一种频谱分析的滚动轴承故障诊断系统

1、种频谱分析的滚动轴承故障诊断系统中图分类号： TH133.3摘要 ：由于在机械系统中，滚动轴承是一种故障多发 的机械零部件，设计出能够有效检测滚动轴承故障的诊断系 统具有很重要的意义。本文在基于滚动轴承常见故障下建立 故障频率分布模型，并针对干扰故障模型的噪声信号设计了 FIR 高通数字滤波器来提取出有效故障频率段。结合工程实 例设计了对工程用发电机转子轴承的故障诊断系统，并且通 过实验测试发现有很好的效果。 关键词 ：滚动轴承、故障诊断、频谱分析、 FIR 滤波 器Roller bearing fault diagnosis system based on fuzzy neural netw

2、orks common failuAbstract: In the mechanical system, roller bearing is a failure-prone mechanical part. It is very important significance that the system detect rolling bearing fault diagnosis effectively can be designed. This paper is established the fault frequency distribution model based on the

3、roller bearing and designed a FIR high-pass digital filter that extract the effective failure frequency from the interference noise signal of the fault model. Fault diagnosis system has been designed for engineering generator rotor bearing with an engineering example, it was tested on experiment and

4、 was found to have a very good result .Key words: rolling bearing; fault diagnosis; frequency spectrum analysis; FIR digital filter中图分类号： TH133.33 文献标识码： A 文章编号： 0 引言随着机械工业的大力发展，滚动轴承是应用十分广泛的 重要机械基础零件。滚动轴承具有效率高，摩擦阻力小，装 配方便，润滑容易等特点，因而在旋转机械中得到广泛的应 用。滚动轴承是大部分旋转机械的组成部件，但滚动轴承却 是易损元件，许多旋转机械的故障都与滚动轴承有关 1 。据

5、 有关资料统计，机械故障的 70%是振动故障，而振动故障中 有 30%是由滚动轴承引起的 2 。在滚动轴承出现故障时，直接检测故障信号是十分困难 的。一般的检测方法是利用轴承故障产生的二次效应的变化 来作为故障诊断的依据，比如振动、噪声、热量等 3 。而根 据二次效应的不同特征，其诊断的方法各有不同。在众多的 轴承故障诊断方法中，振动检测方法是应用最广泛的一种方 法，这主要是因为振动信号提供的故障信息多，对早期故障 轴承都具有较强的检测能力。振动法是通过安装在轴承座或箱体上适当位置的振动 传感器测量轴承振动信号，并对该信号进行处理和分析来判 断轴承的工况和故障。由于振动法具有可以适用于各种类型

6、 各种工况的轴承；可以有效的诊断出早期微小的故障；信号 测试与处理简单、直观；诊断结果可靠等优点，所以在实际 应用中使用极为广泛。目前，在国内外开发生产的滚动轴承 故障监测与诊断仪器和系统中大部分是根据振动法的原理 开发的，有关轴承监测与诊断方面的文献也大部分讨论的是 振动法。 4 从适用性、实用性和有效性的观点看，振动法也 是最好的方法 5 。其它的振动方法还有利用声发射技术、光纤技术进行滚 动轴承故障诊断，但由于各种原因和局限性，这些技术的应 用还没有普及。1 故障诊断理论与方法1.1 滚动轴承故障模型与理论故障频率计算 滚动轴承振动信号是滚动轴承状态信息的载体，它蕴含 了丰富的异常或故障

7、信息，而振动特征是轴承运行状态好坏 的重要标志。因此，振动测试是滚动轴承运行状态的基本测 试手段。对振动信号的检测能够获得轴承状态的有效信息，对它的分析则是滚动轴承诊断领域中一个被广泛采用的方法。现在常用的滚动轴承故障诊断的方法主要有：时域、频 域和频 -时域等。本文主要是采用频域分析方法对轴承早期故 障进行精密诊断。直接对轴承振动信号进行频谱分析，结合 频谱图的频率分布和特征频率来判断轴承的故障。频域分析主要包括频谱分析、功率谱分析和倒频谱分 析，这些计算所用的基本方法都是通过快速傅里叶变换 FFT 法，频谱分析是将离散序列 xi 经 FFT 变换成频域中的序列 xk,k=0,1,，N-1滚

8、动轴承各元件的振动频率计算公式如下： 当滚动体缺陷时。一般的公式：（1） 当外环静止、内环运动和内环静止、外环运动时，公式 分别可变为：（2）当内滚道（外环）缺陷时。一般的公式：（3） 当外环静止、内环运动和内环静止、外环运动时，公式 分别可变为：当外滚道（内环）缺陷时。一般的公式：（5）当外环静止、内环运动和内环静止、外环运动时，公式 分别可变为：（6）公式中各项参数为：n滚动体的个数；d滚动体的直径；D 轴承节径；fn 内环的旋转频率；fw 外环的旋转 频率。1.2 信号的提取与滤波器设计 在实际测量中，由于轴承安装不对中，轴承径向载荷以 及滚道粗糙造成的干扰信号也会被传感器采集进来，这样

9、必 然会影响到故障点的判断，所以对干扰噪声的滤波就显得尤 为重要。轴承安装不对中导致信号中产生与轴承转动同频率的 周期信号，且根据轴承不对中的程度信号的幅值也不同，严 重影响对信号的分析。由于轴承制造工艺上的限制以及经过 长时间的使用，轴承的内外滚道势必会变得越来越粗糙，产 生的高频随机噪声也会干扰系统的准确测量，但是这些不会 构成故障对机器设备产生直接的影响， 因此可以忽略。 所以， 通过分析上面两种噪声信号，发现由于轴承安装不对中产生 低频信号远远低于轴承故障产生的信号频率。所以选用 FIR 高通数字滤波器对测量的实际信号进行滤波，去除低频噪声 的影响。数字FIR高通滤波器的阻带截止频率设计为90Hz，通带截止频率为120Hz，阻带抑制比80dB，通带波纹度为1dB , 高通滤波器的频谱图如图 1 所示。图 1FIR 高通滤波器的频谱图通过 matlab 模拟仿真出同时具有两种故障特征的振动 测试信号，该振动测试信号中既有当滚动体缺陷和内滚道缺 陷时产生的故障信号，又包含了轴承不对中产生的与轴