基于應(yīng)力波與小波分析的低速滾動(dòng)軸承故障診斷研究

1、基于應(yīng)力波與小波分析的低速滾動(dòng)軸承故障診斷研究王楠，陳長(zhǎng)征，孫長(zhǎng)城，周勃(1。東北大學(xué)理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110004;2。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所，遼寧沈陽(yáng)110023)摘要低速滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和工作條件特殊，故障機(jī)理復(fù)雜，診斷難度較大。本文根據(jù)低速滾動(dòng)軸承的故障特性，提出了利用應(yīng)力波與小波分析進(jìn)行低速滾動(dòng)軸承故障診斷的方法。首先以低速運(yùn)轉(zhuǎn)Cooper軸承系列01B65EX滾子軸承為例，建立了完好和故障低速滾動(dòng)軸承的三維整體接觸計(jì)算模型，運(yùn)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了全面、精確的分析，包括內(nèi)圈故障模型的最大應(yīng)力和應(yīng)變及各元件之間的接觸應(yīng)力，將發(fā)生故障前后的內(nèi)圈外表面應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律以及接觸應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)

2、行比較。然后在應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇db6母小波、尺度j=4對(duì)實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行小波變換，從而診斷出了軸承故障，說(shuō)明應(yīng)力波和小波分析是診斷低速軸承故障的有效方法。關(guān)鍵詞:低速滾動(dòng)軸承;故障診斷;應(yīng)力波;小波分析中圖分類(lèi)號(hào):TH133.33，文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A，文章號(hào):1004-4523(2007)03-0280-051引言 滾動(dòng)軸承是低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中使用最多、最為關(guān)鍵、且最易損壞的機(jī)械零件之一。由于滾動(dòng)軸承的損壞而被迫停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。所以對(duì)低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是十分必要的。然而要對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，就必須排除各種噪聲的干擾，提高軸承故障信號(hào)的信噪比。低

3、速旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般為重載，對(duì)因軸承出現(xiàn)故障而產(chǎn)生的振動(dòng)不敏感，一些故障不易被發(fā)現(xiàn)。低速滾動(dòng)軸承的振動(dòng)分析正面臨著以下問(wèn)題: (1)由于轉(zhuǎn)速很低，計(jì)算出來(lái)的故障頻率很小。而高通濾波器會(huì)將3Hz以下的頻率過(guò)濾掉，再加上受到環(huán)境噪聲的影響，使得頻譜分析效果很差甚至無(wú)法進(jìn)行; (2)沖擊故障的瞬態(tài)性問(wèn)題，每次故障沖擊的間隔較長(zhǎng)，使用沖擊法很難準(zhǔn)確地檢測(cè)到故障信號(hào); (3)由故障點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)頻率較低，不能激勵(lì)起較高的頻率成分。用振動(dòng)分析的方法對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠很有效地檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械完整性，但是對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)故障檢測(cè)難度卻不斷加大，傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量方法將失效，因?yàn)檎駝?dòng)方法檢測(cè)不到機(jī)械設(shè)備的工

4、作頻率，而且當(dāng)?shù)退傩D(zhuǎn)機(jī)械有組件失效對(duì)振動(dòng)信號(hào)影響不大。本文擬采用應(yīng)力波采集低速旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)軸承故障信號(hào)，解決振動(dòng)信號(hào)在低速情況下。 局限性;利用小波分析進(jìn)行應(yīng)力波信號(hào)的特征提取57，解決自回歸系數(shù)和傅立葉變換方法無(wú)法兼顧非平穩(wěn)信號(hào)在時(shí)域和頻域的局部化特征和無(wú)法消除背景噪聲的問(wèn)題，為探索應(yīng)力波在低速滾動(dòng)軸承中的傳播規(guī)律奠定理論基礎(chǔ)。1低速滾動(dòng)軸承的有限元分析 應(yīng)力與應(yīng)變是研究彈性介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的出發(fā)點(diǎn)，也是研究彈性體中波動(dòng)理論的基礎(chǔ)。運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法建立完好及故障低速滾動(dòng)軸承的力學(xué)模型，分析了軸承各部位出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變以及接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，為運(yùn)用應(yīng)力波技術(shù)診斷低速滾動(dòng)軸承故障奠定了理論

5、基礎(chǔ)。1.1低速滾動(dòng)軸承的有限元建模1.1.1實(shí)體模型的建立 本文以Cooper軸承系列01B65EX滾子軸承為數(shù)值模擬的基本模型參數(shù)為(所有長(zhǎng)度單位均為mm):內(nèi)徑d=65，外徑D=114。3，寬度B=27，內(nèi)滾彈性模量為2。05105MPa，泊松比為0。3。用深度為0。75mm、寬度為3。0mm的小槽(與后面實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)) 模擬內(nèi)圈局部剝落故障。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)外圈故障、內(nèi)圈故障和滾動(dòng)體故障進(jìn)行了模擬，但是在本文中只對(duì)內(nèi)圈故障進(jìn)行故障識(shí)別，因?yàn)楫?dāng)內(nèi)圈發(fā)生故障時(shí)應(yīng)力波信號(hào)要經(jīng)過(guò)保持架、滾動(dòng)體和外圈等部件才能被傳感器接收到，所以?xún)?nèi)圈故障應(yīng)力波信號(hào)相對(duì)保持架、滾動(dòng)體和外圈故障應(yīng)力波信號(hào)要弱，如果能夠很好

6、地解決內(nèi)圈故障應(yīng)力波信號(hào)故障特征提取問(wèn)題，其它部件的故障信號(hào)特征提取問(wèn)題將迎刃而解。1.1.2結(jié)構(gòu)的離散化與接觸單元的設(shè)置結(jié)構(gòu)離散化是指將實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，是數(shù)值分析的前提。本文選擇計(jì)算單元SolidBrick8node45(SOLID45)，SOLID45是三維8節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，在保證精度的同時(shí)允許使用不規(guī)則的形狀，SOLID45有相容的位移形狀，適用于曲線(xiàn)邊界的建模。帶故障元件使用自由網(wǎng)格劃分命令，得到內(nèi)圈帶故障的滾動(dòng)軸承有限元模型單元數(shù)為128540，節(jié)點(diǎn)數(shù)為110790，見(jiàn)圖1.1。 圖1.1內(nèi)圈帶故障滾動(dòng)軸承有限元模型局部放大圖 接觸單元是聯(lián)系相互接觸物體，傳遞力學(xué)性質(zhì)的

7、最重要的單元。本文考慮到滾動(dòng)軸承各元件間的接觸面和目標(biāo)面都是變形體，有著近似的剛度，所以采用了柔體柔體的面面接觸類(lèi)型(TARGE170和CONTA174)來(lái)模擬內(nèi)滾道與滾子、滾子與外滾道之間的接觸。1.1.3約束和載荷的處理 假定外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，則選取軸承外圈為固定面，在軸承內(nèi)圈上加載荷，來(lái)分析整個(gè)軸承的應(yīng)力、應(yīng)變和接觸應(yīng)力情況。在軸承內(nèi)圈上加徑向載荷為55kN，假設(shè)作用在軸承上的載荷是沿圓周按余弦規(guī)律分布的，則與負(fù)荷作用線(xiàn)夾角U處的分布載荷為 （1.1） 式中pU為分布載荷，pUmax為最大分布載荷。根據(jù)式(1.1)將徑向載荷等效為節(jié)點(diǎn)載荷。考慮到每個(gè)滾子與內(nèi)外圈滾道的多體接觸，軸承座被

8、視為是剛性體，故在外圈上加上固定約束，見(jiàn)圖1.22。 圖1.2施加載荷與約束1.2低速滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障模擬與診斷 圖1.3顯示了有限元分析的內(nèi)圈帶故障模型中正對(duì)故障中心的外滾道表面應(yīng)力分布圖。從結(jié)果可以看出，正對(duì)故障中心的外滾道表面應(yīng)變及其應(yīng)力在數(shù)值上比完好軸承有所減小，在正對(duì)故障處發(fā)生突變，但離故障越遠(yuǎn)外滾道表面數(shù)值變化越小。內(nèi)圈發(fā)生故障還將大大影響內(nèi)滾道表面的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律(圖1.4)。將完好模型同內(nèi)圈帶故障模型的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在整體上故障區(qū)域的應(yīng)變值比完好模型有所增加，而在故障處卻急劇減小。同時(shí)應(yīng)力值在故障區(qū)域出現(xiàn)峰值，大大超過(guò)完好模型對(duì)應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力值，但遠(yuǎn)離故障內(nèi)滾道表面應(yīng)力數(shù)

9、值變化越小。而正對(duì)故障中心的內(nèi)滾道與滾子接觸面間的接觸應(yīng)力發(fā)生突變，出現(xiàn)兩個(gè)較大的峰值，引起局部的應(yīng)力集中，而整體的接觸應(yīng)力在數(shù)值上比完好滾子有所減小。圖1.3內(nèi)圈帶故障時(shí)正對(duì)故障中心的外滾道應(yīng)力分布圖圖1.4內(nèi)圈帶故障時(shí)故障區(qū)域的應(yīng)力分布圖2應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理分析 通過(guò)應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)，了解低速滾動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)應(yīng)力波波形特征，應(yīng)用小波變換提取應(yīng)力波特征信號(hào)，探索有效處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法，為基于應(yīng)力波的低速滾動(dòng)軸承故障診斷提供參考。2.1實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量?jī)x器 該實(shí)驗(yàn)參照文獻(xiàn)8的做法，設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)模擬軸承故障的早期階段。該裝置由一個(gè)電機(jī)齒輪系統(tǒng)，兩個(gè)從動(dòng)軸承，一個(gè)試驗(yàn)軸承以及一個(gè)液壓傳動(dòng)圓柱活塞

10、組成。由于分離式Cooper圓柱滾子軸承在不移開(kāi)從動(dòng)軸承的情況下可拆卸，因而選擇該類(lèi)軸承作為試驗(yàn)軸承，從而在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可有規(guī)律地進(jìn)行試驗(yàn)軸承檢查。通過(guò)用“H”框架支撐的液壓傳動(dòng)圓柱活塞在試驗(yàn)軸承頂部施加徑向載荷。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給試驗(yàn)軸承施加了55。00kN的恒載，安全系數(shù)為2。數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括接收傳感器在試驗(yàn)軸承上的安裝、信號(hào)放大、數(shù)字化以及信號(hào)處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖5所示。圖2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.2實(shí)驗(yàn)步驟 首先運(yùn)用電火花腐蝕技術(shù)在內(nèi)圈上產(chǎn)生一表面刮痕。該刮痕是為了模擬表面缺陷的早期階段的。應(yīng)用激光式表面光度儀測(cè)得各個(gè)元件上刮痕的寬度和深度分別為0。051mm。然后運(yùn)用電火花

11、腐蝕技術(shù)進(jìn)行。 軸承元件的局部表面缺陷模擬。在工作面的整個(gè)深度上刻上一缺陷，這就產(chǎn)生了類(lèi)似于凹痕的表面損傷。目的是模擬第一步中逐漸惡化的表面缺陷。每個(gè)元件上的缺陷大約寬為3。0mm，有效深度為0。75mm。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果 利用電火花腐蝕模擬的故障引起了在工作基準(zhǔn)觸發(fā)電平之上的應(yīng)力波的活躍。采集信號(hào)時(shí)檢測(cè)軸承元件位置發(fā)現(xiàn)，只有模擬故障進(jìn)入軸承的承載區(qū)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波信號(hào)。內(nèi)圈故障對(duì)應(yīng)的典型應(yīng)力波信號(hào)及其頻譜如圖6所示。從圖中可以看出應(yīng)力波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間只有1ms，等于采樣頻率為5MHz時(shí)的5000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖2.2軸承內(nèi)圈發(fā)生故障時(shí)的典型時(shí)域信號(hào)以及對(duì)應(yīng)的頻率譜2.4信號(hào)處理 為了提取應(yīng)力波信號(hào)的

12、特征頻率，利用db6小波函數(shù)對(duì)內(nèi)圈故障對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行4個(gè)尺度的小波分解。各尺度分解的重構(gòu)波形信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的頻譜如圖7所示。 表2.1為應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)過(guò)小波分解后各級(jí)頻帶能量占整個(gè)信號(hào)能量的百分比。 表2.1小波分解分量能量比小波分解分量A4D4D3D2D1能量百分比/%4.346.140.15.63.9 由表2.1可知，經(jīng)過(guò)小波分解后第3和第4級(jí)的信號(hào)所攜帶的能量占總能量的85%以上，是信號(hào)的主能量頻帶，分析小波變換后各級(jí)的信號(hào)時(shí)域波形，同樣能獲得類(lèi)似的結(jié)論，即第3和第4級(jí)的分解信號(hào)含有低速軸承缺陷應(yīng)力波檢測(cè)信號(hào)的絕大部分信息。因此，第3和第4級(jí)的分解信號(hào)可用于分析低速軸承 圖2.4軸承內(nèi)

13、圈發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)力波信號(hào)小波分解后各尺度的重構(gòu)波形及其頻譜構(gòu) 圖2.4軸承內(nèi)圈發(fā)生故障時(shí)的應(yīng)力波信號(hào)小波分解后各尺度的重構(gòu)波形及其頻譜構(gòu)，去除其它頻帶的低頻和高頻噪聲。對(duì)應(yīng)內(nèi)圈故障的去除噪聲后的重構(gòu)信號(hào)見(jiàn)圖2.5。圖2.5軸承內(nèi)圈發(fā)生故障時(shí)利用小波變換去噪后應(yīng)力波信號(hào)特征頻帶的重構(gòu)波 形及其頻譜 從模擬實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的典型應(yīng)力波信號(hào)表明它們的持續(xù)時(shí)間僅僅只有1s。雖然變化頻率的強(qiáng)度對(duì)于不同的故障來(lái)說(shuō)是不同的，但是相應(yīng)的頻譜卻均在100600kHz范圍內(nèi)。內(nèi)圈發(fā)生故障時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波特征頻率為110kHz，并帶有邊頻170kHz，250kHz;軸承外圈發(fā)生故生故障時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波特征頻率為100kHz

14、，120kHz;潤(rùn)滑脂被污染時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波特征頻率為110kHz，并帶有邊頻120kHz，250kHz，針對(duì)特征頻率和邊頻值來(lái)判斷低速滾動(dòng)軸承的故障部位。3故障診斷與分析 模擬故障發(fā)出的應(yīng)力波是由接觸構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。基準(zhǔn)數(shù)據(jù)(噪聲)信號(hào)表明了其最大幅值大約為170mV。通過(guò)設(shè)置一個(gè)大于該值的觸發(fā)電平，同時(shí)進(jìn)行各自的故障模擬，提取與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力波信號(hào)。 與電火花腐蝕技術(shù)模擬的表面刮痕故障相關(guān)的應(yīng)力波信號(hào)的觀察和分析表明，應(yīng)力波的產(chǎn)生在本質(zhì)上是隨機(jī)的，同時(shí)伴有背景噪聲。 應(yīng)用電火花腐蝕技術(shù)產(chǎn)生的局部表面缺陷釋放出了應(yīng)力波信號(hào)。在外圈故障模擬期間，應(yīng)力波大約每隔10s出現(xiàn)一次，這與計(jì)算所得的

15、外圈通過(guò)頻率5。65r/min相一致。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)滾子必須與缺陷的整個(gè)3mm寬度發(fā)生摩擦，所以當(dāng)滾子通過(guò)外圈故障時(shí)不止一次地釋放出應(yīng)力波信號(hào)。結(jié)果在沿著缺陷3mm的長(zhǎng)度方向的不同位置產(chǎn)生應(yīng)力波，而且只是在某段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到與內(nèi)圈故障和滾子故障Mba已經(jīng)證明，明確應(yīng)力波傳播路徑有助于確定應(yīng)力波信號(hào)源的位置。既然在本文中的模擬故障源自軸承的不同部件，并且通過(guò)不同的傳播路徑為傳感器所接收，那么這些故障產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)將具有只有它們特有的傳播路徑才有的特征。這一方面還有待于進(jìn)一步研究。 考慮到帶故障的工作軸承的某一特定環(huán)境，測(cè)得的應(yīng)力波信號(hào)可能包含一定的在幅值上與故障信號(hào)相當(dāng)?shù)谋尘霸肼暎苯油?/p>

16、過(guò)觀察幅值無(wú)法區(qū)分信號(hào)，從而運(yùn)用了小波分析進(jìn)行應(yīng)力波信號(hào)的特征提取、噪聲去除，效果頗佳。然而，由于工作背景噪聲在本質(zhì)上是隨機(jī)的，從而它的信號(hào)波形也將是隨機(jī)的。4結(jié)論 (1)本文結(jié)合低速滾動(dòng)軸承典型故障形式及其診斷存在的問(wèn)題，提出了一種新的低速滾動(dòng)軸承故障診斷方法基于小波分析的應(yīng)力波法。 (2)運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法建立了滾動(dòng)軸承的力學(xué)模型，為進(jìn)一步運(yùn)用應(yīng)力波技術(shù)診斷低速滾動(dòng)軸承故障提供了理論依據(jù)。在低速滾動(dòng)軸承相關(guān)的應(yīng)力波，即在保持架旋轉(zhuǎn)一周的整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力波信號(hào)不是連續(xù)發(fā)生的。這是因?yàn)橹挥袃?nèi)圈故障和外圈故障在承載區(qū)時(shí)才產(chǎn)生應(yīng)力波信號(hào)。 幅值大小與故障源和傳感器之間的距離有關(guān)。舉個(gè)例子說(shuō)，當(dāng)傳感器放置在軸承座上時(shí)，來(lái)自外圈(在恒載條件下)的應(yīng)力波幅值應(yīng)該為最大。因?yàn)閼?yīng)力波只需克服兩個(gè)界面就能到達(dá)接收傳感器，也就是外圈與軸承座之間的界面和軸承座與接收傳感器之間的界面。 內(nèi)圈故障釋放的幅值更小。因?yàn)樵诘竭_(dá)接收傳感器之前，該信號(hào)有更多的界面需克服，從而衰減在降低它的強(qiáng)度中起了重要作用。滾子故障產(chǎn)生的應(yīng)力波的幅值分散在內(nèi)圈和外圈對(duì)應(yīng)的水平之間。這是由在采集數(shù)據(jù)時(shí)滾子的摩擦位置決定的，當(dāng)滾子故障同外圈發(fā)生接觸或摩擦?xí)r，就能得到較高的幅值;當(dāng)滾子故障同保持架發(fā)生摩擦?xí)r，信號(hào)的幅值就有所降低;當(dāng)滾