工程測試與信號分析大作業(yè)

1、滾動軸承振動信號分析與故障特征提取技術(shù)報告6目錄一、概 述11.1引言11.2實驗描述1二、實驗數(shù)據(jù)分析32.1觀察信號時域波形32.2信號時域特征值的提取42.3信號頻域分析52.3.1信號幅值譜52.3.2信號解調(diào)分析52.4信號時頻分析6一、概 述1.1引言隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)設備日趨大型化、集成化、高速化、自動化和智能化，由此而使得設備特別是關鍵設備在生產(chǎn)實踐中的作用越來越大。發(fā)展有效的設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)成為當今設備管理和維修的迫切需求，對于齒輪和滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷亦是如此。減速器和滾動軸承從設計、結(jié)構(gòu)、材料到制造等方面已相當成熟和規(guī)范，但仍然難以避

2、免諸如磨損、剝落、點蝕、裂紋等常發(fā)故障。減速器和滾動軸承一旦出現(xiàn)故障，直接威脅機械的安全，同時造成極大的經(jīng)濟損失。因此，對減速器和滾動軸承的故障研究對提高機械運行的安全性、經(jīng)濟性有極大的意義。本文將一組五個滾動軸承進行點蝕故障實驗，觀察在故障逐步發(fā)生、惡化的過程中軸承振動的變化趨勢，提取故障特征，借此對將來的故障診斷提供實驗依據(jù)。1.2實驗描述試驗臺基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。由減速齒輪箱、驅(qū)動電機、制動器和測速裝置四個部分組成。電機額定工作轉(zhuǎn)速1486轉(zhuǎn)/分，電機輸出軸上直接安裝第一級主動齒輪。經(jīng)過減速后的齒輪箱輸出軸上安裝一個摩擦制動器用以模擬齒輪箱的負載。電機另一端安裝測速裝置。 圖1.1

3、齒輪故障試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖 圖1.2 齒輪故障試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖兩級減速齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1.2示。電機輸出軸（軸1）轉(zhuǎn)速為1486轉(zhuǎn)/分，對應的旋轉(zhuǎn)頻率為24.8Hz，第一級齒輪齒數(shù)比為24/68，對應嚙合頻率594.4Hz。第二級傳動的齒數(shù)比為11/52，對應嚙合頻率96.2Hz。在額定電機轉(zhuǎn)速下，第一級從動齒輪軸（軸2）的轉(zhuǎn)速為525轉(zhuǎn)/分，對應旋轉(zhuǎn)頻率為8.74Hz，減速器輸出軸（軸3）轉(zhuǎn)速為111轉(zhuǎn)/分，對應旋轉(zhuǎn)頻率為1.85Hz。滾動軸承故障：以軸II上靠近驅(qū)動電機側(cè)的6302型單列向心滾動軸承為故障模擬對象，在軸承內(nèi)圈人工模擬生成點蝕故障故障。分別制作三個具有不同故障程度（故障面積大小不

4、同）的軸承進行試驗，即故障面積分別占軸承內(nèi)圈總面積約為15%、45%、75%、100%。對每種故障軸承各進行一組試驗測量。 表1.1 實驗分組信息軸承故障L0無故障1990.03.09P00L115%內(nèi)圈故障面積1990.02.02P15L245%內(nèi)圈故障面積1990.02.06P45L375%內(nèi)圈故障面積1990.02.20P75L4100%內(nèi)圈故障面積1990.02.2610P對于無故障運行狀態(tài)和每一種故障狀態(tài)均進行一組測量。每組測量中分別調(diào)整三種負荷狀態(tài)，在每種負荷狀態(tài)下用三種不同的采集頻率各測一次，數(shù)據(jù)采集過程用測速裝置輸出的外觸發(fā)信號控制，以實現(xiàn)振動信號的同步測量。每次測量以后直接進

5、行功率譜和倒頻譜計算，將測量信號和計算結(jié)果分別存入數(shù)據(jù)文件。每次測量存四種文件，一個1024點原始振動信號、一個經(jīng)100次同步平均的時間信號、一個經(jīng)過100次平均的功率譜和一個由功率譜計算的倒頻譜。測量參數(shù)說明見表1.2。表1.2 測量采樣頻率與負荷采樣頻率（點數(shù)/轉(zhuǎn)）高頻HF102425600Hz中頻MF2566400Hz低頻LF641600Hz負荷（N）高負荷HL48030.7Nm中負荷ML28017.9Nm低負荷LL805.1Nm二、實驗數(shù)據(jù)分析本文選取了重載高頻采樣1測點在正常狀態(tài)與各故障狀態(tài)下的振動參數(shù)作為實驗數(shù)據(jù)進行分析，期冀得到相應的結(jié)論。2.1觀察信號時域波形我們在matlab

6、里畫出振動的時域波形圖，分析得知每個信號中都帶有一定的直流成分，為了分析簡便，我們將信號減去其時域平均值畫出其處理后的時域波形圖2.1進行觀察。圖2.1信號的時域波形圖由信號的時域波形圖我們可以看出正常狀態(tài)想振動信號有明顯的周期，振動穩(wěn)定，振幅較大。而能明顯看出，故障狀態(tài)信號的振動頻率變大、振幅變小。原因是故障使信號中加入了周期沖擊成分與原信號調(diào)制，使振動頻率變大。而正常狀態(tài)下振幅較小可能是因為受實驗軸承的質(zhì)量影響所帶來的誤差。2.2信號時域特征值的提取對于時域特征的提取，本文選取了具有代表性的時域特征方差、有效值、峭度以及峰值指標作為對象分析，如圖2.2。方差表示了平均能量，有效值表示了振動

7、的烈度，波形指標、峰值指標共同反映了沖擊能量的大小。圖2.2 時域特征提取由圖2.2結(jié)合我們對時域波形圖的分析，可以看出故障信號的振動能量隨故障程度的加深而增大，而前面已經(jīng)分析過，正常信號的振動能量大與本身軸承特性帶來的實驗誤差有關。而故障振動的烈度也隨著故障程度的加深而增加。對于沖擊能量，15%、75%的沖擊能量較大，分析認為是點蝕的不對稱性造成的。2.3信號頻域分析2.3.1信號幅值譜為了看清楚正常與故障信號中到底存在頻率是如何的信號成分，我們對信號進行傅里葉變換，求取它的幅值譜進行分析，作圖時我們將正常信號與各故障信號放在一起對比分析，如圖2.3所示：圖2.3信號幅值譜如圖2.3我們可以

8、看出，正常狀態(tài)下，我們能清楚地看到嚙合頻率為600Hz。當故障出現(xiàn)時，與嚙合頻率相同的振動依然存在，同時它的周圍出現(xiàn)了邊帶成分，這些成分與正常信號調(diào)制在一起，形成了復雜的振動。比較明顯的低頻成分有350Hz附件的成分，高頻則有950Hz、1500Hz、3600Hz等頻率。同時我們觀察到，隨著故障程度加深，低頻的350Hz的成分消失了，而更多的高頻成分出現(xiàn)，振動狀態(tài)更加復雜化。2.3.2信號解調(diào)分析旋轉(zhuǎn)機械設備故障，一般有周期性的脈沖沖擊力，產(chǎn)生振動信號的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜上表現(xiàn)為在嚙合頻率或固有頻率兩側(cè)出現(xiàn)間隔均勻的調(diào)制邊頻帶。采用解調(diào)分析方法，從信號中提取調(diào)制信息，分析其強度和頻次就可以判斷零

9、件損傷的程度和部位，是機械故障診斷中廣泛使用的一種分析零件損傷類故障的有效方法。為了更加清楚地看清看出調(diào)制信息的大小，本文用包絡分析法對信號進行解調(diào)處理，想要觀察頻譜中的邊帶成分，得到如圖2.4的分析圖。圖2.4 用包絡法解調(diào)分析如圖不難看出，正常信號僅有嚙合頻率的振動。15%故障時軸承出現(xiàn)了多頻率又低能量的振動。其后的故障出現(xiàn)了350Hz低頻與1500Hz、2800Hz、4000Hz等高頻成分。且隨著故障程度的加深，低頻成分逐漸消失，高頻成分逐漸增多。2.4信號時頻分析為了得到信號隨時間與頻率一同變化時信號的特征，本文采用短時傅里葉變換的方法對信號進行時頻變換，并用matlab將時頻分析圖繪制如下圖2.5。圖2