基于EMD分解和共振解调的滚动轴承故障诊断研究.pdf

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1、第27卷第3期石家庄铁道大学学报(自然科学版)v。1.27N。.3201409月JOURNALOFSHIJIAZHUANGTIEDAOUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Sep.2014基于EMD分解和共振解调的滚动轴承故障诊断研究左庆林。马怀祥(1.石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;2.天津市地下铁道运行有限公司,天津300051)摘要:在介绍滚动轴承的故障机理的前提下,采用振动信号分析法对滚动轴承状态监测和故障诊断进行研究。通过LabVIEW编程,应用EMD分解和共振解调相结合的方法,对振动信号进行分析,获取有用故障特征,进而确定故障类型。

2、关键词:滚动轴承;故障诊断;EMD;共振解调中图分类号:TP274文献标志码:A文章编号:2095—0373(2014)03—0059—050引言滚动轴承是机械传动中重要的受力部件,其性能的好坏直接影响到机械传动能否正常运行,同时也影响到设备的使用寿命和人身安全。为确保滚动轴承正常运行,发现滚动轴承的潜在故障,有必要对滚动轴承进行状态监测和故障诊断,以期提高设备的使用效率,避免不必要的事故发生。目前,对于滚动轴承的诊断方法很多,其中包括振动信号监测法、轴承润滑状态监测诊断法、油液分析法、温度分析法等,其中,振动信号监测法是最成熟也是最有效的监测方法之一⋯。因此,采用振动信号分析

3、方法对滚动轴承的运行状况和故障诊断进行研究具有重要意义。1滚动轴承故障机理滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。其典型结构如图1所示。一般情况下,外圈装在轴承座孔内,不转动,内圈装在轴颈上,随轴转动,滚动体是滚动轴承的核心部件,保持架负责将各滚动体均匀排列。滚动轴承有多种故障形式,主要为:疲劳剥落、胶合、磨损、腐蚀、裂纹、压痕和保持架变形等。滚动轴承转动时,零件的损伤将导致滚动接触过程中产生周期性的冲击,进而产生具有同周期的脉冲力,激起滚动轴承的规则振动,产生某一故障所对应的特征频率L2J。通过信号分析,分析出这些特征频率,也就找出了I滚动轴承的故障所在。其中滚动轴承的故障

4、特征频率可图1滚动轴承典型结构图由滚动轴承的几何尺寸和转速计算出来。滚动轴承的各部件故障特征频率计算公式为内圈故障特征频率=zfo(1+dc。stg)/2DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.13收稿日期:2013—07—02作者简介:左庆林男1988年出生硕士研究生基金项目:河北省教育厅自然科学重点项目(zh2011215)石家庄铁道大学学报(自然科学版)第27卷外圈故障特,仕频=zfo(1一号c。so)/2(2)滚动体上一点通过内圈或外圈的故障特征频:Dfo~l一()(c。s)]/2d(3)一个滚动体(或保持架)通过内圈上一点的频

5、厶=fo(1+cos0)/2(4)z个滚动体通过内圈上一点的频率=Zfo(1+dc。s0)/2(5)一个滚动体(或保持架)通过外圈上一点的频=fo(1一号c。s0)/2(6)Z个滚动体通过外圈上一点的频率6=Zfo(1一dc。s0)/2(7)保持架的旋转频率即滚动体的公转频率=fo(1一号c。s0)/2(8)式中,Z为滚珠的个数:为轴承的转速:d为滚子直径:D为轴承节径:为接触角。2EMD分解和共振解调2.1EMD分解法EMD又叫经验模态分解法,是希尔伯特黄变换(HHT)的核心所在。它的思想是将一个复杂信号分解为多个本征模态函数IMF之和,这些本征模态函数满足以下两个条件:(1

6、)在整个数据序列中,极值点的数量与过零点的数量必须相等,或最多相差一个。(2)在任一时间点上,信号的局部极大值和局部极小值定义的包络平均值为零。EMD分解流程图见图2所示。有了EMD分解,就可以把一个复杂的非平稳、非线性的测试信号分解为一组稳态、线性的数据集,也就是一组本征模态函数(IMF)J。HHT中,将每个IMF分量做希尔伯特变换,使得HHT具有完全的自适应性,且不受Heisenberg测不准原理制约,彻底摆脱了线性和平稳性的要求,并且能在时域和频域同时达到很高的精度。2.2共振解调法滚动轴承在运转过程中,除典型故障所引起的振动冲击以图2EMD方法流程图外,还受到非故障振动

7、冲击、环境噪声冲击。另外,由于传感器所带进的噪声引起的振动信号的混叠。这些非典型故障振动冲击的信号能量往往比典型故障所引起的振动信号能量大得多。由此带来的问题是在对原始信号,甚至是滤波后的信号进行谱分析时,由于故障所引起的振动信号的能量掩埋在混杂的信号能量中,给故障诊断带来巨大的麻烦。当采用共振解调法对信号进行分析时,却可以方便高效地提取第3期左庆林等:基于EMD分解和共振解调的滚动轴承故障诊断研究63ResearchonRollingBearingFaultDiagnosisBasedon

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