滚动轴承故障信号时域特征指标的敏感性分析

王柏杨，刘永强，廖英英

(石家庄铁道大学 a.机械工程学院;b.土木工程学院，石家庄 050043)

在滚动轴承状态监测及故障诊断的分析中[1-3]，特征参数法占有重要的地位，其仅需少数指标就可以简易判断出轴承的状态，分析简单且方便[4]。但常用的时域特征指标太多，因此，提出了一种利用故障模拟信号分析时域特征指标敏感性的方法，并通过试验验证了理论分析结果，找出了敏感性强、可应用于轴承故障诊断的特征指标。

1 时域特征指标

在故障分析中最常用的时域特征指标有裕度指标、波形指标、峭度指标、脉冲指标、峰值指标、峰态指标、偏态指标等[5～7]，其表达式如下：

裕度指标

(1)

波形指标

(2)

峭度指标

(3)

脉冲指标

(4)

峰值指标

(5)

峰态指标

(6)

偏态指标

(7)

式中：X＾为峰值；Xr为方根幅值；Xp为均值；XRMS为有效值。当发生故障时这些指标数值会有不同程度的增大。

2 仿真信号分析

2.1 模拟信号

模拟信号由冲击信号、噪声信号和谐波信号3部分组成，表达式为

(8)

式中：α为衰减率，缺省值为800；t为时间；A为冲击幅值；f1为冲击导致的共振频率，缺省值3 kHz；z为随机数；B为噪声幅值；C为谐波幅值，缺省值为1；f2为谐波频率(转频)，缺省值10 Hz。

2.2 故障特征敏感性分析

当信号幅值减小到1×10-5或增加到1×1015时，特征值几乎不再变化，因此，在该范围内改变模拟信号的冲击幅值、噪声幅值以及谐波幅值，分析时域指标在幅值变化时的情况，从而判断其敏感性强弱，结果如图1所示。

图1 时域指标随信号幅值的变化情况

从图1可以看出，在信号幅值为1时，各指标的特征值会有变化，综合分析可知，裕度指标、脉冲指标、峭度指标和峰值指标较敏感，而其他几个指标不敏感，需要将此结论与实际信号进行对比，观察敏感性是否一致。

3 实际信号分析

试验采用 QPZZ-II 型机械故障模拟及试验平台，可以模拟不同速度下轴承的故障特征，转速范围为75～1 450 r/min。试验平台的信号采集及故障诊断系统由加速度传感器、电缆线、接线端子、信号调理器、采集卡、采集软件、故障诊断软件等组成，能够完成振动信号采集、储存，基本的信号处理及常规的故障诊断等工作。

试验轴承为N205EM型圆柱滚子轴承，内径25 mm，外径52 mm，宽度15 mm，转速变化范围为200 ～1 000 r/min。根据轴承常见的故障类型，在轴承上沿滚道方向及滚动体长度方向加工故障，内、外圈及滚子故障长度分别为22， 50和7.5 mm，故障宽度均为0.1 mm。利用旋转机械故障试验台研究转速和故障深度(0.2，0.4和0.6 mm)对无量纲特征参数的影响。

3.1 不同转速下各时域指标的敏感性分析

故障深度0.2 mm时，内、外圈及滚子故障信号的时域指标随转速的变化情况如图2所示。

图2 时域指标随转速的变化情况

从图2可以看出，在同一工况下，内圈及滚子故障信号的特征值较大，且随转速的变化幅度比较明显，而外圈故障信号与正常信号的特征值较小，变化比较平稳。总体而言，这几个时域指标对转速的变化并不敏感。

3.2 不同故障深度时各时域指标的敏感性分析

转速为400 r/min时，不同的故障深度对故障特征指标敏感性的影响如图3所示。

Ⅰ—裕度指标；Ⅱ—波形指标；Ⅲ—脉冲指标；Ⅳ—峰值指标；Ⅵ—峭度指标图3 不同的故障深度对时域指标的影响

从图3可以看出，对于滚子及内圈故障，各指标敏感性的强弱顺序均为峭度指标→裕度指标→脉冲指标→峰值指标；而对于外圈故障，各指标敏感性的强弱顺序则为裕度指标→脉冲指标→峰值指标→峭度指标。综合分析可知，故障深度为0.4 mm时，各指标的特征值最大；对于同一故障深度，裕度指标和脉冲指标的敏感性较好。

4 结束语

通过对模拟信号的分析，提取出了较敏感的裕度指标、脉冲指标、峭度指标和峰值指标，进一步对试验轴承不同转速及不同故障尺寸的试验表明，裕度指标和脉冲指标相对较敏感，可以在故障判别中赋予较大的权重，但如何在工程实际中应用，仍需进一步研究。