时频联合分析法在轴承异音检测中的应用

发布时间：2012-11-19 浏览次数：1046

作者：张根源　陈芳华
（浙江传媒学院；杭州轴承试验研究中心）

　　摘　要：本文从实验方面对滚动轴承的振动噪音寿命进行了研究。为此搭建了专用的轴承振动噪音试验台和轴承振动噪音信号采集和分析系统，力图找出轴承的振动噪音随运转时间的变化规律和影响因素。实验研究结果表明影响轴承振动噪音的影响因素非常复杂。在试验运转的前期，轴承的振动水平会经历一段耗时约200小时的振动磨合期，以后振动水平随着试验时间的呈现缓慢非线性累积增加，Z后经过1000小时以上的持续运转后，轴承的振动水平呈快速增加直至失效。
　　关键词：滚动轴承，信号处理，异音
　　时频联合分析法（JTFA）作为分析时变非平稳信号的有力工具，成为现代信号处理研究的一个热点，它作为一种新兴的信号处理方法，近年来受到越来越多的重视。时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系。
　　时频分析的基本思想是：设计时间和频率的联合函数，用它同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度。时间和频率的这种联合函数简称为时频分布。利用时频分布来分析信号，能给出各个时刻的瞬时频率及其幅值，并且能够进行时频滤波和时变信号研究。
 　　滚动轴承的异音是指轴承运转中除正常轻微的“沙沙”外，发出的有规则或随机的声音。它可以纳入轴承噪音的范畴。异音一般不连续具有脉冲的特点，本质上是一种瞬态冲击。所以尽管在轴承振动测试仪器的示波器和振动指示仪表上都能察觉异音的存在，但是对振动的总有效值却影响不大，出现振动值合格却异音依然存在的现象。
　　家电和工业电机行业对异音的高要求，促使人们对异音进行了一系列的研究：如提出了异音和振动Z大峰值的相关性命题，指出可根据振动频谱中Z大峰值高度来测量异音。在试验基础上详细分析了异常信号的统计特征，提出利用波峰系数和峭度系数评估异常信号的方法。
　　1　研究内容
　　1）强化试验方法的研究，建立强化试验模型：强化试验方法的研究与轴承疲劳寿命强化试验一样，要采取强化的方式来对轴承的振动噪音寿命进行试验。因为如果不采用强化的试验方式，试验周期将会很长，试验成本将会很高，很难在较短时期内检测出轴承振动噪音寿命的长短。同时也不利于检测试验设备的推广。
　　2）多因子干扰下的振动噪声信号分离与分析：应用数字信号处理技术对轴承振动信号进行时频域的分析，从轴承振动测试信号中分离出真实的振动信号，并对分离后的轴承振动信号的频率特征进行分析，获得振动噪音的变化规律。剔除被试轴承以外的所有振动干扰包括试验装置的主轴系统、供油系统和试验环境噪音等本底振动。
　　3）研究轴承运转过程中振动值随运转时间的变化规律。通过滚动轴承高速旋转状态下振动值的研究，提出载荷、转速等试验参数的强化限度，并通过国内外不同型号、不同工艺的大量样品的试验比对，确定空调等家用电器用微小型深沟球轴承快速、合理的试验方法，并通过大量的试验验证，制定出各尺寸段轴承的试验参数（载荷、转速和润滑），提出该类轴承振动噪音寿命的评价方法。
　　2　研究方案
　　1）首先进行滚动轴承振动噪音测试方法的研究。滚动轴承运转过程中的振动在空气介质中的传播就是噪音，由于噪音检测的环境要求极高，要在隔音室内进行，而隔音室的建造代价很大，在一般轴承生产企业和轴承用户很难推广应用。由于噪音与振动直接相关联，目前国内外在生产现场一般采用控制轴承振动的方法来控制轴承的噪音。本项目采用研究振动值的变化来反映轴承噪音的变化。
　　轴承振动的测量目前有振动速度和振动加速度两个物理量，根据两个不同物理量的优缺点比较，结合滚道摩损对轴承振动的影响，选用轴承振动加速度值保持性来考核轴承噪音寿命具有其先进性。并且考虑到与目前轴承振动加速度测量的一致性，采用振动加速度级（L）来表征轴承振动值，即
　　
　　（a为轴承振动加速度，a0=10^-3g0，g0为重力加速度）
　　采用加速度计刚性连接轴承外圈拾取信号，可以大大提高拾取信号的频率范围，比目前轴承行业加速度计弹性连接轴承外圈拾取信号的振动加速度检测的频响范围要高8～10倍。如图1所示是轴承振动加速度测试方法示意图。

　　
　　图1 轴承振动加速度测试方法
　　2）高速、高精度、低振动试验装置的建造。驱动装置的精度和本底振动对被试轴承的振动有直接影响。并且由于要进行强化试验，试验转速要求较高，采用液体动静压电主轴作为驱动主轴。设定被试轴承转速为9000r/min，如图2。
　　
　　图2 轴承振动噪声寿命试验台
　　3）为了对轴承振动噪音信号的采集和分析，采用工业控制用计算机，编制了专用的数据采集和数据处理程序。为减少外界和驱动主轴高速运转时对轴承的干扰信号，在信号和数据采集卡之间放置信号调理装置，以实现信号的调理。
　　3. 数据分析
　　轴承振动的加速度测试方法也已标准化，对测试条件、测试方法与程序等业已标准化，采用加速度传感器时，测试结果为轴承振动的分贝值。
　　在本次试验过程中，测试对象是6205型滚动轴承。具体测试方法除转速为9000r/min外参照GB/T24610.1-2009 《滚动轴承振动测量方法 第1部分：基础》所规定的的条件。
　　4　总结
　　现实中很多信号，比如语音信号，都是时变非平稳的，时变非平稳特性是现实信号的普遍规律，联合时频分析技术正是应现实的科学和工程应用需求而产生和发展起来的。对于许多信号，仅用时域或频域里的各种方法去分析往往不能揭示信号内部的局部特征和信息，而时频分析作为一种能将频谱随时间的演变关系明确表现出来的新手段，自然更符合实际应用的需要，在设备故障诊断中特别适合齿轮冲击故障、滚动轴承故障、转子支承松动故障、碰摩故障等一些具有明显非平稳特征的故障，相信随着各种算法的不断完善，时频分析必将有更广阔应用前景。
　　本文给出了时频分析的基本理论，将小波变换分别应用于几个非平稳信号的分析当中。我们可以得出如下结论：
　　（1）小波变换具有对信号的自适应性,在时域和频域同时具有良好的局部化性质是小波变换优于经典的傅立叶变换与窗口傅立叶变换的地方。
　　（2）CWT是良好的时间频率同时分析工具，它能解决Fourier分析中信号在时域和频域不能同时表达的问题。