（固体力学专业论文）基于应力波与小波分析的低速滚动轴承故障诊断研究.pdf

沈阳工业大学硕十学位论文 摘要 低速滚动轴承结构和工作条件特殊，故障机理复杂，诊断难度较大。本文根据低速 滚动轴承的故障特性，提出了利用应力波与小波分析进行低速滚动轴承故障诊断的方 法。应力波技术作为一种新型动态检测方法，已在故障诊断中得到初步应用。对低速滚 动轴承故障产生的应力波特点及其传播规律的透彻了解是检测轴承局部损伤的关键，同 时应力波信号处理对故障诊断至关重要。目前对这两方面的研究仍面临着许多亟待解决 的问题。本文在国家自然科学基金“基于应力波和计算智能的低速旋转机械故障健康监 测与故障诊断研究”课题基础上进行了深入而又有针对性的研究。 首先，本文以低速运转c o o p e r 轴承系列0 1 8 6 5e x 滚子轴承为倒，建立了完好与故 障低速滚动轴承的三维整体接触计算模型，运用有限元软件对其进行了比较全面、精确 的分析，计算并比较了各种故障发生前后各元件的应力、应变及其接触应力分如。分析 结果表明，通过观测应力变化规律可以判断低速滚动轴承是否存在故障以及故障发生的 位置，从而为进步研究基于应力波的低速滚动轴承故障渗断方法提供充分的理论依 据。 其次，对小波分析的性质及其特征作了简要介绍，并重点研究小波分析在低速滚蟊 轴承故障诊断中的应用。小波分析作为一种时频分析方法，通过调整窗口的长与宽可r 时解决信号在时域和频域分辨率差的问题。本文根据小波分析以及应力波信号的特点， 选择d e b a u c h i e s 小波对采集的数据信号进行小波特征提取。 最后，在应力波实验的基础上，选择d b 6 母小波、尺度i = 4 对实验所采集的数据 信号进行小波变换变换后其成分d 3 和d 4 信号即为应力波特征信号，然后将d j 和d 二 信号进行重构，去除其它频带的低频和高频噪声，提取了各种模拟故障的应力波信号特 征频率。同时分析了各种模拟故障的幅值大小，发现当传感器放置办；轴承座j ：时润滑 脂污染的应力波幅值最大，外圈故障次之内圈故障最小，这正好j 有限元分析得0 j 虻 结论相对应，即外圈故障对外滚道表面应力应变变化规律的影响最火。 关键词：低速滚动轴承。故障诊断，应力波，小波分析 沈阳j 业大学硕士学位论文 s t u d yo nf a u l td i a g n o s i so fs l o w - s p e e dr o l l i n gb e a r i n gu s i n gs t r e s s w a v e sa n dw a v e l e t a n a l y s i s a b s t r a c t f a u l td i a g n o s i so ft h es l o w - s p e e dr o l l i n gb e a r i n g si sd i f f i c u l t ，d u et o s p e c i a ls t r u c t u r e p e c u l i a rw o r k i n gc o n d i t i o na n dc o m p l e xf a u l tm e c h a n i s m an e wm e t h o da p p l y i n gs t r e s sw a v e s a n dw a v e l e ta n a l y s i sf o rt h ef a u l td i a g n o s i so fs l o w - s p e e dr o l l i n gb e a r i n g sw a sp r e s e n t e db j a n a l y z i n gt h ef a u l tf e a t u r e so ft h eb e a r i n g si nt h ep a p e r t h es t r e s sw a v et e c h n i q u eh a sb e e n a p p l i e di n i t i a l l yi nt h ef a u l td i a g n o s i sa san e wd y n a m i cd e t e c t i n gm e t h o d ，s ot h o r o u g h l y u n d e r s t a n d i n gs t r e s sw a v ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t st r a n s m i s s i o nd i s c i p l i n ei ns l o w - s p e e dr o l l i n g b e a r i n g si sak e yo fd e t e c t i n gs u r f a c ed e f e c t so nb e a r i n gc o m p o n e n t s a tt h es a m et i m ei tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ef o rt h es t r e s sw a v et e c t m i q u et op r o c e s ss t r e s sw a v es i g n a l s ，b u ta t p r e s e n t t h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob er e s o l v e di nt h ef i e l d i nt h ep a p e r ，s t u d i e sw e r ep r o f o u n d l ym a d e o nt h ea c t u a ld e t e c t i n gp r o b l e m sh a p p e n e di nt h et o p i co f n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ”s t u d yo nc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fs l o w - s p e e dr o t a t i n gm a c h i n e d u s i n g s t r e s sw a v e sa n di n t e l l i g e n tc o m p u t a t i o n ” f i r s t l y ，t a k ee x a m p l ef o r0 1 8 6 5 e xc o o p e rr o l l i n gb e a r i n gw i t hs l o ws p e e d t h et h r e e d i m e n s i o nc o n t a c tm o d e l so f9 0 0 da n df a u l tb e a r i n gw e r es e tu p ，w h i c hw a sd i s c u s s e dw i t h u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e nt h es t r e s s , t h es t r a i na n dc o n t a c ts t r e s sd i s t r i b u t i o nw e r e c o m p u t e d t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nl a wo ft h eo u t e rr a c ea n dt h ec o n t a c ts t r e s s d i s t r i b u t i o nl a wo ft h ei n t e r f a c eo ng o o da n df a u l tb e a r i n gw e r ec o m p a r e dt h en u m e r i c a l a n a l y s i ss h o w st h a tf a u l t sa n dt h e i rl o c a t i o n sc a nb ej u d g e db yo b s e r v i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o nl a u t b e r e f o r ei t l a y st h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no ff a u l td i a g n o s i sb a s e do ns t r e s sw a v e s o f r o l l i n gb e a t i n gw i t hs l o ws p e e d s e c o n d l y t h ep r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r so fw a v e l e ta n a l y s i sw e r ei n t r o d u c e di nb r i e t , t h e a p p l i c a t i o no fw h i c ht of a u l td i a g n o s i so fs l o w s p e e dr o l l i n gb e a r i n g sx a se m p h a s i z e da sa t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ，t h ew a v e l e ta n a l y s i sc a nm a k et h es i g n a l sr e s o l v i n gp o w e l h i g he n o u g hi nt h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m m na tt h es a m et i m e b ya d ju s t i n g l e n g t h 2 一 沈阳j ：业大学硕十学位论文 a n dw i d t ho fi t sw i n d o w s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ew a v e l e ta n a l y s i sa n ds t r e s s w a v es i g n a l s ，d a u b e c h i e sw a v e l e tw a sa p p l i e dt oc o l l e c t e dd a t as i g n a l sp r o c e s s i n g ，a n dt h e s t r e s sw a v es i g n a l sw e r ed e c o m p o s e d f i n a l l y , t h ew a v e l e tt r a n s f o r mo f d a t as i g n a l sc o l l e c t e di ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t h d b 6w a v e l e ta n ds c a l e4o nt h eb a s i so ft h es t r e s sw a v ea n a l y s i s t h ef r e q u e n c yd 3a n dd 4 s i g n a l sa r es t r e s sw a v ec h a r a c t e r i s t i cs i g n a l t h e nw i t hr e d u c i n gt h el o w - f r e q u e n ta n dh i g h - f r e q u e n tn o i s e ，d 3a n dd 4s i g n a l sw e r er e c o n s t r u c t e da n dc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c i e so fs t r e s s w a v e sw i t ht h es i m u l a t i v ef a u l t sw e r ee x t r a c t e d m e a n w h i l ea m p l i t u d e so ft h es i m u l a t i v ef a u l t s w e r ea n a l y z e d i th a sb e e n ，f o u n dt h a ts t r e s sw a v e sa s s o c i a t e dw i t hs i m u l a t i n gg r e a s e c o n t a m i n a t i o ng e n e r a t e dt h eh i g h e s tv a l u e so fa m p l i t u d e ，t h el o w e s ta m p l i t u d ev a l u ew a s e m i t t e df r o mt h ei n n e rr a c ed e f e c t ，a st h es e n s o rw a sp l a c e do nt h eb e a r i n gh o u s i n g i tw a s c o r r e s p o n d i n gt ot h ec o n c l u s i o no ft h ec o n c l u s i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i e t h es t r e s sa n d s t r a i nd i s t r i b u t i o nl a w so f t h eo u t e rr a c ew e r ea f f e c t e dm o s tb yt h eo u t e rr a c ed e f e c t k e yw o r d 8 ：s l o w - s p e e dr o l l i n gb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，s t r e s sw a v e s ，w a v e l e ta n a l y s i s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：i ! 拯埠日期：碰! 主：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：上筮雄导师签名他日期：2 掣 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 近年来，基于振动测量与分析的故障监测诊断技术发展很快，对于高速旋转机 械和静载工程结构的监测诊断取得了成功，新原理、新方法和新技术不断涌驯“j ， 然而由于技术上的困难忽视了低速旋转机械中存在的故障隐患。 低速旋转机械的转速一般低于6 0 0 r p m ( 每分钟6 0 0 转) ”，大多数是大型、重载设 备，这种转速的机械广泛应用于风力发电、制药、污水处理、石油化工、冶金和造纸等 行业，如风力发电机组、分离机、药物混合装置、生物旋转盘、钢包回转台、聚合物搅 拌机、轧辊和转炉等。低速旋转机械同高速旋转机械一样，一旦发生故障，将严重影响 设备的证常运行，从而造成巨大的经济损失和重大社会影响。近年来生物旋转盘法【6 】 ( r o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r ，简称r b c ) 己受到欧、美、日等一些地区和国家的重 视，应用于工业废水及都市污水处理中。然而已有几个水处理机构频频报导了机械失 效，主要故障包括保持架裂纹、轴与轴承座损伤、滚子的严重磨损以及润滑脂污染等， 损失达上万英镑。又如，轧钢机是初轧厂极其重要的生产设备，若由于某种机械零件故 障而迫使轧钢机停止工作，所造成的直接经济损失每分钟高达上万元【7 8 j 。可见，对这类 低速旋转机械故障诊断预报意义重大。 滚动轴承是低速旋转机械中使用最多、最为关键、且最易损坏的机械零件之一。由 于滚动轴承的损坏而被追停枫所造成的经济损失是巨大的。所以对低速旋转机械滚动轴 承进行状态监测与故障诊断是十分必要的。然而要对滚动轴承进行状态监测，就必须排 除各种噪声的干扰，提高轴承故障信号的信噪比。显然，建立一种适合于低速旋转轴承 故障珍断新方法，及时有效地通过各种检测技术和信号分析理论提取早期故障信息，避 免突发性故障的发生和过剩维修，做到预知维修，可取得很大的经济效益和重大的社会 效益。 低速旋转机械一般为重载，对因轴承出现故障而产生的振动不敏感，一些故障不易 被发现。低速滚动轴承的振动分析正面临着以下问题【9 “o l ： ( 1 ) 由于转速很低，计算出来的故障频率很小。而高通滤波器会将5 h z 以下的频率 沈阳工业大学硕十学位论文 过滤掉，再加上受到环境噪声的影响，使得频谱分析效果很差甚至无法进行： ( 2 ) 冲击故障的瞬态性问题，每次故障冲击的间隔较长，使用冲击法很难准确地检 测到故障信号： ( 3 ) 由故障点产生的冲击响应频率较低，不能激励起较高的频率成份。 虽然进行了一些尝试 l l 1 4 1 ，但是由于以上的局限性低速旋转机械的振动监测很难实 现。k u b o y a m a “】总结了低速旋转机械监测的困难：在大于l o o r p m 时，由于振动具有很 大的能量并且出现的周期短，应用振动分析可以诊断故障和损伤状态：对于低于 l o o r p m 的旋转机械来说，由于振动具有低能量而且出现的周期长，因而诊断损伤或故 障状态是困难的。可见，传统的故障检测方法无法彻底解决低速滚动轴承的故障诊断难 题，只有另辟蹊径，寻找一种新方法。 用应力波( s 时w a v e s ) 技术盼1 6 1 可以检测出低速滚动轴承的故障，且具有早期 预测故障的特点。通常声发射和应力波是指材料的微观结构上的缺陷释放应变能而产生 弹性波的现象。在这里，应力波是指接触金属表面之问的摩擦产生的瞬态波。金属摩擦 引起的不规则或是粗糙表面的变形与裂缝，以及磨屑的运动，都将导致应力波的产生。 这使得应力波成为一种应用于低速滚动轴承状态监测的理想工具。 对弹性应力波与缺陷的相互作用信息的透彻了解是探测构件局部损伤的关键。然而 在应力波技术应用领域在不断扩展的今天，有关应力波技术的理论研究却极不成熟，从 根本上还缺乏对该方法在物理原理方面的解释，它是理论研究落后于工程实际的少数学 科之一。因此，在继续推进应力波技术在各方面的应用的同时，加强这门学科的理论研 究对其进一步向纵深和更多领域扩展是必不可少的。低速滚动轴承受外力作用将引起应 力和应变，其中的波动也将引起滚动轴承内部的应力与应变的变化。可见，明确低速滚 动轴承的内外圈滚道和滚动体应力应变及其接触应力与其内部缺陷的对应关系意义重 大，可为应力波在低速滚动轴承中的传播规律和基于应力波和小波分析的低速滚动轴承 故障诊断方法提供充分的理论依据。 随着电子计算机技术的发展进一步加强了诊断技术的发展，特别是小波变换 ( w a v e 比tt r a n s f o r m ) 1 17 - 3 0 1 殚_ i 论与方法的形成与发展，解决了时域与频域的局部化矛 盾，使利用应力波信号实施低速旋转机械早期诊断和状态监测成为可能，为其故障诊断 2 沈阳工业人学硕士学位论文 技术研究开辟了广阔的空间。利用小波变换进行瞬态信号的消噪、滤波及提取信号特征 量的能力，将小波分析用于应力波检测，对于分柝处理应力波信号是一种新的尝试，可 有效促进应力波诊断技术的发展，为低速旋转机械故障诊断提供新途径。 本课题拟采用应力波作为低速滚动轴承故障信号，解决振动信号在低速情况下的局 限性；利用小波分析进行应力波信号的特征提取，解决自回归系数和傅立叶变换方法无 法兼顾非平稳信号在时域和频域的局部化特征和无法消除背景噪声的问题：并且以低速 运转c o o p e r 轴承系列0 1 8 6 5e x 滚子轴承为例，采用有限元分析软件，克服了以往模型 的局限性，分别建立了完好和故障滚动轴承的三维整体接触有限元模型，对完好和故障 轴承各元件的应力应变及其接触应力分布规律进行分析比较，以得出低速滚动轴承各元 件应力应变及其接触应力与其内部缺陷的对应关系，为探索应力波在低速滚动轴承的传 播规律奠定理论基础。 1 2 国内外应力波技术研究概述 应力波理论发展经历了由线弹性波的研究发展到大变形的非线性弹性波：由低压的 弹性波和极高压的流体应力波的研究发展到弹塑性波和粘塑性波；由单纯波的研究发展 到复合波：由连续波的研究发展到具有各阶间断的奇异面的传播如冲击波和加速度波 等。应力波知识的大量积累又开辟了应力波在自然探索和技术开发等方面应用的广阔前 景，在武器效应、航空航天工程、矿山及交通机械、地震监测、石油勘探、结构健康诊 断、建筑工程等诸多领域都可以找到它的用武之地；应力波打桩、应力波探矿及探伤、 应力波铆接等正在发展为专门的技术。不仅如此，应力波的研究将会促使人们在缺陷的 探测和表征、残余应力的超声测定、声发射、声超声、机械故障诊断与监测等技术领 域发挥其潜力。 1 2 1 研究进展与现状 大型柔性结构受到局部动力效应作用后，波的传播是它的重要运动形式。所以弄清 这类结构中应力波的传播机理以及由此引起的各种力学效应是结构动力分析和控制的一 项重要课题。由于波在传播过程中将波源信息传播丌来，同时反馈其传播过程中介质变 化的各种信息，这就为我们提供了一种结构损伤探测的有效途径。 实际复杂结构的波传播分析有相当的难度。一个大型复杂的结构实际j j 是由一些构 一3 沈阳_ 业大学硕士学位论文 件在结点处连接起来的，而每一个构件都砬视为一个波导分析问题。实际的应力波不可 能是纯粹的某种形式，如板波或l a m b 波，遇到结构界面及各种缺陷会发生多路反射、 折射、绕射，并伴随着波形变换，同时在结点处传播会产生一系列复杂的力学效应，诸 如：阻尼变化、热效应、结点运动等等。这是非常复杂的问题，尽管不少学者在理论上 开展了一些研究，但与解决实际问题的要求仍有较大差距j 。然而人们还是充分地将波 传播理论应用于结构分析和损伤探测及其它众多的科学技术和工程应用领域。 声发射技术的研究工作最早是德国人k a i s e r t 3 2 1 于1 9 5 0 1 9 5 3 年开始进行的。他观察 到金属锌、铜、铝及铅都有声发射现象，并且发现了声发射的不可逆性。六十年代，美 国出现了研究声发射技术的高潮。美国的s c h o f i e l d 3 3 】对声发射现象进行了广泛的研究， 认为声发射源自材料的内部机制，他发现声发射连续型信号对应变速率敏感，它来源于 位错钉扎和交叉滑移；突发型信号与堆跺层错的形成和机械孪品变形机构有关。 d u n e g a n i 蚓等人对声发射技术的研究也作出了开拓，他们把声发射实验频率从原来声频 范围提高到1 0 0 k h z 一1 m h z ，为声发射从实验室走向生产现场创造了条件。1 9 6 4 年美国 通用动力公司把声发射技术用于北极星导弹壳体的水压实验，这是声发射技术首次进入 生产现场。此后，出现了商用声发射仪器。今天声发射仪器已由单通道发展到多通道， 有简单的信号处理发展到计算机进行声发射源定位和波形分析、源特征分析、模式识 别，这也说明声发射技术已经广泛的应用阶段p 5 1 3 6 】。 声发射技术于二十世纪七十年代初开始引入我国【3 7 】，三十多年来我幽声发射技术在 研究、应用的深度和广度上都有比较大的发展。从研究的范围来看，已从最初的仅限于 压力容器、会属疲劳和断裂力学应用等，发展到目前的金属材料、复合材料、岩石、混 凝土结构、金属结构、焊接过程控制、核工业领域、机械加工、机械故障渗断等领域 口8 “】。 应力波因子技术( 也称声超声技术) 是受材料在外载荷作用下产生的声发射现象 的启发而丌展研究的，最早由美国的n a s a 路易斯研究中心提出并开展研究h ”其基 本思想是：采用驱动器在复合材料表面激发应力波，与此同时传感器在同一表面的其他 一个或多个地方接收应力波信号，并对应力波信号进行分析，据此对结构中的损伤进行 监测。结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这些以及损伤周阍的边界都会 d 沈阿1 1 ：业大学硕士学位论文 引起应力波的散射和能量的吸收 4 6 7 1 。应力波因子技术可分为四个过程：应力波的激 发、应力波在材料中的传播、应力波的接收以及监测信号的分析。应力波技术的关键是 对监测到的应力波信号的分析，提取并量化包含于应力波信号中的有关材料状态的信 息，也即应力波因子。南京航天大学的王磊等人【4 8 l 首次提出了一种基于最小二乘法拟合 处理的应力波因子提取技术，应用于结构损伤监测。 由于应力波具有动态检测特性，研究应力波在带有故障的低速旋转机械中的传播规 律，对推动无损检测、无损评估技术的发展以及改善低速旋转机械的监测状况都具有重 大的实际意义。s a t o 4 9 通过对转速为5 5 r m i n 的径向轴承中金属撞击的模拟，研究了应 用声发射技术检测低速轴承损伤，观察到金属轻微接触产生声发射脉冲，随着会属磨损 的加剧波幅增大。英国的dm b a 等人【】5 】首次提出了应用高频应力波分析检钡4 低速旋转 机械早期故障的方法，并运用自相关系数( a r ) 进行应力波信号处理，他们主要研究 了转速在0 6 lr m i n 的用于污水处理的生物旋转盘，取得了一定的成果。nj a m a l u d i n 等人【l6 】进一步研究了应力波分析用于低速滚动轴承早期故障检测的可行性，表明不同故 障的应力波独特的传播路径可应用于早期诊断。甘晓晔【4 l j 将声发射法应用于大轴承的监 测与故障诊断系统，运用包络谱分析进行信号处理，诊断出了低速滚动轴承故障的部位 和类型。史文利【5 0 】等讨论了回转支承中多源性故障的诊断，发现习i 同的回转支承结构， 其应力波传播速度和临界判别指标有一定差异，实测分析能提供准确有效的判别参数。 1 2 2 应力波技术的特点 应力波技术研究的主要内容就是研究瞬态弹性波的产生、瞬态弹性波在材料中的传 播、传感器的瞬态弹性波能量一电能量转变，表述瞬态弹性波电信号的接收处理分析等 一系列过程口”。图1 1 为应力波检测原理示意图。图1 2 为瞬念弹性波在实际构件中传 播过程的示意图，波在两个界面上发生多次反射与折射，每次反射与折射都有可能发生 波形模式变换，这样的波是复杂的纵波、横波和表面波的混合波传播，具有复杂的特 性。可见，应力波在低速旋转机械中的传播情况更为复杂。 应力波检测方法是一种动态无损检测方法，即在构件或材料的内部结构缺陷或潜在 缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测【5 2 。“。应力波检测的另一特点是被检测对象能 动地参加到检测的过程中去，它利用物体内部缺陷( 内因) 在外力作用下( 外i 纠) 能动 沈阳工业大学硕士学位论文 地发射应力波；从这一应力波中雒知缺陷的部位和情况。根据所反射的应力波特点和诱 发应力波发射的外部条件，不仅可以了解缺陷的目前状态，也能了解缺陷的形成历史， 以及该缺陷在将来的实际使用条件下将要发生的扩展趋势，这是其他故障检测方法无法 做到的。可见，应力波技术不仅可用于缺陷检测，还可作为一种诊断低速旋转滚动轴承 故障的有效手段。 厂_ 厂 j 信号采集i + l 显示记录l i 处理系统i1 分析系统| 图1 1 应力波检测原理示意图 图1 2 瞬态弹性波在构件中传播过程的示意图 应力波检测适用于动态检测，可对运行中的设备和受力情况下的部件进行实时的检 测、监视和报警。这不仅可减少设备检修的成本，而且可以有效的避免重大事故的发 生，提高经济效益。应力波反射现象是固体中普遍存在的。因而大部分构件都可以应月 应力波技术来检测，这一特点使之具有广阔的应用前景。 应力波技术虽然有着许多的优点，但在应用中也有一定的局限性。在应力波发射连 程中伴有大量噪声，不注意去除噪声，将会得到错误的结果。因而对应力波检测的信号 分析处理则显得尤为重要，它直接关系到检测的效果及安全评定结果，影响整个应力渡 技术的实用性、可靠性。到目前为i h ，人们尝试了各种信号处理方法，诸如谱分析、攘 糊数学、神经网络等新技术。 6 沈罔 工业大学硕士学位论文 而小波分析是近年来发展起来的一种新信号分析方法，它将信号的频域信息和空间 信息同时反映在变换域中，在时域和频域上同时有着良好的局部分析能力。利用小波分 析进行瞬态信号的消噪、滤波及提取信号特征量的能力，将小波分析用于应力波检测， 对于分析处理应力波信号是一种新的尝试，可有效地促进应力波技术的发展。 1 3 低速滚动轴承监测技术 文献1 11 1 提出了几种低速轴承的监测技术，特别是峰值电平微分法。该技术应用轴 承固有频率的带通滤波去除噪声，通过应用峰值采集器和设置适当的闽值电平来控制加 速度峰值。计算了轴承与事件总数之间的峰值电平微分，一旦发现值超过某一。标准就进 行轴承是否发生故障的识别。该技术要求两个轴承之问的比较，用于以t r r a i n 运行的滚 子轴承状态监测。k u b o y a m a 报导了成功检测到其中一个轴承的内圈表面剥落，但未详 细说明所用测试装置的类型以及传感器的特征。 c a n a d a 和r o b i n s o n 【5 】开发了一种低速监测技术( s s t ) 系统进行低速旋转机械的振 动测试，运用模拟积分仪去除低频信号中的机器高频噪声。虽然模拟积分仪使低频成份 失真，但这种失真却是确定的，因而能纠正结果。浚方法对改进的模拟积分与数字积分 进行了比较，同时将其运用于具有1 5 1 5 0 r m i n 转速可调范围的变低速凸轮的转子单 元。他们认为该方法可以应用于1 0 r m i n 的低速机械。 r o b i n s o n 提出了一种用于低速机械的振动监测新方法，这是建立在上述的s s t 方 法基础之上的，首先在采样频率基础上将信息分成若干时问间隔，然后获取足够的连续 时间间隔内的峰值数据，最后进行峰值处理( 包括谱分析) 。运用低频加速计进行低速 轴承( 1 0 r m i n ) 的现场测量，发现该技术检测到了内圈故障，这比发生失效早了1 个 月。 与该论文联系更密切的是声发射的研究及其在低速轴承监测中的应用。前文提到， s a t o t 4 9 通过模拟以5 5 r m i n 运行的径向轴承上的金属撞击来研究应用声发射监测低速辖 承故障。观察到声发射脉动是轻轻的金属接触产生的结果，同时随着金属摩擦的加剧波 形振幅也变得更大。 m c f a d d e n 和s m i i h m l 探词了应用声发射传感器监洲转速为1 0 r m i n 1 8 5 0 r r a i n 的危 接触滚动轴承。将传感器放置在轴承廖上，并模拟内圈的轻划伤，发现铅：低速旋转f 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 0 r m i n ) 声发射传感器似乎对轴承里每个滚珠的集中载荷引起的轴承座小应变( 局部 变形) 有响应。这些小应变表现为与滚珠通过频率重叠的失真尖峰信号。用传统的应变 仪测量未能检测到轴承座的应变，而在与原始时域信号重叠的故障信号中却检测到了滚 珠通过频率。 因而m c f a d d e n 和s m i t h 得出结论：在恒载作用下，低速运行时轴承座的原始挠度 使声发射传感器检测滚动轴承的极小故障信号成为可能，而更高速度运行时原始挠度却 表现为低频噪声。s m i t h 对上述实验进行了进一步研究，虽然对所用的声发射传感器表 现仍表示迷惑不解，却在另一篇论文中重申了研究结果，陈述如下： 既然传感器对轴承座里每个滚珠的一次变形的响应频率为1 h z 。因而声发射传 感器的响应形式是模糊的。声发射传感器对如此低的频率无法做出响应。 显然，应用振动分析和声发射进行低速旋转机械的状态监测非常困难，因而成功的报告 也十分有限。 i a 本论文的技术路线及研究工作主要内容 本文以c o o p e r 轴承系列0 1 8 6 5e x 滚子轴承发生故障前后的内外圈和滚子的应力应 变分布规律以及各元件接触面间的接触应力分布规律的有限元分析为理论依据，拟采用 应力波及小波分析等手段对低速滚动轴承模拟故障进行了研究，期望为低速旋转机械故 障诊断提供巍思路，在其信号处理方面取得实质性的进展，以解决低速重载轴承故障监 测诊断存在的实际问题，提高诊断准确性，同时对应力波技术及小波分析的推广应用也 具有重要意义和实用价值。 本文研究工作主要内容为： ( 1 ) 分析低速滚动轴承监测诊断新进展以及应力波技术的最新动态，根据低速壤动 轴承故障诊断存在的问题首次提出应用应力波与小波分析进行低速滚动轴承故障诊断 的方法： f 2 ) 进行低速滚动轴承的故障特性分析，洋细介绍低速滚动轴承的失效模式、特 征并对低速滚动轴承检测中的应力波传播规律进行初步研究： f 3 ) 运用有限元数值分析方法建立完好及故障低速滚动轴承的力学模型，分折轴承 备元件m 现敞障前后的应力、麻变以及各接触面1 日的接触应力变化规律为进一步探讨 一8 ， 沈刚工业大学硕士学位论文 应力波在低速滚动轴承中的传播规律和运用应力波技术诊断低速滚动辐承故障提供理论 依据； ( 4 ) 对小波理论的性质及其特征作了简要介绍，并重点研究小波理论在低速滚动轴 承故障诊断中的应用： ( 5 ) 在实验基础上用小波分析提取故障的特征参数，建立适合于现场数据的处理方 法： ( 6 ) 对全文进行了总结，并提出下一步的工作设想。 9 沈阳l ：业人学硕士学位论文 2 低速滚动轴承典型故障及其应力波故障信号机理 低速滚动轴承是低速旋转机械主要部件之一。作为一种重要的机械零件，轴承一般 承受较大的负荷，在其运行过程中经常会出现局部点蚀、剥落、裂纹、擦伤等严重故 障，造成机械性能异常，以致无法工作。可见，了解低速滚动轴承的常见故障形式及其 应力波故障信号机理，有助于及时准确地运用应力波技术诊断低速滚动轴承的故障。 2 1 低速滚动轴承失效的基本形式 低速滚动轴承异常的基本形式为： ( i ) 疲劳剥落。在滚动轴承中，滚道和滚子表面既承受载荷，又有相对滚动。由 于交变载荷的作用，也可能是润滑不良或强迫安装，首先在表面一定深度处( 最大剪应 力处) 形成裂纹，继而扩展致表层形成剥落坑，最后发展到大片剥落。这种疲劳剥落现 象会造成运行时的冲击荷载。 ( 2 ) 磨损。轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原因 或是异物的侵入都会引起表面磨损，润滑不良也可引起磨损。磨损导致轴承游隙增大， 表面粗糙降低了机器的运行精度。 ( 3 ) 压痕。轴承因受到过大的冲击载荷、静载衙、落入异物等在滚道表面上产生 局部变形而出现的凹痕或划痕，而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步使邻 近表面剥落。由载荷的累积作用或短时超载会引起轴承的塑性变形。 ( 4 ) 腐蚀。由于湿气或水分侵入轴承或由于使用了品质不好的润滑油，就会在轴 承表面形成腐蚀。轴承零件表面的腐蚀是由下面三种原因造成的：第一种是润滑油水分 或湿气的腐蚀：第二种是电腐蚀；第三种是微振腐蚀。 ( 5 ) 裂纹或断裂。主要是由于磨削或热处理引起的也有的是山于运行时载荷过 大、润滑不良或装配不善，使轴承某个部位发生应力集巾，产牛裂纹，最后导致轴承元 件断裂。 表2 1 归纳总结了低速滚动轴承失效的类型及其原因。 【1 沈阳r 业火学硕士学位论文 表2 , 1 低速滚动轴承失效类型和骧因分析 1 ) 金相组织不良、表面疲劳 1 ) 滚动体与滚道剥落2 ) 表面粗糙度人造成表面油膜 制造和材料缺陷2 ) 受力表面较大面积压光和微观剥落迫害 3 ) 滚动体与轴承罔裂纹 3 ) 热处理不当导致滚动体轴 承罔产生裂纹 1 ) 油膜强度丧火引起金属与金 润滑不足或润滑剂不良：；黧蕊荔雾蚕算嚣霪器剥落：，蠹举鼽蚀物战氧化物侵蚀 表面引起损伤 2 2 低速滚动轴承的故障特征分析 2 2 i 滚动轴承的典型结构 滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成。内圈、外圈分别与轴颈及轴 承座孔装配在一起。在大多数情况下外圈不动，而内圈随轴回转。滚动体是滚动轴承的 沈阳j ：业人学硕十学位论文 核心元件，它使相对运动表厦间的滑动摩擦变为滚动摩擦。滚动体可在内、外圈滚道上8 进行滚动。图2 1 所示为滚动轴承( 球轴承、滚子轴承) 的旋转机构示意图。 图2 1 滚动轴承旋转机构示意图 d 轴承的节径：d 一滚动体直径；r ，一内圈滚道的i | 径 r r 一外圈滚道的、p 径；口接触角。 2 2 2 低速滚动轴承的频率特征 低速滚动轴承工作时，假设滚动轴承的外圈固定在轴承座上，只有内幽随轴起以 频率f = n 6 0 旋转，同时作出下列假设：滚道与滚动体之间无滑动；径向、轴向受载 荷时各部分元件无变形。如果不计轴承各元件的弹性变形，并认为滚动体与滚道之间为 纯滚动，根据几何学条件，可得到轴承各故障特征频率如下： ( 1 ) 外圈剥落( 一点) ：，厂。沪要六( 1 一d d c 。s 口) ( 2 1 ) ( 2 ) 内圈剥落( 一点) ：厂。尸昙工( 1 + d d c 。s d )( 2 2 ) ( 3 ) 保持架相对轴心的旋转频率：，。户去2 ( 1 一d d c 。s d ) ( 2 3 ) ( 4 ) 滚动体旋转频率：。，：z d f , 0 一( d i d c o s & ) 2 ) ( ， ( 2 4 ) 式l ； ，：卜滚动体直径 d 轴承的节径 沈阳j 二业大学硕士学位论文 口接触角； z - 叫衮动体数量； _ 工作转速。 当低速轴承出现故障后，在其频谱中会出现其特征频率的谱峰。但在实际中，谱峰 的频率并不总是精确等于理论计算值。这主要是因为滚动体并非纯滚动等因素( 如实际 轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后变形) 造成的。同时出现局部损伤类故障所引起的 低频通过振动受系统高频固有振动及其他背景噪声的干扰而难以分离。另外，随着故障 程度的增加经常还会出现一些以特征频率为主频，以轴频为差值的调制边频现象，因 而当内圈、外圈和滚动体同时出现故障时，故障诊断更为困难。 2 3 低速滚动轴承故障的应力波故障信号机理 到目前为止，还无法对应力波源进行直接检测。因此在运用应力波方法对低速滚动 轴承状态进行监测时，应力波源发出的应力波要经过一定媒质的传播后才能被传感器接 收。应力波在媒质中传播时要产生衰减，遇到界面时还会发生反射与折射，这都会直接 影响到应力波监测的结果，因而必须对低速滚动轴承检测中的应力波传播规律进行研 究。 2 3 1 波动方程 应力波传播时在介质中形成应力场，应力场的特征可用媒质中的质点位移( “、v 、w ) 和密度的变化量p 来表征，而这些参数都是时间和空间的函数。推导应力波波动方程的 目的在于建立质点位移、密度的变化量随空间和时间的函数关系。在此基础上再根据具 体应力波源和应力场来确定边界条件，求出波动方程的解，即一定应力波源在定媒质 中产生的应力波的传播规律。推导波动方程时，为了使问题简化，对媒质和应力波传播 过程做出一些假设，即： ( 1 ) 介质为理想介质，介质不存在粘滞性应力波，在这种介质中传播时没有能量 的损耗； ( 2 ) 没有波扰动时，媒质在宏观上是静止和均匀的。即初速度为零； ( 3 ) 应力波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的： ( 4 ) 媒质中传播的是小振幅应力波，各参量是级微量。 一塑塑三些丕堂堡主堂焦堡塞 应力波传播作为一种波动的物理现象，必然满足质量守恒定律、牛顿第二定律和描 述温度和体积等状态参数的关系的物态方程。故得弹性体运动的波动方程式为 丝+ v 2 “1 竽+ v z 。) 尝+ v z v ) ( 2 5 ) 式中：塑十堡+ 塑： m 砂西 v 2 = 萋+ 若+ 菩； 、v 、，分别是x 、y 、z 方向位移： e 、p 、分别是弹性模量，密度和泊松比。 引入一个位移势函数西，可以把用位移表示的波动方程式变成用咖函数表示的波 动方程式： v ：圣：占罂 c 2 8 f 2 ( 26 ) 式中：c 应力波( 纵波、横波及瑞利波) 传播速度。 从式( 2 6 ) 可以看出，特解西对位置坐标或时削坐标的偏导数仍为波动方程的解，这 就表明：若质点位移是波动函数，则形变、应力、速度和加速度等变量均是传播速度相 同的波动函数。 2 3 2 固体中应力波的传播规律 由弹性动力学理论可以知通，阎体中的弹性波有纵波和横波，横波的速度约为纵波 遮度的6 0 左右。这些应力波碰到固体的自山表面( 与空气接触) 会产+ 生瑞利表面波。 瑞利波的特征是沿着表传播，其振i 幅随着它离表面深度的增加而迅速减弱，瑞利波的 1 4 南南南赤瓤概 如矿 挑扩 西一矿 ，、l 沈阳t 业大学硕十学位论文 速度约为横波速度的9 0 左右。同时应力波遇到界面会发生反射与折射。此时的反射波 还会发生横波与纵波模式的相互转换，因此固体中应力波的传播过程要比液体复杂得 多。应力波在有限固体介质中的传播、传播过程中的模式转换和传播速度变化等问题目 前尚不能做到定量分析，只能做出定性分析。 若在半无限大固体中的某一点产生应力波，由上面的分析可知，当传到固体表面上 某一点的时候