基于振动信号的减速器轴承故障分析

摘要： 目前对减速器进行故障诊断是机械设备状态监视和诊断的重要内容，其运行状态对机械装备的整体将产生直接影响，因此对减速器进行故障诊断是非常必要的。本文对刮板输送机减速器中的滚动轴承的故障振动信号的特征进行了分析和研究。利用加速度传感器对减速器多个部位进行振动信号的采集，利用MATLAB软件对振动信号进行小波分层阈值消噪，对消噪之后的信号进行频域分析。

Abstract： At present， the fault diagnosis of reducer is an important content of monitoring and diagnosing mechanical equipment condition. Its running state will directly affect the whole mechanical equipment， so the fault diagnosis of reducer is very necessary. This paper analyses and researches the characteristics of vibration signals of retarder’s rolling bearing， does wavelet denoising for vibration signal by MATLAB software， and does frequency domain analysis after signal denoising.

关键词： 滚动轴承；故障诊断；小波消噪；减速器

Key words： rolling bearing；fault diagnosis；wavelet denoising；retarder

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）16-0034-02

1 实验装置

在本实验中，选择加速度压电传感器、NI数据采集卡等硬件对刮板输送机减速器进行振动信号的采集，数据采集程序使用VB编写，将数据以TXT的格式保存到本地电脑，以便于在matlab环境下进行数据的分析和处理。实验装置测试的简图如图1所示。

实验中所选用的刮板输送机减速器为二级传动减速器，为斜齿圆锥齿轮，第一级啮合齿轮的齿数为13、53，第二级啮合齿轮的齿数为12、50，减速器的减速比为16.987。根据齿轮啮合频率计算公式得到该减速器的两级啮合频率分别为314.17Hz和71.13Hz。在该减速器中，输出轴轴承的型号为N210EM，为圆柱滚子轴承，其外径为90mm，内径为50mm，宽度20mm，滚子直径11mm，滚子长度12mm，滚子数目16个。

2 轴承故障振动信号分析

对于减速器的输出轴圆柱滚子轴承存在故障的情况下采集到的数据，在实验中传感器被放置于轴承座12点钟位置和轴承座上方箱置，通过对采集的振动信号的时域参数的计算以及振动信号传递路径的分析，在实验中的消噪和频域分析中选择了轴承座上12点钟位置测得的振动数据作为分析对象。图2为采集到振动数据的时域信号和经过小波分层阈值消噪的信号以及振动信号的幅值谱和功率谱图。

从图2中可以看出，对比消噪前后的时域图像，小波分层阈值消噪能够消除信号中的大部分噪声。图中的另外两幅图像为幅值谱和功率谱，可以看出振动信号在频域中主要集中在低频部分，图3为幅值谱和功率谱的细化谱图，通过细化谱图可以分析采集到的振动信号的频率组成。

在细化谱图中，在0-200Hz之间主要有24.41Hz和73.24Hz两个频率成分，由于已知该实验中的圆柱滚子轴承的滚动体故障频率为11.47Hz，输出轴的转频为1.4Hz，因此这两个频率成分中24.41Hz（2*11.47Hz+1.4Hz）为滚动体故障频率经过输出轴转频调制而得，73.24Hz频率成分为第二级啮合齿轮啮合频率71.13Hz经过转频调制得到，由此可以判断圆柱滚子轴承的滚动体出现了故障，与人为预置的故障相同；在频谱图中的200-500Hz频率之间，主要存在249Hz、327Hz和351Hz的频率成分，其中249Hz（71.13Hz*3+5.928Hz*3）频率成分为第二级齿轮啮合频率经过减速器中间轴转频5.928Hz调制得到的， 327Hz（314.17Hz+5.93Hz*2）和351Hz频率成分为第一级齿轮啮合频率314.17Hz经过减速箱中间轴的转频5.93Hz以及输出轴转频1.4Hz调制所形成的；在500Hz-1000Hz之间主要存在600.6Hz、625Hz和576.2Hz频率成分，这些频率也是经过齿轮箱第二级齿轮啮合频率、圆柱滚子轴承故障频率和输出轴转频调制所形成的。在本实验测得振动数据中，虽然对圆柱滚子轴承进行了人为的故障破坏，但是由于是减速器输出轴轴承，因此测取的振动信号中的频率成分组成比较复杂，减速器为是两级传动，其中必然会包含减速器各级传动齿轮的啮合频率、轴承故障频率以及各级轴的转频相互调制的现象，对于分析轴承故障频率会存在干扰。

3 结语

为了更好的判断轴承的故障是否存在，在实验中还对正常的轴承振动信号进行了采集，采集的位置和参数设置均和轴承滚动体存在故障时是相同的，并且对采集到的振动信号进行了小波分层阈值消噪，绘出了振动信号的幅值谱和功率谱图像，以此来对比轴承正常和存在故障时的信号时域和频域图形了参数的区别。从其细化谱图中可以看出，主要的频率成分都是两级齿轮副和转轴转频调制形成的，在频域图中没有出现轴承故障频率成分，对之前的轴承故障信号中的频域成分形成了较为明显的区别。

参考文献：

[1]钟秉林，黄仁.机械故障诊断学.北京：机械工业出版社，1997：102-210.

[2]张维强，宋国乡.基于一种新的阈值函数的小波域信号去噪[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2004，31（2）：296-299.

[3]罗礼培.机动设备滚动轴承损伤的检测技巧[J].商用汽车，2012（08）.