原創(chuàng)： 譚祥軍 模態(tài)空間 軸承在不同的階段所表現(xiàn)出來的振動(dòng)特性是不相同的，對(duì)于最早期的超聲階段，由于振動(dòng)能量不高，特征不明顯，而在故障后期軸承失效接近尾聲時(shí)，軸承的故障特征頻率和固有頻率會(huì)被隨機(jī)寬帶高頻“振動(dòng)噪聲”所淹沒。因此，滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)處理方法更多集中在第二和第三階段，即固有頻率階段和故障特征頻率階段。 對(duì)于普通的振動(dòng)信號(hào)，我們主要從時(shí)域和頻域來進(jìn)行相應(yīng)的處理。對(duì)于軸承故障振動(dòng)信號(hào)的處理而言，也離不開時(shí)域與頻域的處理方法。但除此之外，還有高級(jí)的信號(hào)處理方法，如包絡(luò)分析。 對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析的第一步是要獲得能提取到有用信息的時(shí)域數(shù)據(jù)，因此，這涉及到兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)的采樣頻率與測(cè)量位置。 滾動(dòng)軸承表面局部缺陷所產(chǎn)生的沖擊性振動(dòng)，是從接觸點(diǎn)出發(fā)呈半球形波面向外傳遞的。在信號(hào)傳遞路徑上，如果遇到材料的轉(zhuǎn)折、尖角或兩個(gè)配合面時(shí)，由于波的折射和反射將引起很大的能量損耗。因此，通常為了減少能量損耗，測(cè)量位置通常是軸承座的垂直與水平方向。 由于滾動(dòng)軸承沖擊作用時(shí)間極短，以及沖擊的時(shí)間間隔也短，因此，要表征這些極短時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，需要極高的采樣頻率。另一方面，故障早期激勵(lì)起的軸承固有頻率也位于高頻區(qū)。故，對(duì)于軸承故障振動(dòng)信號(hào)而言，通常采樣頻率可能要達(dá)到100kHz。 對(duì)于軸承的故障判斷而言，通常不是一次檢測(cè)就可以判斷故障的，而更多的是定期檢測(cè)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)比各類信號(hào)，以便對(duì)故障做出正確的預(yù)報(bào)。 1、頻率范圍選擇 滾動(dòng)軸承故障發(fā)生要經(jīng)歷四個(gè)階段，第一階段屬于超聲階段，頻率非常高，頻譜圖中除了轉(zhuǎn)頻及其倍頻，并無明顯的故障頻率。第二階段主要是時(shí)間極短的脈沖激勵(lì)起滾動(dòng)軸承各部件的固有頻率階段，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)的頻率也高，但低于第一階段。第三階段是出現(xiàn)少量局部缺陷，頻譜圖中存在明顯的故障特征頻率。第四階段出現(xiàn)大量缺陷，頻譜圖中的軸承故障特征頻率開始消失，取而代之的是寬帶的隨機(jī)特征。由于處在不同的階段，時(shí)域與頻譜特征都不相同，對(duì)應(yīng)的頻率范圍也不相同。故，對(duì)于軸承的故障診斷而言，選擇合適的頻率范圍非常重要，不管是時(shí)域分析，還是頻域分析。 通常將分析頻帶分成低頻段、中頻段和高頻段。這是因?yàn)椴煌念l段，信號(hào)具有不同的特征。 1）低頻段（0~1kHz）。軸承工作過程中，轉(zhuǎn)子和滾動(dòng)軸承的故障特征頻率通常都在1kHz以下，如轉(zhuǎn)子的不平衡、軸彎曲、不對(duì)中、軸承裝配不當(dāng)?shù)人鸬霓D(zhuǎn)頻及其倍頻成分，軸承表面局部缺陷所引起的故障頻率及其低次諧波成分等。這些頻率成分可以分兩類，一類是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的頻率成分；另一類是與軸承故障相關(guān)的頻率成分。在滾動(dòng)軸承故障的前兩個(gè)階段，信號(hào)中只出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)相關(guān)的頻率成分。在故障產(chǎn)生的后兩個(gè)階段，才會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩類頻率成分。因此，這個(gè)頻段通常是對(duì)滾動(dòng)軸承故障的中、后期進(jìn)行診斷，無法對(duì)早期故障信息提供預(yù)報(bào)。 2）中頻段（1~20kHz）。滾動(dòng)軸承發(fā)生故障的第1階段通常在這個(gè)頻段無明顯的振動(dòng)頻譜，而在2~4階段，都會(huì)有相應(yīng)的振動(dòng)頻譜，但是從第2階段開始，這個(gè)頻段的振動(dòng)能量會(huì)越來越明顯。這個(gè)頻段也包含了滾動(dòng)軸承零部件的固有頻率。因此，中頻段的利用通常可分為兩類方法。 第一類對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波1kHz來濾除軸承振動(dòng)信號(hào)的低頻部分，以消除各種低頻干擾。然后再利用濾波后的振動(dòng)信號(hào)，通過求取峰值、有效值、峭度、峰值因子等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷。第二類則是利用帶通濾波器來提取軸承零件或相關(guān)結(jié)構(gòu)零部件的共振頻率成分，例如，應(yīng)用較多的是檢測(cè)軸承外圈的一階徑向固有振動(dòng)頻率。 3）高頻段（20~80kHz）。滾動(dòng)軸承故障發(fā)生的四個(gè)階段，在這個(gè)頻段都會(huì)存在相應(yīng)的頻率成分，但是從第1階段到第4階段，這個(gè)頻段的振動(dòng)能量存在先增強(qiáng)后減弱的過程。在第3個(gè)階段，這個(gè)頻段的振動(dòng)能量達(dá)到極值。這是因?yàn)榉植荚谳S承表面的局部缺陷引起的沖擊信號(hào)中有很大部分的沖擊能量分布在高頻段，當(dāng)?shù)?階段出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，高頻沖擊會(huì)增強(qiáng)。而在第4階段時(shí)，缺陷已遍布整個(gè)軸承，隨機(jī)性更強(qiáng)，高頻沖擊反而會(huì)減弱。另一方面，滾動(dòng)軸承的早期故障表現(xiàn)也體現(xiàn)在高頻段。 2、時(shí)域方法 在對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析之前，首先應(yīng)該對(duì)時(shí)域信號(hào)波形進(jìn)行觀察，可以獲得一些有用的信息，如是否有明顯的沖擊、脈沖的時(shí)間間隔、是否存在幅值調(diào)制和軸頻等信息。根據(jù)相鄰脈沖的時(shí)間差可以確定一些故障頻率。由于采樣的時(shí)間較長(zhǎng)，因此，需要放大局部時(shí)域信號(hào)，以便能清楚地觀察到這些信息。圖1為齒輪測(cè)試臺(tái)架上測(cè)量到的0.1s的加速度時(shí)域信號(hào)，在軸承內(nèi)圈上存在特定的故障缺陷，采樣頻率為100kHz。 圖1 內(nèi)圈存在特定故障的軸承振動(dòng)信號(hào) 從圖1中可以看出信號(hào)存在明顯的以軸頻fs的倒數(shù)為時(shí)間間隔的沖擊信息。這是因?yàn)槊啃D(zhuǎn)一圈，滾動(dòng)體通過有缺陷的內(nèi)圈位置以軸頻fs調(diào)制。除此之外，還存在比軸頻周期更短的沖擊信號(hào)，這是滾動(dòng)體通過內(nèi)圈故障的間隔頻率fbpfi的周期。想看到這個(gè)信息，需要放大時(shí)域信號(hào)，如放大時(shí)域數(shù)據(jù)的前10ms，可以看到存在3個(gè)明顯的沖擊信號(hào)。這些短時(shí)的沖擊將激起結(jié)構(gòu)的固有頻率，因此，沖擊后的時(shí)域信號(hào)是衰減型信號(hào)。 圖2 更短的時(shí)域信號(hào)顯示了內(nèi)圈的故障沖擊頻率 對(duì)于軸承的故障診斷而言，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行觀察確定一些信息之后。再對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有多個(gè)時(shí)域靜態(tài)統(tǒng)計(jì)參數(shù)可用于描述沖擊信號(hào)，如峰值、有效值、峰值因子、峭度等。這些參數(shù)可以按單值來統(tǒng)計(jì)，也可以按趨勢(shì)項(xiàng)來統(tǒng)計(jì)。單值統(tǒng)計(jì)是指時(shí)域數(shù)據(jù)全程僅統(tǒng)計(jì)一個(gè)值來表征，而趨勢(shì)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)則是每幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)一個(gè)單值，然后將每幀統(tǒng)計(jì)到的單值按時(shí)間先后順序連成曲線即為趨勢(shì)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。相對(duì)而言，趨勢(shì)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)更能表征信號(hào)不同時(shí)刻的沖擊特性。 有效值即均方根值，它是用來反映信號(hào)的能量大小，特別適用于具有隨機(jī)性質(zhì)的振動(dòng)測(cè)量。峰值是波形中的最大值，峰值的大小可以用來反映滾動(dòng)軸承某一局部故障點(diǎn)的沖擊力大小。峰值和有效值定義都很簡(jiǎn)單，但單次檢測(cè)的峰值和有效值不能作為故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械通常會(huì)展示出隨機(jī)變化性。而峰值因子定義為峰值與有效值之比，正常情況下，峰值因子約為3.5。 峭度系數(shù)定義如下： 式中x(i)為第i個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值，x(頂部帶-)是離散時(shí)域數(shù)據(jù)的平均值。由于是按四次方關(guān)系變化，則高的幅值被突顯出來，低的幅值則受到抑制，從而易于從頻率上識(shí)別故障。峭度系數(shù)對(duì)大幅值的信號(hào)最為敏感，當(dāng)大幅值出現(xiàn)的概率增加時(shí)，峭度值將迅速增大，因此測(cè)量峭度系數(shù)對(duì)含有脈沖的故障特別有效。 這些時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)可采用兩種不同的計(jì)算方法。第一種方法是計(jì)算全頻帶；第二種方法是計(jì)算離散頻帶。由于產(chǎn)生沖擊時(shí)，通常是軸承的故障頻率與軸頻或保持架旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，如果對(duì)包含故障頻率的頻帶進(jìn)行濾波，然后再計(jì)算相應(yīng)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)，那么，將更有助于體現(xiàn)故障帶來的沖擊。通常將頻帶劃分兩個(gè)頻帶，一個(gè)占主導(dǎo)地位的為故障頻率，另一個(gè)頻帶主要包含結(jié)構(gòu)共振頻率。通常第一頻帶低，第二個(gè)頻帶高。 峭度對(duì)信號(hào)中的沖擊特征很敏感，正常情況下其值應(yīng)該在3左右，如果這個(gè)值接近4或超過4，則說明機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀況中存在沖擊性振動(dòng)。當(dāng)軸承出現(xiàn)初期故障時(shí)，有效值變化不大，但峭度值已經(jīng)明顯增加，達(dá)到數(shù)十甚至上百，非常明顯。它的優(yōu)勢(shì)在于能提供早期的故障預(yù)報(bào)。當(dāng)軸承故障進(jìn)入晚期，由于剝落斑點(diǎn)充滿整個(gè)滾道，振動(dòng)模式變得更隨機(jī)，峭度反而下降，也就是對(duì)晚期故障不敏感了。 在Simcenter Testlab軟件中定義的峭度不是直接的峭度值，而是超出的峭度值（Kurtosis(excess)），即 以上的四個(gè)時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù)中，峭度和峰值因子是無量綱參數(shù)。除了峭度、波峰因子以外，無量綱的時(shí)域波形評(píng)定指標(biāo)還有： 無量綱波形評(píng)定指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是不受軸承尺寸、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及振動(dòng)信號(hào)大小的影響。多數(shù)情況下，這幾種無量綱指標(biāo)的診斷能力，按由大到小順序排列，依此為：峭度，裕度因子，脈沖因子，峰值因子，波形因子。 除了這些參數(shù)之外，還可用概率密度來反映軸承故障。通過對(duì)比正常軸承與有故障的齒輪的概率密度來判斷。 3、頻域方法 對(duì)于頻譜分析，除了將頻譜中的頻率成分與理論計(jì)算得到的軸承故障特征頻率進(jìn)行對(duì)比確定故障原因之外，還可對(duì)各個(gè)頻率成分的幅值進(jìn)行趨勢(shì)分析，從而確定各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)能量的變化趨勢(shì)。 在各個(gè)譜函數(shù)中，功率譜是最能反映振動(dòng)能量的，因此，對(duì)于軸承的頻域分析，通常是計(jì)算功率譜。對(duì)于頻域分析而言，通常先獲得狀態(tài)良好的滾動(dòng)軸承的功率譜作為基準(zhǔn)頻譜，然后對(duì)比基準(zhǔn)頻譜與實(shí)測(cè)頻譜，使用二者的差值來表明機(jī)械狀態(tài)的改變。對(duì)于滾動(dòng)軸承而言，頻譜的高頻段幅值通常會(huì)變化明顯，這是由于結(jié)構(gòu)的共振引起的。在與基準(zhǔn)頻譜進(jìn)行對(duì)比時(shí)，如果譜線的幅值增加6~8dB，會(huì)視為改變大；如果變化20dB會(huì)視為嚴(yán)重。 使用頻譜進(jìn)行振動(dòng)趨勢(shì)對(duì)比時(shí)，如果頻率軸使用線性方式顯示，那么，由于軸旋轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的頻率成分在頻譜圖中同樣出現(xiàn)波動(dòng)。軸轉(zhuǎn)速即使改變非常小，也能引起譜線峰值位置移動(dòng)，從而導(dǎo)致幅值差異明顯給出錯(cuò)誤的故障警告信息。而使用對(duì)數(shù)方式顯示時(shí)，則對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的譜線移動(dòng)不敏感，可以克服這個(gè)問題。 頻譜圖通常是二維的，但對(duì)于軸承故障而言，還可以采用瀑布圖或彩圖來顯示頻譜，特別是當(dāng)變轉(zhuǎn)速的時(shí)候。 4、包絡(luò)分析 對(duì)于滾動(dòng)軸承早期故障的檢測(cè)和診斷而言，包絡(luò)分析已經(jīng)成為振動(dòng)信號(hào)主要的處理技術(shù)之一。它是上世紀(jì)70年代早期開發(fā)出來的，最初稱為高頻共振技術(shù)。它也有很多其他名稱，如幅值調(diào)制、共振解調(diào)分析、窄帶包絡(luò)分析，而稱之為包絡(luò)分析似乎更受歡迎。 滾動(dòng)軸承的沖擊脈沖產(chǎn)生了一系列的調(diào)制波形，軸承的自振頻率為間隔頻率所調(diào)制，如果直接進(jìn)行頻譜分析，譜線中只會(huì)形成以調(diào)制頻率為間隔的邊頻帶。但是由于脈沖頻率能量很低，往往會(huì)被其它振動(dòng)信號(hào)所淹沒，尋找間隔頻率是很困難的。然而，在進(jìn)行頻譜分析之前，將振動(dòng)信號(hào)先經(jīng)過共振解調(diào)法處理，則故障特征頻率在頻譜圖上就能清晰可辨了。人們經(jīng)常認(rèn)為共振受故障特征頻率的幅值調(diào)制，這樣就不能檢測(cè)到受共振激勵(lì)的故障存在，也不能診斷出軸承出現(xiàn)故障的部件。而包絡(luò)分析為提取出周期激勵(lì)或共振中的幅值調(diào)制提供了手段。 包絡(luò)分析也是一個(gè)發(fā)展的過程，早期數(shù)字信號(hào)處理功能沒有如今強(qiáng)大，主要通過模擬電路進(jìn)行包絡(luò)分析。而如今采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)更為普遍，即首先是對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變化，使其相位移動(dòng)90度，形成一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)，復(fù)數(shù)信號(hào)的幅值即為信號(hào)的包絡(luò)曲線。 參考： 1. Ian Howard, A Review of Rolling Element Bearing Vibration "Detection, Diagnosis and Prognosis" 2. 沈立智. 《大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷》講義 本文轉(zhuǎn)自： (mbbeetchina)