DOI:10.13436/j.mkjx.2012.02.055 第 33 卷第 02 期 2012 年 02 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.33 No.02 Feb. 2012 基于振动的滚动轴承故障诊断技术研究 * 蒋 超 1， 张应红 1， 徐晋勇 1， 赵家臣 2， 高 成 1 （1. 桂林电子科技大学 机电工程学院， 广西 桂林 541004； 2. 广西右江矿务局， 广西 田东 531501） 摘 要： 从振动信号处理角度阐述了滚动轴承故障诊断的诊断流程，总结了时域分析、频域分 析（包括倒频谱分析、包络分析和谱峭度法）、小波分析、循环平稳信号分析 4 种主流的滚动轴承故 障特征信号提取处理方法最新研究进展。 并在此基础上，进一步指出了该技术的发展方向。 关键词： 滚动轴承； 故障诊断； 包络分析； 小波分析； 循环平稳 中图分类号： TH133.33 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2012）02 － 0235 － 03 Research on Fault Diagnosis Techniques for Roller Element Bearing Based on Vibration Analysis JIANG Chao1， ZHANG Ying-hong1， XU Jin-yong1， ZHAO Jia-chen2， GAO Cheng1 （1. School of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China； 2. Guangxi Youjiang Mine Bureau， Tiandong 531501, China） Abstract: Fault diagnosis process of rolling element bearing was stated based on vibrarion analysis. The aim of this review is to provide an up -to -date summary of recent advances in field of feature extraction method in rolling element bearing fault diagnosis, which involves time domain analysis, spectral analysis (including cepstrum, envelope analysis and spectral kurtosis), wavelet analysis and cyclostationary signals analysis. On this basis, this paper also discussed developing direction of this technology. Key words: rolling element bearing； fault diagnosis； envelope analysis； wavelet analysis; cyclostationarity 0 前言 不同，但不失共性。 随着滚动轴承零件的几何尺寸、 工作状态、故 障类型等因素不同，滚动轴承故障诊断方式也略有 * 科技部科技人员服 务 企 业 行 动 项 目 （2009GJE10013）；广 西 科 技 攻 关项目资助（1099022-1, 10123005-12） 滚动轴承故障诊断方法有多种， 如振动法、声 发射方法、油液分析法和温度监测法等。 其中，振动 法以其在诊断过程中运用范围广，且可适用于实时 在线监测的优势，被认为是评估轴承运行状态最广 泛应用的一种方法。 本文综述了基于振动的滚动轴 承故障诊断技术研究进展。 1 滚动轴承故障诊断技术进展 滚动轴承故障诊断思路大致可分为 3 个环节： （1）振动信号的产生与拾取。 当轴承正常运行时，相 应的会产生振动信号。 振动信号的来源，一方面源 自轴承自身结构和工作特点， 诸如轴承加工精度 、 装配水平、负载、转速和润滑等工作环境因素；另一 方面则来自于轴承自身的故障，如剥落、磨损、压痕 和振蚀等损伤情况。 根据采样定理 ，通过安置于轴 承座 垂 直 、水 平 、轴 向 3 个 方 向 的 传 感 器 对 振 动 信 号进行拾取，将滚动轴承振动信号转化为数字化电 信号 ，并 传 送 至 信 号 处 理 器 进 行 分 析 处 理 ，进 而 完 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 镗床进行加工； ［2］王宝剑． FMEA 在液压支架设计中的应用 ［J］. 煤矿机械，2010，31 （6）正确使用 在使用过程中应对液压支架操 作工人进行定期培训，正确操作液压支架减少人为 错误对液压支架的损坏，避免液压支架处高射状态 使掩护梁处于过载状态。 4 结语 通 过 对 液 压 支 架 掩 护 梁 的 使 用 过 程 故 障 模 式 影响分析，可以得到最大严酷度为掩护梁断裂。 通 过对掩护梁断裂采用故障树分析，得到引起掩护梁 断裂根本原因并制定相应提高质量措施 ，为防止或 减少故障发生提供依据。 参考文献： ［1］刘混举． 机械可靠性设计［M］. 北京：国防工业出版社，2009. （8）：202－204. ［3］丁农． 液压支架结构件焊接质量控制 ［J］. 煤矿机械，2010，31（9）： 105－106. ［4］王 宝 剑． 结 构 件 焊 接 工 艺 、 特 点 及 其 应 用 ［J］. 铁 道 机 车 车 辆 工 人，2007（8）：9－11. ［5］彭友禄． 焊接工艺［M］. 北京：人民交通出版社，2002. ［6］章元． 五沟煤矿 ZY7600 ／ 24 ／ 50 液压支架掩护梁损坏原因分析［J］. 煤 矿开采，2010（4）：66－67. ［7］王罡． 浅析煤矿液压支架结构件焊接工艺［J］. 煤，2008（1）：32-33. ［8］中国煤炭工业部． MT/T587-1996 液压支架结构件制造技术［S］. 北 京：中华人民共和国煤炭工业部，1996. 作者简介： 黄磊（1987- ），河南新乡人，太原理工大学在读研究 生，研究方向：可靠性工程，电子信箱：huanglei1200@126.com. 责任编辑：武伟民 收稿日期：2011－08－20 235 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol.33No.02 成振动信号拾取过程；（2）振动信息特征信号的提取。 在所拾取的的振动信号中，研究感兴趣的早期故障信 号往往因信号微弱的特点而被掩藏于强背景噪声之 下。 因此，需采用有效的信号处理方法将特征信号从 振动信息中提取出来，达到“去伪存真”的目的；（3）故 障模式的识别、诊断与预测。 轴承故障诊断的根本任 务是根据轴承运行中的振动信息识别轴承故障，分析 故障的类型、性质、部位和产生原因，指明故障发展趋 势和处理意见等。 实质在于模式识别问题。 从分析诊断流程的基础上可知，轴承故障诊断 技 术 的 关 键 和 难 点 在 于 尽 可 能 提 高 故 障 特 征 信 号 的特征 提 取 能 力 ，增 强 故 障 识 别 能 力 ，为 轴 承 故 障 提供一定的参考意见。 本文将从振动信号特征提取 方法的角度 ，对 时 域 分 析 、频 域 分 析 、包 络 解 调 、小 波分析、循环平稳信号分析等主流方法研究进展进 行综述。 1.1 时域分析 故 障 诊 断 时 域 分 析 是 在 时 间 坐 标 轴 上 表 示 振 动信息的方法。 在时域分析方法中，主要通过观察 信 号 的 基 本 统 计 特 征 及 概 率 分 布 特 征 来 辨 别 轴 承 故障。 其中，有效值与峰值、峰值系数、峭度指法是 滚动轴承故障诊断中应用比较广泛的时域指标。 有 效值反映了振动的能量大小，对于滚动轴承磨损失 效 ，因 失 效 过 程 具 有 渐 变 性 ，其 整 体 振 动 水 平 明 显 高于正常轴承，故而可用有效值或峰值作为轴承异 常的判断指标。 峰值系数是指峰值与有效值之比 。 峭度因子随轴承故障情况变化而变化，能提供早期 的故障预报，但不适于晚期故障诊断。 与此同时，峰 值系数与峭度因子属于无量纲特征参数，克服了有 效值 、峰 值 等 有 量 纲 参 数 受 轴 承 尺 寸 、转 速 及 载 荷 等因素影响的缺点。 研究表明，时域分析方法可有 效地对滚动轴承是否故障进行简易诊断，但若要求 准确判 断 轴 承 故 障 的 部 位 、类 型 与 损 伤 程 度 ，须 进 行精密诊断。 1.2 频谱分析 频谱分析是一种重要的 ，工程实践中最常使用 的故障诊断信号处理方法，它反映了信号频率成分 以及分布情况，其理论基础是傅里叶变换。 常用的 有倒频谱分析、共振解调技术和谱峭度法。 （1）倒频谱分析 倒频谱也称为二次频谱分析，是检测复杂谱图 中周期分量的有用工具。 其定义为对对数功率谱作 傅里叶逆变换。 倒频谱分析具有以下 2 个特点：① 它能有效地拾取轴承故障周期信号，并利用给故障 信号加权的方式，进一步突显周期性的微弱故障信 号 ；②由 于 倒 频 谱 对 功 率 谱 进 行 取 对 数 处 理 ，使 得 236 基于振动的滚动轴承故障诊断技术研究———蒋 超，等 第 33 卷第 02 期 原 本 调 制 信 号 的 功 率 谱 计 算 由 乘 积 运 算 变 为 相 加 运算，因而可消除噪声信号对故障信号的影响。 （2）共振解调技术 共振解调技术又称包络解调，被认为是应用于 滚动轴承故障诊断最成功的方法之一。 对于微弱冲 击 形 式 出 现 的 滚 动 轴 承 故 障 （诸 如 剥 落 、点 蚀 等 ）， 当滚动轴承运行进入故障区域时，其产生的周期性 短暂冲击脉冲将激起高频共振响应，再加之幅值调 制现象的产生， 若直接对振动信号进行频谱分析， 将难以识别轴承故障。 共振解调技术可有效解决上 述问题。 首先通过高频带通滤波器将放大的故障信 息从 调 制 信 号 中 解 调 出 来 ，后 经 低 通 滤 波 器 ，得 到 相对于低频冲击的、 放大并扩展了的共振解调波。 它的主要特点在于极大地提高了信噪比，对提取轴 承故障的微弱冲击信号十分有效。 P.D.Mcfadde 和 M.M.Toozhy 研究了将信号同步 平均技术与共振解调技术两者相结合的分析策略， 并运用到轴承内圈剥落实验中。 北京工业大学高立 新等对软件和硬件 2 种共振解调方法进行了研究 ， 对比分析表明，当冲击信号较弱时,硬件共振解调相 对 于 软 件 共 振 能 有 效 地 提 取 机 械 早 期 故 障 的 微 冲 击信号。 国内学者王平等针对共振解调技术在应用 中 须 首 先 确 定 高 频 共 振 频 率 和 带 通 滤 波 器 的 中 心 频率 的 缺 点 ，提 出 了 自 适 应 共 振 解 调 技 术 ，其 优 势 在于自动识别高频共振频率，进而能自适应地改变 带通滤波器的中心频率。 （3）谱峭度法 针对共振解调技术存在的缺点，另一种方法— 谱峭度法，亦给出了可行地解决方案 。 谱峭度是在 峭度的基础上由 Dwyer 扩展提出的。 它的主要特点 在于能在强背景噪声下确定故障特征频率的频带， 可 为 共 振 解 调 技 术 提 供 准 确 的 带 通 滤 波 器 参 数 。 Jerome Antoni 和 R.B.Randall 总 结 了 谱 峭 度 的 定 义 及其估算过程处理方法。 目前，谱峭度方法应用于 故障诊断已取得一定成效。 Valeriu Vrabie 等将谱峭 度方法运用到感应电动机轴承故障诊断之中。 1.3 小波分析 小 波 分 析 是 在 应 用 数 学 与 工 程 应 用 领 域 中 逐 渐发展起来的一种时频局部化分析工具。 它采用可 变时频域窗函数对信号进行多尺度细化，克服了传 统 FFT(傅里叶分析)分析非平稳信号的局限性，具有 多分辨率、能够同时提供时频信息的特点。 近年来 成为应用最广泛、最活跃的动态信号分析方法。 Brian T.Holm Hansen 等 详 细 叙 述 了 定 制 小 波 分析方法构造的过程。 实验表明，定制小波分析比 标 准 小 波 分 析 在 提 高 计 算 效 率 和 信 噪 比 2 方 面 更 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 33 卷第 02 期 具优势，并适用于在线故障诊断系统。 Khalid F.Al- Raheem 等 运 用 Laplace 小 波 提 取 轴 承 故 障 特 征 信 号取得了良好的效果。 西安交通大学林京等提出了 一种基于 Morlet 小波的降噪方法，通过模拟信号的 比较可以发现此方法比 Donoho 的软阀值降噪方法 更有效。 同济大学何斌等采用了 Swdldens 提出的提 升方法构造小波（又称第 2 代小波），利用小波基对 故障特征信号敏感的特点，有效地判断了轴承是否 故障。 南京航天航空大学陈果提出了一种基于二进 离散小波变换的轴承故障特征自动提取技术，确定 了 小 波 函 数 相 关 参 数 的 选 取 准 则 及 自 动 提 取 特 征 参数的方法，实验验证了特征参数选取的有效性。 1.4 循环平稳信号分析 循 环 平 稳 信 号 是 其 统 计 特 征 参 数 随 时 间 按 周 期或多周期规律变换的一类非平稳信号。 其分析方 法主要是通过引入循环频率概念，在一定程度上将 非平稳信号转化为平稳信号进行处理。 由于滚动轴 承在几何结构上具有对称性，故障冲击脉冲经调制 后多表现为二阶统计量呈现周期性，即滚动轴承故 障信号体现了明显的“准“循环平稳特性 。 因此，循 环平稳分析成为近年信号分析领域中的一个热点。 Antoniadis 和 G.Glossiotis 从谱相关密度的角度 对滚动轴承故障进行分析，指出循环平稳分析较频 谱分析更有效。 J.Antoni 等总结了一阶、二阶、高阶 循环平稳信号分析方法，并将此方法实际应用于发 动机、齿轮箱和滚动轴承之中。 东南大学贾民平等 分析了滚动轴承故障信息为典型的周期平稳信号； 提出先对滚动轴承故障信号进行带通滤波，然后利 用 二 阶 循 环 统 计 量 解 调 来 进 行 故 障 特 征 识 别 的 方 法。 上海交通大学周福昌等针对单独使用二阶循环 平 稳 分 析 并 不 能 很 好 地 提 取 信 号 中 潜 在 的 周 期 性 成分，提出先采用 Morlet 小波滤波作为信号的预处 理手段 ，然 后 利 用 循 环 平 稳 度 分 析 方 法 ，对 滚 动 轴 承早期故障振动信号进行快速准确的诊断。 实验结 果验证了该方法的有效性。 2 滚动轴承故障诊断技术发展方向 本文着重于振动分析方法，对滚动轴承故障诊 断技术研究进展进行了综述。 一方面介绍了振动法 应用于滚动轴承故障诊断的情况，概述了滚动轴承 故障诊断流程，提出故障诊断技术的关键点在于提 高故障特征信号的处理能力；另一方面从滚动轴承 故障信 号 处 理 方 法 中 的 时 域 分 析 、频 域 分 析 、小 波 分 析 和 循 环 平 稳 信 号 分 析 4 个 方 面 进 行 了 总 结 与 分析。 综上所述，滚动轴承故障诊断技术随时间推移 237 基于振动的滚动轴承故障诊断技术研究———蒋 超，等 Vol.33No.02 取得了很大的发展，并逐渐成为工程应用研究的一 个焦点。 目前，滚动轴承的故障诊断技术发展方向 如下： （1）变 工 况 、变 转 速 的 滚 动 轴 承 故 障 诊 断 研 究 是目前研究的热点。 主要是通过对外圈故障、内圈 故障 、滚 动 体 故 障 等 不 同 工 况 ，高 速 和 低 速 等 不 同 转速下轴承运行状态进行监测，从而建立起全方位 的滚动轴承诊断系统； （2） 诊断信息的质量是提高机器确诊率的关 键。 结合分析滚动轴承运行模式特点与故障机理， 选 择 合 理 有 效 的 现 代 信 号 处 理 方 法 对 故 障 特 征 信 息进行提取，提高诊断效率； （3） 信息融合技术在滚动轴承故障诊断中应 用。 信息融合技术既包含多种诊断方法应用于轴承 故障诊断的含义，诸如清华大学郝如江提及的声发 射技术可作为振动分析方法的补充等；又包含单个 诊断技术中多种分析方法的结合，如全息谱技术； （4）智能诊断与远程诊断。 近年来，专家系统、 神经网络、模糊识别、故障树分析、灰色理论被更多 的科研工作者应用到故障诊断领域，智能诊断应用 于轴承故障诊断也越来越广泛，成为值得关注的动 向之一。 随着计算机技术和网络技术的不断发展， 关 键 机 器 部 件 的 远 程 故 障 诊 断 技 术 也 将 成 为 一 重 大趋势。 参考文献： ［1］何正嘉,訾艳阳,张西 宁. 现 代 信 号 处 理 及 工 程 应 用 ［M］. 西 安 ：西 安交通大学出版社，2007. ［2］Jerome Antoni. The Spectral Kurtosis : A Useful Tool for Charac- terising Non-Stationary Signals ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing, 2006(20):282-307.. ［3］Khalid F.Al-Raheem, Asok Roy, K.P.Ramachandran et al. Applica- tion of The Laplace-Wavelet Combined With ANN for Rolling Fault Diagnosis［J］. Journal of Vibration and Acoustics, 2008(130):(1-9). ［4］何 斌 ，戚 家 杰 ，黎 明 和. 小 波 分 析 在 滚 动 轴 承 故 障 诊 断 中 的 应 用 研究［J］. 浙江大学学报（工学版），2009(7):1 218-1 221. ［5］陈 果. 滚 动 轴 承 早 期 故 障 的 特 征 提 取 与 智 能 诊 断 ［J］. 航 空 学 报, 2009(2):362-367. ［6］J.Antoni, F.Bonnardot, A.Raad et al. Cyclostationary Modelling of Rotating Machine Vibration Signals ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing, 2004(18):1 285-1 314. ［7］Robert B.Randall, Jerome Antoni. Rolling element bearing diagnos- tics-A tutorial［J］. Mechanical Systems and Signal Processing, 2011 (25):485-520. ［8］郝如江,卢文秀,褚福磊. 声发射监测技术用于滚动轴 承 故 障 诊 断 的研究综述［J］. 振动与冲击,2008(27):75-79. 作 者 简 介 ： 蒋 超 （1987- ），湖 南 零 陵 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，主 要 研究方向： 机械故障监测与 诊 断 ， 电 子 信 箱 ：xujinyong62@163.com. 通讯作者：徐晋勇. 责任编辑：武伟民 收稿日期：2011－07－13 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net