基于Hilbert共振解调法的滚动轴承振动故障诊断

摘 要：采用基于Hilbert变换的共振解调技术，从共振信号中解调出故障特征信号，对故障特征频率进行分析，并经过实验诊断出轴承故障类型和部位，验证了该损伤诊断方法的优越性。

关键词：滚动轴承；故障诊断；共振解调技术

1 概述

滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种机械部件，它的运行状态影响整台机器的性能，包括精度、可靠性等。同时它也是机器中最易损坏的元件之一。由于轴承使用寿命的离散性很大，若对其按设计寿命进行定时维修更换，则有可能使故障轴承得不到及时维修和替换，导致机械工作精度下降，甚至引发事故。因此对滚动轴承进行工况监视与故障诊断，改传统的定时维修为视情维修或预知维修，具有重要意义[1]。

滚动轴承最常见的故障形式为局部损伤和磨损，主要由运转过程中的腐蚀、疲劳、塑性变形、胶合引起。局部损伤具有突发性，会加剧运行时的冲击载荷，有可能在较短时间内发展为大片剥落，危害很大，因此力争在局部损伤出现的早期，就检测到其特征信号并对其进行定位[2，3]。

2 实验和结果

2.1 实验设计

滚动轴承故障实验系统由机械驱动装置、轴系、加载装置、振动信号采集系统组成，如图2所示。机械驱动装置为变频调速电机及齿轮减速箱，轴转速可在15～748r/min之间调整。轴系包括直径100mm的轴、1个推力轴承、1个圆柱滚子轴承和1个受测的6220型深沟球轴承。受测轴承共有三种试件，分别为无故障轴承、外圈故障轴承和内圈故障轴承（用电火花加工方式分别在外圈、内圈上模拟出点蚀坑）。加载装置通过总放大倍数为200的两级杠杆给轴承施加7000N的径向载荷。振动信号采集系统由手持式转速计、CA-YD-103加速度传感器、DHF-7电荷放大器、凌华PCI-1812采集卡、工控机组成。

2.2 故障特征频率计算

文章的实验分别模拟了外圈单处点蚀故障和内圈单处点蚀故障。

可以计算出外圈故障特征频率fout为57.09Hz，内圈故障特征频率fin为79.31Hz，其边频带谱间隔频率为fs=12.40HZ。

2.3 数据处理及结果分析

分别对外圈故障和内圈故障轴承的振动实测信号进行处理和分析。

（1） 滚动轴承外圈滚道有一处点蚀坑时，所测振动信号的时域波形经过共振解调后的信号频谱见图1。可见经过共振解调的信号频谱可以明显看出故障特征频率及其倍频。由此可看出共振解调法用于滚动轴承局部损伤诊断的有效性。在56.88Hz、113.77Hz、170.65Hz、227.54Hz处有谱峰，与滚动轴承外圈故障特征频率57.09Hz及其2倍频114.18Hz、3倍频171.27Hz、4倍频228.36非常接近。这些谱峰的幅值非常明显，周围无边频带谱，轴承点蚀故障时振动信号出现明显的冲击振动。

（2） 滚动轴承内圈滚道有一处点蚀坑时，共振解调信号频谱见图2。共振解调频谱以0Hz（零倍频）、80.32Hz和160.64Hz为中心，以12.45Hz为间隔出现了边带谱族。其中80.32Hz和160.64Hz与内圈故障特征频率79.31Hz及其2倍频158.62很接近，12.45Hz与理论计算所得内圈故障边带谱线间隔12.40Hz非常接近。

3 结束语

滚动轴承发生局部损伤时的特征信息，通常会对轴承结构共振产生调制作用。利用基于Hilbert变换的共振解调技术，从高频共振信号中将调制信号解调出来，就放大和分离了故障特征信息，从而能准确诊断轴承局部损伤。实验结果也验证了这一点。从而说明基于Hilbert变换的共振解调技术是分析和监测滚动轴承故障的有力工具。

参考文献

[1]梅宏斌.滚动轴承振动监测与诊断―理论・方法・系统[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]高广华，危韧勇，李志勇，等.Hilbert谱分析方法及计算机仿真实现[J].机械与电子，2006（10）.

[3]任国全，韦有民，郑海起.基于小波分析的轴承故障诊断研究[J].河北省科学院学报，2002（5）.

[4]朱宜尧.SKF197726型轴承故障原因分析[J].铁道机车车辆工人，2004.