量發(fā)散的頻域范圍廣，落在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的能量分量很小，因此，若直接對包含故障沖擊的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析并據(jù)此診斷軸承故障，就可能出現(xiàn)雖已發(fā)生故障但頻譜圖上卻反映不出來的現(xiàn)象。共振是一種常見物理現(xiàn)象，即當(dāng)外加激振力等于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)的振幅將達(dá)到最大值。采用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承損傷類故障的基本原理 (見圖 描述如下 :當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)行過程中將與其它元件表面發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生能量集中的沖擊脈沖力。由于沖擊脈沖力的頻帶較寬，其中必然包含軸承外圈、傳感器、附加諧振器等各自固有頻率激發(fā)的相應(yīng)的高頻固有振動(dòng)?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對象，利用其中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有振動(dòng)分離出來，然后通過包絡(luò)檢波器去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)，通過對這一包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析即可診斷出軸承故障。 圖 共振解調(diào)故障診 斷原理示意圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 11 共振解 調(diào)故障診斷技術(shù)又稱為早期故障檢測 ( 術(shù)，它是利用共振解調(diào)原理對沖擊故障進(jìn)行檢測診斷。由于可有效利用滾動(dòng)軸承的特有信息，因此具有很高的靈敏度和可靠性。該技術(shù)具有以下特點(diǎn) :(1)共振解調(diào)波與故障沖擊存在一一對應(yīng)關(guān)系，有故障才有譜線，無故障則無譜線。（ 2）共振解調(diào)幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比，因此可度量故障大小。（ 3）抗低頻振動(dòng)干擾性好，信噪比高。由于選用了高頻諧振器，使時(shí)域共振波頻率遠(yuǎn)高于振動(dòng)頻率及其有限的高頻諧波頻率，從而可方便地分離出強(qiáng)大的“低 頻”成分，使共振解調(diào)具有良好的信噪比。（ 4）中擊故障頻率呈現(xiàn)多階性。 實(shí)施共振解調(diào)故障診斷的主要手段是對共振解調(diào)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換。共振解調(diào)技術(shù)“無故障即無譜線”擴(kuò)故障頻率呈多階性”等特點(diǎn)為簡化故障診斷步驟以及自動(dòng)診斷軟件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。采用共振解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障診斷的基本環(huán)節(jié)如圖 圖 振解調(diào)法故障診斷的基本環(huán)節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 12 第三章 小波分析 波分析概述 小波分析是調(diào)和分析這一數(shù)學(xué)領(lǐng)域半個(gè)世紀(jì)以來的工作結(jié)晶，已經(jīng)和必將廣泛地應(yīng)用于信號(hào)處理、圖像處理、量子場論、地震勘探、語音識(shí)別與合成、機(jī)械故障診斷與 監(jiān)控以及數(shù)字電視等技術(shù)領(lǐng)域。原則上講，傳統(tǒng)上使用傅立葉變換的地方，都可以用小波分析方法來代替。小波分析方法實(shí)質(zhì)上是一種窗口大小固定但其時(shí)頻窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率。正是這種特性，使小波分析具有對信號(hào)的自適應(yīng)性。 人耳是一個(gè)智能聽覺系統(tǒng)，在一個(gè)相對嘈雜的環(huán)境中，兩個(gè)人交談可以較清楚地聽見對方的聲音而基本不受環(huán)境噪聲的影響，這說明人耳在聽音過程中可以針對自己感興趣的頻帶進(jìn)行自適應(yīng)智能濾波。 從信號(hào)與系統(tǒng) 分析的角度來看，小波分析相當(dāng)于用一族帶通濾波器對信號(hào)進(jìn)行濾波，這族濾波器的特點(diǎn)是在于其 心頻率 /帶寬）基本相同，即隨著小波變換尺度減少，濾波器的中心頻率向高頻移動(dòng)，其通帶寬度也隨之增加。顯然，小波分析的濾波功能同人耳極其相似。 從泛函分析的角度來看，小波分析是把信號(hào)分解“投影”到由小波函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)空間上，在“投影”過程中，與小波函數(shù)相似的信號(hào)將取得較大的投影值。小波分析的母函數(shù)是一種由衰減的波動(dòng)信號(hào)構(gòu)成的“波包”，小波分析的過程是對整個(gè)“波包”（被分析的信號(hào)）進(jìn)行處理以提取其波形特征，而不是對單個(gè)點(diǎn) 或單個(gè)頻率進(jìn)行處理。它利用了整個(gè)“波包”的能量，因而具有很強(qiáng)的抑制噪聲的能力，在波形的時(shí)域特征被噪聲所淹沒時(shí)，也能獲得良好的識(shí)別效果 19。 波分析的直觀解釋 小波分析理論是建立在實(shí)變函數(shù)、復(fù)變函數(shù)、泛函分析、調(diào)和分析等近代數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 13 上的，這些近代成熟的數(shù)學(xué)理論為小波分析提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。但與此同時(shí)，這些數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用客觀造成了小波理論比較深?yuàn)W影響對其工程意義的把握。 由于小波分析的計(jì)算過程是一個(gè)求內(nèi)積的過程，當(dāng)伸縮因子 a 和平移因子 b 固定時(shí)，其結(jié)果 ( , )a b 表示信號(hào)這一小段與小波函數(shù)的相似程度，這一小段信號(hào)和小波形狀越相似，在這一點(diǎn)的分析結(jié)果 ( , )a b 就越大。隨著 b 不斷增加，相當(dāng)于對信號(hào)的各個(gè)部分都作了比較。如果信號(hào)在位移 b 處有一個(gè)明顯異于其它部分的信號(hào)成分，必然能反映到分析結(jié)果( , )a b 中，而且，如果該奇異成分持續(xù)時(shí)間正好等于此時(shí)小波長度，那么結(jié)果 ( , )a b 中必然有明顯的反映。反過來也說明，此時(shí)，可以監(jiān)測信號(hào)中 和小波函數(shù)尺度接近的那部分信號(hào)。如果尺度變換時(shí)，當(dāng)尺度 應(yīng)小波函數(shù)持續(xù)時(shí)間變長，此時(shí)當(dāng) 當(dāng)于在分析信號(hào)中和新尺度接近的信號(hào)部分。下圖 小波函數(shù)在不同尺度下的波形 ,明顯地，尺度越大，說明對信號(hào)的概貌部分越敏感，尺度越小，對信號(hào)的細(xì)節(jié)部分越敏感。換句話說，當(dāng)尺度大時(shí)，分析信號(hào)的低頻部分，尺度小時(shí)，分析信號(hào)的高頻部分。隨著尺度的不斷改變，就完成了對信號(hào)各個(gè)頻帶的分析。 續(xù)小波分析 設(shè) 2( ) ( )t L R ，其傅立葉變換為 () ，當(dāng) () 滿足允許條件（完全重構(gòu)條件或恒等分辨條件）： 2() （ 圖 波函數(shù)在不同尺度下的波形 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 14 時(shí)，我們稱 ()t 為一個(gè)基本小波或母小波。將母函數(shù) ()t 經(jīng)伸縮和平移后得： ,1() , 0a （ 稱為一個(gè)小波序列。其中 對于任意的函數(shù) 2( ) ( )x t L R 的連續(xù)小波變換為 1( , ) ( )X a b x t d （ 其重構(gòu)公式（逆變換）為： 211( ) ( , )t W a b d a d （ 由于基小波 ()t 生成的小波 , ()在小波變換中對被分析的信號(hào)起著觀測窗口的作用，所以 ()t 還應(yīng)滿足一般函數(shù)的約束條件： ()t d t （ 故 () 是一個(gè)連續(xù)函數(shù) 。這意味著，為了滿足完全重構(gòu)條件（式 () 在原點(diǎn)必須等于 0，即 ( 0 ) ( ) 0t d t （ 為了使信號(hào)重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)在數(shù)值上是穩(wěn)定的，除了完全重構(gòu)條件外，還要求小波 ()t 的傅立葉變換滿足下面的穩(wěn)定條件： 2( 2 ) （ 式中， 0 連續(xù)小波變換具有以下重要性質(zhì)： （ 1） 線性性：一個(gè)多分量信號(hào)的小波變換等于各個(gè)分量的小波變換之和。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 15 （ 2） 平移不變性：若 ()小波變換為 ( , )xW a b ， 則 () 的小波變換為 ( , )xW a b （ 3） 伸縮共變性：若 ()小波變換為 ( , )xW a b ， 則 ()小波變換為： 1 ( , )xW c a c （ 4） 自相似性：對應(yīng)不同尺度參數(shù) （ 5） 能量比例性： 2220 ( , ) ( ) T a d C x t d 這說明小波變換后的系數(shù)和原函數(shù)能量有一定的比例關(guān)系。這個(gè)性質(zhì)解釋了用小波變換提取信號(hào)頻帶特征后，其能量和原始信號(hào)有一 定的關(guān)系，從而可以通過研究變換后的信號(hào)能量來反映原始信號(hào)能量。 （ 6） 冗余性：連續(xù)小波變換中存在信息表述的冗余度（ 小波變換的冗余性事實(shí)上也是自相似性的反映，它主要表現(xiàn)在以下兩方面： 由連續(xù)小波變換恢復(fù)原信號(hào)的重構(gòu)公式不是唯一的。也就是說，信號(hào) ()小 波變換與小波重構(gòu)不存在一一對應(yīng)關(guān)系，而傅立葉變換與傅立葉反變換是一一對應(yīng)的。 小波變換的核函數(shù)即小波函數(shù) , ()存在多可能的選擇。 散小波分析 由連續(xù)小波變換特點(diǎn)可知，當(dāng)一信號(hào)經(jīng)小波變換后，其在 應(yīng)用角度（比如：壓縮數(shù)據(jù)或節(jié)約計(jì)算量）看，希望只在一些離散尺度和位移值下計(jì)算小波變換，而又不致丟失信息。需要強(qiáng)調(diào)指出的是這里離散化都是針對連續(xù)的尺度參數(shù) b，而不是針對時(shí)間變量 t。本文應(yīng)用的就是離散小波分析的方法。 在連續(xù)小波變換中，考慮函數(shù) 1 2, ()ab a （ 這里， b R,a R,且 a 0，是容許的，為方便起見，在離散化中，總限制 a 只取正值，這樣相容性條件就變?yōu)椋?畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 16 0() （ 通常，把連續(xù)小波變換中尺度參數(shù) a 和平移參數(shù) b 的離散化公式分別取作 0 ，這里 ，擴(kuò)展步長 0 1a 是固定值，所以對應(yīng)的離散小波變換函數(shù) , () 變換具有如下形式：即可寫作 0022, 0 0 0 00()k a bt a a a t k (而離散小波變換則可表示為： ,( , ) ( ) ( )x j j k x t t d t (重構(gòu)公式為： ,( ) ( , ) ( )x j t C W T j k t (其中， 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 17 第四章 基于小波分析的滾動(dòng)軸承故障診斷的應(yīng)用研究 動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡介 本文采用 美國 氣工程實(shí)驗(yàn)室的滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái) 的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括一個(gè) 2馬力的電動(dòng)機(jī)（圖中左邊），一個(gè)扭矩傳感器 /譯碼器（圖中間），一個(gè)功率測試計(jì)（圖中右邊），還有電子控制器（圖中沒顯示）。 軸承的損傷是用電火花加工的單點(diǎn)損傷，損傷直徑分為 米的損傷， 米的損傷。由于外圈損傷的位置是相對固定的，因此損傷點(diǎn)相對于軸承負(fù)荷區(qū)的不同位置對電動(dòng)機(jī) /軸承系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)有直接的影響。為了量化這種影響，驅(qū)動(dòng)端和風(fēng)扇端軸承外圈的損傷點(diǎn)分別放置在 3 點(diǎn)鐘、 6 點(diǎn)鐘、 12 點(diǎn)鐘三個(gè)不同位置。 待檢測的軸承支撐著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為 扇端軸承型號(hào)為 分別列出了兩種軸承的幾何尺寸和各部件的故障頻率。其中 6203滾子數(shù)為 8， 6205滾子數(shù)為 9。 圖 滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 18 將加速度傳感器安裝在帶有磁力基座的機(jī)架上。風(fēng) 扇端和驅(qū)動(dòng)端的軸承座上方各放置一個(gè)加速度傳感器。振動(dòng)加速度信號(hào)由 16通道數(shù)據(jù)記錄儀采集得到。風(fēng)扇端軸承故障采樣頻率為 12動(dòng)端軸承故障采樣頻率為 12 48率和轉(zhuǎn)速是通過扭矩傳感器 /譯碼器測得手動(dòng)記錄得到。實(shí)驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速包括 1730 r/1750 r/1772 r/ 1797 r/ 表 承幾何尺寸（單位 型號(hào) 內(nèi)圈直徑 外圈直徑 厚度 滾動(dòng)體直徑 節(jié)徑 6203 205 承各部件故障頻率倍數(shù) 型號(hào) 內(nèi)圈 外圈 保持架 滾動(dòng)體 6203 205 動(dòng)軸承故障模擬分析 滾動(dòng)軸承是由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體和保持架四種元件組成。通常，其內(nèi)環(huán)與機(jī)械傳動(dòng)軸的軸頸過盈配合聯(lián)接，工作時(shí)