基于共振解调原理和转速阶比谱分析的滚动轴承故障诊断方法研究

摘要

滚动轴承在旋转机械中应用广泛，是高铁、精密机床、大型风电等重大装备的核心部件。我国是轴承生产和使用大国，但是在高速重载精密轴承设计、制造、故障诊断方面基础薄弱。加强对滚动轴承失效机理的研究，发展面向服役工况下的滚动轴承故障诊断方法具有十分重要的意义。本文重点研究了基于共振解调原理和转速阶比谱分析的滚动轴承故障诊断原理与方法，主要完成以下两个方面的工作:
　　 1)基于共振解调原理的滚动轴承故障诊断方法研究;
　　 在恒定转速下对滚动轴承进行诊断时，共振解调法是一种行之有效的方法。论文在分析滚动轴承失效形式和机理、故障轴承振动信号特点及其特征频率、振动信号测量方案的基础上，重点论述共振解调法的基本原理、希尔伯特解调算法、带通滤波器中心频率的选择原则以及具体实现步骤，并用凯斯西储大学轴承实验室的故障轴承的振动数据进行了仿真实验，结果表明共振解调法能有效识别轴承故障，论文提出的带通滤波器中心频率选择原则合理。
　　 2)基于转速阶比谱分析的滚动轴承故障诊断方法研究。
　　 当主轴转速发生变化时，轴承的特征谱线被转速调制，模糊不清，常规的振动法无法有效识别出轴承的故障。滚动轴承发生局部故障时，除产生冲击振动外，还会引起瞬时转速的波动。论文抓住瞬时转速含有轴承故障信息这个特点，研究了基于等角度采样的轴承瞬时转速测量方法，建立了滚动轴承阶比谱，提出基于故障特征阶比分析的滚动轴承故障识别理论。然后设计了滚动轴承故障诊断的实验装置、调试了相关测试电路，编制了测量软件，利用该法对型号为6304的外圈故障轴承进行了故障诊断。实验结果表明该方法可望为变速转子的滚动轴承故障诊断提供一种崭新的途径。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 基于振动测量的滚动轴承故障诊断方法

1．2．1 幅值参数法

1．2．2 冲击脉冲(SPM)法

1．2．3 共振解调法

1．2．4 基于平稳信号的Fourier变换

1．2．5 基于平稳信号的现代谱分析方法

1．2．6 基于非平稳信号的分析方法

1．3 基于循环平稳理论的循环统计量方法

1．4 基于非线性理论的诊断技术

1．5 现代智能诊断技术在滚动轴承故障诊断中的应用

1．5．1 神经网络

1．5．2 支持向量机

1．6 本课题的内容和目标

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究目标

2 滚动轴承振动诊断技术

2．1 轴承的故障形式和机理

2．2 基于振动法的滚动轴承故障诊断

2．2．1 故障的特征频率

2．2．2 滚动轴承故障时的振动信号特点

2．3 轴承振动信号检测

2．3．1 压电加速度传感器

2．3．2 压电加速度传感器的电荷放大器

2．4 信号采集系统的设计

2．4．1 信号采集硬件系统

2．4．2 信号采集软件系统

2．5 本章小结

3 基于共振解调原理的滚动轴承故障诊断方法

3．1 共振解调法的原理

3．2 共振解调法的步骤

3．3 振幅检波器

3．4 极值包络法

3．5 希尔伯特包络法

3．5．2 两种包络解调方法对比

3．6 带通滤波器中心频率的选择原则

3．7 共振解调法在滚动轴承故障诊断中的应用实例

3．7．1 凯斯西储大学滚动轴承测试实验室

3．7．2 凯斯西储大学滚动轴承数据处理

3．8 本章小结

4 基于瞬时转速阶比谱分析的滚动轴承故障诊断方法

4．1 瞬时转速法的提出

4．2 阶比谱分析

4．3 阶比谱原理

4．4 阶比谱分析的信号采集

4．5 阶比谱的分辨率

4．6 瞬时转速阶比谱

4．7 滚动轴承故障诊断实验台设计

4．7．1 结构件设计及设备选型

4．7．2 主轴校核计算

4．7．3 实验轴承的选用

4．8 瞬时转速阶比谱法的硬件系统

4．8．1 光电编码器

4．8．2 单片机

4．9 瞬时转速阶比谱法的软件系统

4．9．1 脉冲计数模块

4．9．2 通讯模块

4．9．3 上位机模块

4．10 实验与分析

4．11 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录