滚动轴承故障的倒频谱分析.docx
- 文档编号:13452217
- 上传时间:2023-06-14
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:293.21KB
滚动轴承故障的倒频谱分析.docx
《滚动轴承故障的倒频谱分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《滚动轴承故障的倒频谱分析.docx(9页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
滚动轴承故障的倒频谱分析
河 北 科 技 大 学 学 报
第22卷 第1期JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFVol.22 No.1总第56期 2001年SCIENCEANDTECHNOLOGYSum56 2001
滚动轴承故障的倒频谱分析
张文苑1,刘国众2,周湛学1
(1.河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄 050054;21山东电力研究院锅检中
心,山东济南 250002
摘 要:
介绍了倒频谱及其特点,列举了其在滚动轴承分析中的应用实例。
分析表明倒频谱在识别边频及测试系统传递函数的影响方面具有显著的特点。
基于具有不同故障缺陷的滚动轴承实测振动信号及功率谱图的特点,借助倒频谱分析,可以在复杂的干扰信号中,准确地确定轴承的故障部分。
关键词:
功率谱;倒频谱;机械故障诊断
中图分类号:
TH11311 文献标识码:
A
滚动轴承作为一典型部件由外环、内环、滚动体及保持架组成,工作中均以其特定的频率运转,正常状态下的工作轴承其振动与噪声具有随机信号的特征,其量级在规定的标准范围内。
存在故障的轴承无论故障居于何位,受其冲击激励的影响,振动信号变得复杂,表现为随机与周期脉冲的混叠且随着故障部位的不同其时域振动信号呈不同的规律特征见图1。
特殊情况下单一的外环故障缺陷其振动波形呈单的周期脉冲与随机信号的叠加,见图1b,脉冲周期与轴承的几何参数,转速相关,用其时域波形,自相关图形或频域中的功率谱图均可直接判断外环故障之所在。
然而对于内环,滚珠及综合故障因运动情况复杂,观察其复杂的时域及功率谱图则难有故障诊断的规律直接可循。
而在振动信号的检测中由于传感器的安装位置不同,传递途径不同,造成传递函数的差异,使测得振动信号也会因传感器的安装部位不同而有所不同。
更多的情况下,实际工作的轴承安装在设备上,随其运转,故障噪声会被强大的背景声淹没,大大降低信噪比。
凡此种种均给轴承故障诊断的波谱分析带来了困难与麻烦。
随着测试与信号处理技术的发展与完善,利用时域平均法对测试信号进行特定周期的整周期截取,再将所截取的信号段叠加平均,即可消除信号中的非周期分量及随机干扰,保留特定的周期分量以确定轴承故障之部位;利用自适应除噪技术可及时自动调节滤波器的传递函数以消除随机噪声对故障信号的干扰,从而在强噪声背景下确定轴承故障的部位。
而利用倒频谱分析,配合FFT功率谱做滚动轴承故障诊断则具有简捷快速实用方便的特点。
下面仅以滚动轴承故障的倒频谱分析作初步的探讨和研究。
收稿日期:
2000202228;修回日期:
2000209228;责任编辑:
卞铜身
作者简介:
张文苑(19462,女,山东济南市人,副教授,本科。
(a合格轴承 (b
外环故障轴承
(c球故障轴承 (d综合故障轴承
图1 正常状态及存在故障的时域振动信号特征
Fig.1 Thecharacteristicsoftimingvibrationsignalsundernormalandfaultyconditions
1 倒频谱分析法
111 倒频谱的基本原理
倒频谱是对信号y(t的功率谱Sy(f的对值数进行傅立叶逆变换的结果,用Cy(Σ表示,即
Cy(Σ=F-1{lnSy(f}
其中:
F-1{}为傅立叶逆变换;Σ为时间变量,单位是ms,称倒频率。
设系统的输出为y(t,输入为x(t,系统脉冲响应函数为h(t,则
y(t=x(t3h(t
利用倒频谱可对信号进行分解,以识别信号的组成,其基本步骤如图2所示。
112 倒频谱的特点
由图2可见对功率谱作倒频谱运算,即将复杂的功率谱为一系列卷积或乘积的形式,通过取对数转化为简单的和式形式,便于识别信号的主要分量。
若已知输入信号x(t或通过取对数转化为简单的和式形式,便于识别信号的主要分量。
若已知输入信号x(t或系统脉冲响应函数h(t,可将其从输出信号y(t的倒频谱Cy(Σ中删除,只保留另一分量的倒频谱例如Cx(Σ,对其进行傅立叶正变换,得到lnSx(f,再作对数运算,即可求得笔者所感兴趣的信号功率谱Sx(f。
将其应用于轴承故障诊断,其主要优点具体表现如下。
1将检测信号的功率谱与系统传递函数分离开来
在轴承振动信号的检测过程中,当传感器置于轴承的不同位置时,故障发出的冲击激励将通过不同的传递途径被传感器接受,由于传递途径不同,导致传动函数不同,而使功率谱图不同如图3(a,(c,然而反映在它们的倒频谱图上如图3(b,(d,与故障相应的倒频谱波峰无疑是相同的陡峭的,而那些低缓的随机的倒频谱分量则是由传动函数的差异形成的。
显示了倒频谱在故
23河北科技大学学报 2001年
图2 利用倒频谱对信号进行分解的基本步骤Fig.2 Thebasicproceduresofsignalsdecomposition
byusinginversespectrum障诊断中的信息分离作用。
2便于将主要的信息功率谱从复杂的边
频中识边出来
轴承运转时其内外环、滚动体、保持架一
方面以其自转频率转动,又以即定的频率保
持相对转动,当出现某一故障时,引起的冲击
振动波形往往比较复杂,由于自转动与相对
转动频率差之甚多,振动信息表现为调制,实
测波形为一般调幅与调频共存,波形有调幅
引起的低频包络及调频引起的疏密不等现象
存在,见图1(c,(d,反映在功率谱上,则表
现为大量不对称的边频簇谱线,见图3(a,
(b,给故障源的判断带来了困扰。
采用倒频
谱分析可使一簇拥不规则的边频谱线化为单
根倒频谱线,见图3(b,(d,倒频率Σ(ms对
应于低频分量f1Σ(ms,即调制信号,便于从功率谱中分离出来,从而提高了轴承故障诊断的快速可靠性。
详见11312轴承滚动故
障的分析
。
图3 故障信息在功率谱和倒频图上的比较
Fig.3 Thecomparisonoffaultinformationinpowerspectrumandininverse2spectrumdiagram
113 应用倒频谱分析进行滚动轴承故障诊断的实例
在SO910型轴承测试仪上,利用压电加速度计测得带有典型故障的29(G型微型球轴承的振动信号,并利用“SDAS—型信号采集与分析系统”作了功率谱及倒频谱分析。
为了便于轴承
33 第1期 张文苑等 滚动轴承故障的倒频谱分析
故障的分析研究,表1给出轴承故障振动频率的理论计算公式,表2给出其理论计算值。
表中:
N为轴承转速(内环转速 Z为滚动体个数 d为滚动体直径(mm D为节圆直径
(mm Β为接触角
本试验样品29(G轴承,其几何参数Z=7,d=4.763mm D=17.5mm Β=19° N=1571rmin(即SO910轴承测试仪主轴转速代入表1,将故障频率的理论计算值,列入表2。
表1 轴承故障冲击振动频率的理论计算公式
Tab.1 Thetheoreticalcalculatingformulaofimpactvibrationfrequeneyofbearingfault
序号
脉冲振动频率符号计算公式1
内环回转频率(主轴转频frN602
保持器回转频率fc12fr(12dDcosΒ3
滚动体自转频率fb12frDd(1-d2D2cosΒ4
滚动体故障频率2fb5
保持器通过内环频率fifr-fc=12fr(1+dDcosΒ6
内环故障频率zfi7外环故障频率zf
c表2 29(G轴承故障频率理论计算值 单位(Hz
Tab.2 Thetheoreticalcalculatingvalueof29(Gbearingfaulefrequency
frfcfb2fbfizfizfc
11311 轴承内环故障分析
当轴承内环出现故障时,该故障一方面与滚动体以zf1的频率发生冲击振动,又以其回转频
率fr冲击着外环的固定测点。
由于frνf1,振动波形表现为调幅波,视zfi为高频正弦信号的载波,其频谱图如图4(a,fr及其各次谐波nfr(n=±1,±2,±3……作为低频正弦信号的调制源,其频谱图如图4(b,根据调幅原理,调幅波的频谱图表现为以zfi为中心,以fr为间隔的一簇等距边带,在实测信号中,调幅调频往往同时存在,导致其频谱图,为一簇非对称分布的等距边带,如图42(c所示。
图4 轴承内环故障与滚动体外环的冲击振动的理论频谱图
Fig.4 Thetheoreticalspectrumdiagramofimpactvibrationofbearinginner2ringfaultandrollingouter2ring
图5(a为有一内环故障的轴承实测功率谱图,见其在内环故障频率zfi=116.2Hz及其2次谐波2zfi=232.4Hz处表现有突出的尖锋,并在其两侧分布有间距为2613Hz(内环转动频率的一簇等距边带,由于它们的不规则不对称分布,给边频的识别带来困扰。
图5(为其倒频
43河北科技大学学报 2001年
谱图,在Σ=38ms处表现一突出的尖锋,所对应的频率f=1Σ=26.3Hz,恰恰是内环转动频率。
这里借助倒频谱将功率谱中边频所代表的周期分量化作单根倒频谱线,求得调制源频率,即内环转动频率fr。
将其从功率谱中分离出来,即可由zfi=116.2Hz,2zfi=232.4Hz处的尖峰准确地判断该轴承为内环故障缺陷
。
(a功率谱 (b倒频谱
图5 内环故障的频谱
Fig.5 Spectrumofinner2ringfault
11312 轴承滚动体故障分析 据前分析滚动体故障轴承的振动信号应具有调制特征,其功率谱图主要由三类谱线组成。
1以滚动体故障率zfb为基频的n次的谐波(n=1,2,3,……。
2跟随保持器以其公转频率fc(即保持器回转频率为基频的n次谐波。
3以滚动体故障频率nzfb为中心以其公转频率fc为间隔的一簇等距边频带。
图6(a为有一滚动体故障轴承的实测功率谱图,其频谱符合以上三个特征:
有滚动体故障频率fb=89.8Hz 2fb,2fc……的谱线,还有以滚动体故障频率fb,2fb为中心的一簇非对称分布的等距边频谱线,其间隔为918Hz。
由于功率谱图的复杂给其边频的识别带来困扰。
图6(b为其倒频谱图,在Σ=102ms处有一突峰,所对应的频率f=1Σ=9.8Hz为保持器回转频率fc(即调制源。
配合倒频谱分析将低频的调制信号在功率谱图上清晰地分离出来,从而快速准确地确定轴承故障之所在——滚动体故障缺陷
。
图6 滚珠故障轴承的谱图
Fig.6 Thespectrumdiagramofrollingbearingfault
11313 图7(a为轴承滚动体与内环均有故障时的功率谱图,表现更为复杂,故边频的分析较单53 第1期 张文苑等 滚动轴承故障的倒频谱分析
36河北科技大学学报 2001年 Abstract:
Thispaperintroducestheinversespectrumanditsfeatures,andpresentswithsomeapplied(11CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,ShijiazhuangHebei050054,China;2.BoilerInspectionCentreofShandongPowerResearchInstitute,JinanShandong250002,Chinaexperientalexamplesintherollingbearinganalysisbyusingthismethod.Theanalysisindicatesthattheminversespectrumhasanoticeablefeaturetodistinguishtheinfluenceofthesidefrequencyaswellasthetransferfunctioninmeasuringtestsystem.Basedonthefeaturesofthetestvibrationsignaloftherollingbearinginthedifferentfaultsaswellasthespectrumdiagram,thepositionofthebearingfaultinacomplexdisturbingsigncanalsobeaccuratelylocated.Keywords:
powerspectrum;inversespectrum;machineryfaultdiagnosis一故障更为困难。
另7(b为其倒频谱图,在Σ1=38ms,Σ2=100ms处分布有尖峰,分离出相应的调制信号频率f1=1Σ1=26.3Hzfr(内环回转率:
f2=1Σ2=10Hzfc(保持器回转频率。
≈≈在功率谱图上可准确地确定故障频率,从而判断该轴承故障为内环和滚动体缺陷所致。
图7 轴承综合故障谱图2 结束语利用波谱分析法诊断滚动轴承故障缺陷时,由于实测功率谱存在着大量非对称分布的边频,给故障部位的确定带来困扰,借助倒频谱则能将其化作单根的倒频谱线,(对应的调制源从功率谱中分离出来。
实测功率谱也会因传感器安装部位的不同而变化,然而这些变化反映在倒频谱上,则表现为一些十分低缓的随机分量。
因此倒频谱的这种信号分离特性,为我们提供了在复杂的干扰背景下获取有用信息的方便之门。
以上应用倒频谱对滚动轴承故障的分析实例,尤其显示了它的这一优越性。
参考文献:
[1] 屈梁生,何正嘉1机械故障诊断学[M]1上海:
上海科技出版社,19861[2] 徐 敏1振动信号分析与机构故障诊断[M]1北京:
机械工业出版社,19911[3] 张振文,关建东1在线监控系统对机床启动状态的识别方法[J]1河北科技大学学报12001,22(1:
222261121ZHANGWen2yuan,LIGuo2zhong,ZHOUZhan2xueUTheInverseSpectrumAnalysisofRollingBearingFaultFig17 Thespectrumdiagramofbearingsyntheticfault
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 滚动轴承 故障 频谱 分析
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)