共振解调技术用于滚动轴承早期故障诊断

郑晴晴，叶建伟

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司，湖北武汉 430000）

0 引言

作为各类旋转机械中最为常见的一种机械部件，滚动轴承较易损坏。但是在很多情况下，滚动轴承的工况对整台设备的正常运行有着重要影响。

随着对滚动轴承状态监测和故障诊断工作重视程度的不断加强，近年来相关故障诊断方法也越来越多。最初用于滚动轴承故障诊断的方法是时域分析法，利用时域信号的数字特征，如波峰因子、峭度指标等，进行故障诊断。时域分析法对滚动轴承定性判断的可靠性，在很大程度上取决于对判断阈值的选择，有一定局限性。由时域分析法衍生出的频谱分析法，可以对滚动轴承故障进行精密诊断。共振解调分析法是频谱分析法的一种。

1 共振解调技术

共振解调分析法又称为早期故障检测（Incipient Failure Detection，IFD）技术，利用调制技术将低频信号调制到高频共振频率区，将低频的冲击信号与其他能量巨大的低频信号分离，从而有效利用滚动轴承的故障信息，对滚动轴承进行故障诊断。该法的灵敏度和可靠性较高。

共振解调分析法的基本原理：滚动轴承在受载运行时局部损伤面会与其他元件表面产生相互作用，进而产生含有故障特征的低频信号并伴随着频带较宽的冲击脉冲力。由于该脉冲力中含有滚动轴承外圈、附加的谐振器及传感器等的固有频率，从而引起系统高频固有振动。选择某一高频固有振动，利用中心频率与该固有振动频率相等的带通滤波器，将故障振动频率分离。将分离出的信号经包络检波器检波后，得到低频包络信号。该信号包含轴承故障特征信息，最后对该信号进行频谱分析，可精密诊断滚动轴承的故障。共振解调分析法有4个特点。

（1）共振解调谱线与故障冲击相互对应，有谱线说明有冲击、有故障，无谱线说明冲击小、无故障。这一点与直接对振动信号进行频谱分析大不相同，即使没有故障也会有很多谱线，而有故障的振动信号中则很难找到对应的故障谱线。

（2）共振解调幅值与故障冲击强度成正比，幅值越高，故障越严重。

（3）共振解调抵抗频率动干扰性好，信噪比较高。

（4）冲击故障频谱呈多阶梳状谱线，该特征有别于低频振动。

2 现场案例

诊断对象是上海通用汽车公司总装车间的一台DVT电机。电机驱动端与皮带连接，通过皮带驱动滚轮对汽车进行动态测试（图1）。电机驱动端的滚动轴承型号为6313（深沟球轴承）。将电机转速控制在1000 r/min，利用压电加速度传感器采集驱动端数据（测点V_a），采样频率12 800 Hz，采样点数2048。分别对采样信号进行时域、频域和共振解调谱分析，分析带宽为5000 Hz。

图1 诊断示意

2.1 时域分析

从时域波形图可以看出，驱动端加速度时域波形中冲击信号不明显（图2）。即使初步判断为轴承故障，也无法根据冲击信号判断出是滚动轴承的哪个部件引起的故障。

图2 时域波形图

2.2 频谱分析

对上述时域波形进行傅里叶变换后，得出频谱图（图3）。从图中可以看出，低频区域（＜1 kHz）出现低频分量，且出现频率调制现象，调制信号频率为53.1 Hz，接近于滚动轴承的外圈通过频率51.2 Hz。初步判断轴承外圈故障。

2.3 共振解调谱分析

对采集的振动信号进行共振解调，得到如图4所示的共振解调谱。

图3 频域频谱图

图4 共振解调谱图

共振解调谱中存在与故障冲击相对应的间隔为53.1 Hz的谱线，故障频率53.1 Hz对应的最高幅值为7.9 m/s2，且故障冲击频率存在多阶性，为 53.1的整数倍 53.1X（X=1，2，3，……），形成多阶的梳状谱线。由此可以判断，电机驱动端轴承存在频率为53.1 Hz的故障信号，与滚动轴承外圈特征频率51.2 Hz相近。可以确定滚动轴承外圈故障。

与时域分析和频谱分析相比，共振解调谱故障频率清晰可见，具有较高的信噪比，可以较为容易地识别出故障信号，进而对故障进行准确定位。

2.4 检修验证

根据以上分析结论，对该电机驱动端滚动轴承进行了更换和拆解（图5）。

图5 拆解图片

由图5可以看出，滚动轴承外圈出现单边磨损故障，从故障程度来看，属于较早期故障。初步判断应为与电机驱动端相连的皮带过紧造成的，建议定期对该设备及其他类似设备进行皮带张进度检测，保证电机与皮带均在良好条件下运行，避免类似故障发生。

3 结论

滚动轴承早期故障非常轻微，引起的冲击信号强度非常小，因此其振动信号的故障特征很不明显，运用一般的振动分析方法很难分辨出来。但是，共振解调技术能将故障信号有效放大和分离，大大提高了信噪比，能较容易地诊断出故障部位。由此可见，共振解调法能有效地诊断出滚动轴承的早期故障，对现场维修人员做好备件计划、避免设备发生较大停机有重要作用。

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