关于滚动轴承故障诊断方法的研究

关于滚动轴承故障诊断方法的研究课 程： 学 院： 班 级： 指导教师： 姓 名： 学 号： 完成日期 ： 2015 年 12 月 15 日关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究I目录第一章 研究背景1进行滚动轴承故障检测与诊断的背景与意义011.1滚动轴承故障检测与诊断领域背景011.2进行滚动轴承故障检测与诊断的意义012常见的滚动轴承结构013常见的滚动轴承故障形式024滚动轴承故障监测与诊断的一般步骤034.1常见的滚动轴承故障信息获取方法044.1.1温度监测法044.1.2振动监测法044.1.3油液监测法044.1.4光纤监测法044.1.5声发射法054.2常见的滚动轴承故障特征提取方法054.2.1基于传统时域统计参数的特征提取054.2.2基于频域和时频分析特征提取054.2.3基于非线性参数的特征提取054.3常见的滚动轴承故障状态模式识别06关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究II4.3.1人工神经网络064.3.2隐马尔可夫模型074.3.3支持向量机075常见的用于滚动轴承故障检测与诊断的传感器075.1传感器的灵敏度075.2滚动轴承故障诊断领域中用到的振动传感器085.3滚动轴承故障诊断领域中用到的加速度传感器085.4滚动轴承故障诊断领域中用到的压电式加速度传感器086常用的滚动轴承故障诊断与检测的分析方法096.1基于流行学习法的滚动轴承故障诊断和检测方法096.2基于无量纲指标与波谱分析的滚动轴承故障诊断方法106.3基于谱峭度及原子分解的滚动轴承故障诊断方法106.4基于模型辨识的滚动轴承故障诊断方法106.5基于 EMD的滚动轴承故障灰色诊断方法116.6基于近邻元分析的滚动轴承故障诊断方法116.7基于 LMD的滚动轴承故障诊断方法116.8基于 BP神经网络的滚动轴承故障诊断方法126.9基于量子遗传算法和谱峭度法相结合的滚动轴承故障诊断方法126.10基于 EMD和相关系数的希尔伯特振动分解滚动轴承检测方法126.11基于奇异谱分析和连续隐马尔可夫模型的故障诊断方法12关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究III6.12基于改进的固有时间尺度分解和鲁棒回归变量预测模式诊断136.13基于多尺度模糊熵变预测模型的滚动轴承故障诊断方法137本文思路及内容安排13第二章 滚动轴承故障检测与诊断1系统设计与滚动轴承故障信息获取142原始数据零均值化处理142.1数据零均值化的意义142.2时域中零均值化效果142.3频域中零均值化效果153滚动轴承故障诊断与检测分析方法163.1时域分析法163.1.1时域特征值提取183.1.2时域特征值归一化处理183.1.3时域特征比较213.2频域分析法213.2.1频域特征提取243.2.2频域特征值归一化处关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究IV理263.2.3频域特征比较284滚动轴承故障诊断与检测模式识别294.1 BP神经网络304.2输入层、输出层和隐层的设计314.3 BP神经网络的识别和测试314.3.1数据预处理314.3.2神经网络识别324.3.3神经网络测试355误差分析与综合评价355.1方案设计与误差分析355.2综合评价356方案优化与能力提升思考366.1针对本文方案的优化366.1.1故障信息获取手段的优化366.1.2故障特征提取手段的优化366.1.3故障模式识别手段的优关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究V化386.2对成分复杂的原始振动信号进行分析386.3当需要精确判断故障发生的位置时38第三章 结束语参考文献39附录MATLAB程序代码41关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究1第一章 研究背景一、进行滚动轴承故障检测与诊断的背景与意义1.1 滚动轴承故障检测与诊断领域背景通过查阅文献1相关案例 ,可以很容易地得到一种结论：随着工业的发展进步，旋转机械日益向集成化、大型化、高速化和智能化的方向发展。不仅设备内部各部分密切相联，不同的设备之间也存在着紧密联系，多个设备在运行中构成一个完整复杂的系统。设备的某一部位一旦发生故障，将可能产生一系列连锁反应，导致整个系统故障，影响正常的生产和产品质量，造成巨大的经济损失和严重的人员伤亡。近几十年来，某些高技术、大型化的设备，因零部件故障而引发的灾难性的事故时有发生。 机械故障诊断就是为解决上述问题与防止事故发生而得以产生和发展的一门交叉学科。通过监控机械设备的运行状态，对存在的异常或故障作出诊断，提供解决的方案，以指导机械设备维修与维护。在文献2当中，笔者任帅提到，据统计，状态监测与故障诊断可使设备的维修费用减少 25%到 50%，因故障停机的时间减少 75%，经济效益显著。工业发达国家的经验认为，90%的设备需要进行预知性维修，仅有 10%的设备需要进行定期维修，这样可以有效提高设备的利用率，降低维修成本。 谈到旋转机械，就不得不提滚动轴承。它是各种旋转机械中最常见最易损坏的零部件之一，起传递运动和承受轴向与径向载荷的作用。滚动轴承通过内部元件之间的滚动接触来支撑转子，具有易启动、摩擦小、润滑简单和更换方便的优点，广泛用于精密仪器、航空航天、汽车、机床、机器人等领域。根据结构和所能承受载荷类型的不同，滚动轴承可以分为滚珠轴承和滚柱轴承这两类。文献2还指出，随着科技的发展，对轴承可靠性与技术性能的要求越来越高。目前，一些高速轴承的 DN 值可达(轴承内径(mm)转速(r/min)可达 34 106mmr/min，因滚动体的疲劳剥落、保持架打滑等引起的滚动轴承故障时有发生，轻则导致系统精度降低，振动加大，重则导致抱轴和断轴，造成严重事故。据有关资料统计，旋转机械的故障中振动故障占 70%，而 30%的振动故障是由滚动轴承故障引起的。因此，滚动轴承的状态监测与故障诊断理论和应用的研究，一直是旋转机械故障诊断领域的一个重点。滚动轴承在高速、高温条件下工作，并且需要承受轴向和径向载荷，使信号的采集受到很多噪声因素的干扰，造成有效信号的淹没，该现象在故障早期尤为明显。所以通过信号处理方法，分离出滚动轴承的早期故障信号以实现滚动轴承故障的诊断，是当前亟待解决而又未完全解决的问题。1.2 进行滚动轴承故障检测与诊断的意义总之，滚动轴承是旋转机械中的常用零件，它的机械状态直接影响到机械系统的运行安全，因此，滚动轴承的早期故障诊断具有重要的工程意义。然而滚动轴承的早期故障通常十分微弱，易被噪声信号淹没，由于该难度的存在，关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究2一直以来，对滚动轴承故障的诊断的研究就一直没有停止过。 二、常见的滚动轴承结构滚动轴承主要包括内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件。一般情况下，滚动轴承内圈固定在轴上与轴一起转动；外圈固定在轴承座或箱体上起支撑的作用；滚动体有传递轴向和径向载荷的作用，其尺寸和数量对滚动轴承的力学性能以及寿命有直接的影响；保持架使滚动体均匀分布在内圈和外圈之间，防止滚动体脱落并减小滚动体之间的摩擦磨损。除中介轴承以外，滚动轴承的外圈一般固定不旋转。滚动轴承的几何参数主要有：Dm节圆直径；Do外圈滚道接触点处的直径；Di内圈滚道接触点处的直径；d滚动体直径；接触角；Z滚动体数目。图-1 滚动轴承结构图三、常见的滚动轴承故障形式在制造和实际使用过程中，滚动轴承都有可能产生故障。按照故障发生的位置来对滚动轴承的故障进行分类，可以分为：1）内圈故障；2）外圈故障；3）滚动体故障；关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究34）保持架故障。除了上述分类方法之外，从故障的形式来看，故障原因主要有以下两类：一类是滚动轴承制造和安装过程中由于误差引起的故障，滚动轴承在制造时不可避免的存在误差，或者在装配过程中产生了影响滚动轴承精度的误差，当误差超出一定范围以后，振动将会迅速增大，这种故障一般不会直接影响滚动轴承的运行；第二类是滚动轴承表面磨损，磨损可导致局部故障的出现，滚动轴承失效最主要的原因是局部故障。文献2中，笔者任帅指出，滚动轴承的故障形式主要有：疲劳剥落、磨损、塑性变形、腐蚀、断裂、胶合和保持架损坏。具体如下： (1) 疲劳剥落 滚动轴承的滚动体和滚道接触在工作时既承受轴向与径向载荷，又有相对运动。在交变载荷的作用下，接触表面以下一定深度处会首先形成裂纹，裂纹逐渐扩展到接触表面，形成点状或片状的剥落凹坑，这种现象就称为疲劳剥落。疲劳剥落在滚动轴承工作时产生冲击性振动，疲劳剥落是滚动轴承故障最主要的原因之一。滚动轴承寿命就是指疲劳寿命，即任意滚道或滚动体出现疲劳剥落之前的总转数。滚动轴承的寿命具有很大离散性，据统计，同一批轴承最高和最低寿命可相差几十甚至上百倍，因此选取恰当的滚动轴承状态监测方法，可以合理的利用滚动轴承的寿命。 (2) 磨损 在实际应用中，外界污物的入侵和滚动体与滚道之间的相对运动，是滚动轴承工作表面磨损的直接原因。滚动轴承的磨损现象通常是由润滑不良或装配不当引起的摩擦加剧所致。磨损量较大使轴承的游隙增大，降低轴系运行精度，产生强烈的振动和噪声。对于航空航天设备使用的精密轴承，磨损量是限制滚动轴承使用寿命的主要因素。微振磨损是在轴承不工作的情况下加大滚动体和滚道表面波纹度，降低轴承的运行精度。 (3) 塑性变形 塑性变形的产生与滚动轴承接触表面最大的挤压应力有关。在静载荷或冲击载荷过大、因热变形引起额外的载荷、高硬度异物入侵时，会在滚动轴承接触表面形成凹痕或划痕，使轴承的振动和噪声加剧。上述凹痕引起的冲击载荷可能进一步导致滚动轴承的表面剥落。 (4) 腐蚀 滚动轴承另一种常见故障是腐蚀，由外界水分或酸碱性物质的入侵引起。在滚动轴承停止工作以后，随着温度的下降至沸点以下，空气中的水分凝结成水滴，附着在滚动轴承工作表面产生腐蚀。此外，当滚动轴承内部有电流通过时，电流很容易击穿滚动体与滚道之间的薄油膜产生电火花，使接触表面凹凸不平。 (5) 断裂 裂纹和断裂是滚动轴承元件最危险的一种损坏形式，主要是由载荷过大、热处理不良和材料的缺陷引起的。此外，滚动轴承的裂纹和断裂还可以由转速关于滚动轴承故障检测与诊断方法的研究4过高、装配不当、润滑不良产生的过大热应力引起。 (6) 胶合 所谓胶合是指一个零件表面的金属附着到另一个零件表面的现象。在高速重载、润滑不良的情况下，轴承元件由于摩擦可在极短的时间达到很高的温度，导致胶合。 (7) 保持架损坏 装配和使用不当会造成保持架的变形，进而增大滚动体与保持架的摩擦，严重时会导致滚动体卡死。保持架损坏可使滚动体和滚道之间由滚动摩擦变为滑动摩擦，使摩擦加剧，导致振动和噪声急剧增大，造成滚动轴承损坏。四、滚动轴承故障监测与诊断的一般步骤文献1中，笔者朱可恒指出，诊断信息获取、故障特征提取和状态识别与诊断是滚动轴承状态监测和故障诊断的三个基本内容，而其中故障特征提取和状态识别是诊断实现的核心内容。4.1 常见的滚动轴承故障信息获取方法通过查阅文献2了解到，目前，滚动轴承故障诊断领域用到的故障信息获取方法可以归纳如下：1）温度监测法温度监测法就是通过监测轴承座温度的变化来判断轴承工作的异常状态，这种方法简单易行使用最早，对轴承的载荷、速度和润滑油情况的变化比较敏感。但是温度传感器的响应速度比较慢、灵敏度也不高，对滚动轴承的表面裂纹、压痕等早期局部损伤故障，在轴承工作时温度的变化很不明显，只有当故障比较严重时温度才会明显上升。本文写作参考文献未曾涉及到该类检测方法。2）振动监测法 滚动轴承早期故障的出现，在轴承运行时会产生微弱的周期性冲击信号，可通过安装在轴承座上的振动传感器获得该冲击性信号，再通过提取故障特征就可以诊断出轴承故障。振动监测法具有适应性强、几乎能诊断出所有类型的损伤故障、信号的获取与处理比较简单、可靠性强等优点，是目前轴承状态监测和故障诊断最常用的一