1、摘要- #- I-摘要滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用部件，也是機(jī)械設(shè)備中的易損零件，許多機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約30的機(jī)械故障是由于滾動(dòng)軸承的損壞造成的?？梢?，滾動(dòng)軸承的好壞對(duì)機(jī)械系統(tǒng)工作狀況的影響極大。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和安裝工藝不好或軸承的使用條件不佳，或突發(fā)載荷的影響，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在繼續(xù)運(yùn)行中進(jìn)一步擴(kuò)大，使軸承運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。因此，滾動(dòng)軸承的故障診斷一直是研究的熱點(diǎn)。本文首先從理論上分析了滾動(dòng)軸承的失效形式、振動(dòng)機(jī)理、振動(dòng)類型、及發(fā)生故障的原因、振動(dòng)頻率；然后在理論基礎(chǔ)上提出了滾動(dòng)軸承的時(shí)域、頻域的

2、診斷方法；最后搭建了基于Matlab的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，并通過Matlab仿真軸承故障信號(hào)，在軟件中進(jìn)行信號(hào)分析和處理，驗(yàn)證各種診斷方法的優(yōu)劣和滾動(dòng)軸承的故障特征。本論文按照預(yù)定的要求完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，研究了滾動(dòng)軸承的故障診斷方法，完成了故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過仿真驗(yàn)證了滾動(dòng)軸承的故障診斷方法。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；時(shí)域分析；頻域分析；Matlab目錄目錄Abstract- IV- III- II-AbstractRollingelementbearingisoneofthemostwidelyusedgeneralpartofrotatingmachinery,andoneofthe

3、mosteasilydamagedpartsofmechanicalequipment.Alotofmechanicalfailureisrelevanttothestateofrollingelementbearings.Itisestimatedthatabout30percentofmechanicalfailureiscausedbyitsfaultintherotatingmachinewithrollingelementbearings.Itisobviousthatthequalityofrollingelementbearingshasagreatimpactonthework

4、ingconditionofelectromechanicalsystems.Becauseofwrongdesign,poorworkingconditionorajumpheavyload,bearingwillbedamagedandworseduringtherunningtime.Soatpresent,thefaultdiagnosisofrollingelementbearingsisaresearchhotspot.Firstly,thefailureforms,thevibrationmechanism,vibrationtype,andthefailurecause,vib

5、rationfrequencyofbearingareanalyzedintheory.Secondly,basedonthetheoryputforwardthetimedomain,frequencydomaindiagnosticmethods.Finally,thesoftwareforthefaultdiagnosissystemoftherollingbearingsisdesignedbyMatlab,alongwiththesimulationofbearingfaultsignalsbyMatlab.Toanalysisandprocessingthesignalinsoft

6、ware.Verifythemeritsofvariousdiagnosticmethodsandcharacteristicsofrollingbearingfaults.Thepapersuccessfullycompletedthedesigntaskandtheresultmeetstheexpectation.Weresearchedthefaultdiagnosismethodsandcompletedthefaultdiagnosissystemdesignandsimulationshowsthefaultdiagnosismethodsofrollingelementbear

7、ings.KeyWords：rollingelementbearings,faultdiagnosis,time-domainanalysis,frequency-domainanalysis,Matlab目錄TOC o 1-5 h z摘要I HYPERLINK l bookmark4 AbstractII HYPERLINK l bookmark18 第一章緒論-1- HYPERLINK l bookmark20 1.1本課題研究的主要意義-1- HYPERLINK l bookmark22 1.2滾動(dòng)軸承故障診斷方法-2- HYPERLINK l bookmark24 1.3滾動(dòng)軸承故障診

8、斷技術(shù)的發(fā)展概況-3- HYPERLINK l bookmark26 1.4滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向-5- HYPERLINK l bookmark28 1.5本課題主要研究?jī)?nèi)容-5- HYPERLINK l bookmark30 第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析-6- HYPERLINK l bookmark32 概述-6- HYPERLINK l bookmark34 2.2滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)-6- HYPERLINK l bookmark36 2.3滾動(dòng)軸承的主要失效形式及原因-7- HYPERLINK l bookmark38 2.4滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)-8- HYPERLINK l

9、bookmark40 2.5滾動(dòng)軸承的特征頻率-9-2.6滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性-10-2.6.1滾動(dòng)軸承的固有振動(dòng)-11-2.6.2軸承構(gòu)造引起的振動(dòng)-12-2.6.3軸承裝配不正確、軸頸偏斜產(chǎn)生的振動(dòng)-13-2.6.4精加工波紋度引起的振動(dòng)-13-2.6.5滾動(dòng)軸承的故障引起振動(dòng)-13-第三章滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究-16-概述-16-3.2時(shí)域分析的特征參數(shù)-16-3.3頻域分析的特征參數(shù)-18-第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)-22-概述-22-Matlab軟件簡(jiǎn)介-22-4.3滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)-24-4.3.1系統(tǒng)界面子系統(tǒng)-24-4.3.2軸承特征頻率計(jì)算子系統(tǒng)-25-4.3

10、.3數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng)-26-4.3.4信號(hào)模擬子系統(tǒng)-27-4.3.5時(shí)域分析子系統(tǒng)-28-4.3.6頻域分析子系統(tǒng)-31-4.3.7打印子系統(tǒng)-32-第五章軸承實(shí)測(cè)信號(hào)處理-33-5.1概述-33-5.2模擬合成信號(hào)-33-5.3模擬合成信號(hào)分析-34-5.4軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析-35-結(jié)論-38-參考文獻(xiàn)-39-致謝-41-附錄A頻域分析系統(tǒng)程序-42-第一章緒論第一章緒論- - -第一章緒論1.1本課題研究的主要意義機(jī)械故障診斷技術(shù)是近40年來發(fā)展起來的識(shí)別機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)。它是適應(yīng)工程實(shí)際需要而形成的多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。它研究的是機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映，它是由機(jī)

11、器運(yùn)行中的物理現(xiàn)象（聲音、振動(dòng)、聲發(fā)射、熱現(xiàn)象等）出發(fā)來推斷機(jī)器內(nèi)含故障的技術(shù)，是一種典型的反向工程。從20世紀(jì)60年代開始，機(jī)械故障診斷技術(shù)隨著機(jī)器的不斷完善、復(fù)雜化和自動(dòng)化組建發(fā)展起來，并與當(dāng)代科技的前沿科學(xué)結(jié)合，取得了令人矚目的成績(jī)。滾動(dòng)軸承是各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種通用部件，也是機(jī)械設(shè)備中的易損零件，許多機(jī)械的故障都與滾動(dòng)軸承的狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在使用滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約30的機(jī)械故障是由于滾動(dòng)軸承的損壞造成的?？梢姡瑵L動(dòng)軸承的好壞對(duì)機(jī)械系統(tǒng)工作狀況的影響極大。由于設(shè)計(jì)不當(dāng)和安裝工藝不好或軸承的使用條件不佳，或突發(fā)載荷的影響，使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，并且在

12、繼續(xù)運(yùn)行中進(jìn)一步擴(kuò)大，使軸承運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化。因此，滾動(dòng)軸承的故障診斷一直是研究的熱點(diǎn)。而與其它零部件相比，滾動(dòng)軸承有一個(gè)很大的特點(diǎn)，這就是其壽命離散性很大。由于在材料、加工精度、熱處理及裝配質(zhì)量等各方面不可能完全相同，使得一批類型、尺寸相同的軸承，即使在相同條件下工作，各個(gè)軸承的壽命也是不同的，壽命最大相差可達(dá)幾十倍。由于軸承的這個(gè)特點(diǎn)，在實(shí)際使用中就出現(xiàn)這種情況：有的軸承已大大超過設(shè)計(jì)壽命卻依然完好地工作；有的軸承遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命就出現(xiàn)故障。所以，如果按照設(shè)計(jì)壽命對(duì)軸承進(jìn)行定時(shí)維修，則出現(xiàn)以下情形：一方面，對(duì)超過設(shè)計(jì)壽命而完好工作的軸承拆下來作為報(bào)廢處理，造成浪費(fèi)；另一方面，未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命

13、而出現(xiàn)故障的軸承堅(jiān)持到定時(shí)維修時(shí)拆下來報(bào)廢，使得機(jī)械在軸承出現(xiàn)故障后和拆下來這段時(shí)間內(nèi)工作精度下降，未到維修時(shí)間就出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械出現(xiàn)嚴(yán)重事故。由此看來，對(duì)重要用途的軸承來說定時(shí)維修是很不科學(xué)的，要進(jìn)行工況監(jiān)測(cè)與故障診斷，改傳統(tǒng)的定期維修為預(yù)知性維修，這樣既能經(jīng)常保持設(shè)備的完好狀態(tài)，又能充分利用軸承的使用壽命，從而延長(zhǎng)大修時(shí)間，縮短大修時(shí)間，減少故障停機(jī)損失。因此，滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷引起國內(nèi)外許多科技人員的重視。滾動(dòng)軸承故障診斷方法滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與故障診斷就是通過對(duì)滾動(dòng)軸承在各種工況下表現(xiàn)出來的振動(dòng)、噪聲、溫度、工作參數(shù)、氣味、泄漏等信息的監(jiān)測(cè)和綜合分析來對(duì)其工作狀態(tài)、故障

14、類型和故障嚴(yán)重程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的過程，主要包括檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)和預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)4項(xiàng)基本技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)異常、診斷故障狀態(tài)和部位、分析故障類型、提出診斷方案和診斷結(jié)論的目的。目前，根據(jù)故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)機(jī)理的不同，滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)主要包括：振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)在各種軸承故障診斷方法中，振動(dòng)檢測(cè)是最常用的一種方法。軸承元件的工作表面出現(xiàn)疲勞剝落、壓痕或局部腐蝕時(shí)，軸承運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)周期性的脈沖信號(hào)。這種周期性信號(hào)可由安裝在軸承座上的傳感器（速度型或加速度型）來接收，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與診斷。噪聲信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)這種方法是通過滾動(dòng)

15、軸承在運(yùn)行過程中的噪聲來判斷其故障。用噪聲法進(jìn)行軸承的故障檢測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是不必接觸受測(cè)軸承就可得到檢測(cè)信號(hào)；其弊端就是很難從周圍環(huán)境的各種雜音中分離出軸承異常的聲音信號(hào)。所以，噪聲法一般很少被采用。但成功的例子也是有的，就是在方向性強(qiáng)的拋物線型音響器上安裝傳聲器，收集軸承發(fā)出的聲音信號(hào)，并用反向?yàn)V波器排除其它雜音，檢測(cè)出軸承異音。溫度信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)通過安裝在軸承座（或箱體）處的溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，判斷軸承工作是否正常。溫度監(jiān)測(cè)對(duì)軸承載荷、速度和潤(rùn)滑情況的變化反映比較敏感，尤其是對(duì)潤(rùn)滑不良而引起的軸承過熱現(xiàn)象很敏感。所以，由于這種場(chǎng)合比較有效。但是，當(dāng)軸承出現(xiàn)諸如早期點(diǎn)蝕、剝落、輕微磨損等比較微小

16、的故障時(shí)，溫度監(jiān)測(cè)基本上沒有反映，只是當(dāng)故障達(dá)到一定的嚴(yán)重程度時(shí)，用這種方法才能監(jiān)測(cè)到。所以，溫度監(jiān)測(cè)不適用于點(diǎn)蝕、局部剝落等所謂的局部損傷類故障。油樣分析監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)油樣分析法油樣分析法有光譜分析與鐵譜分析兩大類。軸承磨損顆粒與其工作狀況有密切的聯(lián)系。光譜分析方法有多種，但共同點(diǎn)是利用光譜分析，測(cè)定油液中所含各種金屬元素的成分和含量，以判斷含有被測(cè)元素的零部件的磨損狀況和程度。鐵譜分析方法是將帶有磨損顆粒的潤(rùn)滑油通過一強(qiáng)磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，磨粒按一定的規(guī)律沉淀在鐵譜片上，鐵譜片可在鐵譜顯微鏡上做定性觀察或在定量?jī)x器上測(cè)試，據(jù)此判斷軸承的工作狀況。油樣分析法適合于用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的軸承的故障診

17、斷，對(duì)使用脂潤(rùn)滑的軸承較困難。另外，這種方法易受其它非軸承損壞掉下的顆粒的影響；多用于離線監(jiān)測(cè)方式，這樣會(huì)導(dǎo)致一定信息丟失；信息量大且雜，即有圖像又有數(shù)字，依靠人力來管理是十分困難的。所以，這種方法具有很大的局限性。油膜電阻監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)潤(rùn)滑良好的軸承，由于油膜的作用，內(nèi)、外圈之間有很大的電阻。故通過測(cè)量軸承內(nèi)、外圈之間的電阻，可對(duì)軸承的異常作出判斷。其特點(diǎn)是對(duì)不同的工況條件可使用同一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，適用于旋轉(zhuǎn)軸外露的場(chǎng)合，對(duì)表面剝落、壓痕、裂紋等異常的診斷效果比較差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于滾動(dòng)軸承的工況監(jiān)測(cè)與診斷中，例如：聲發(fā)射技術(shù)、光纖技術(shù)等。但是由于種種原因和局

18、限性，這些技術(shù)真正普及應(yīng)用于實(shí)際的滾動(dòng)軸承故障診斷還有一段距離。滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展概況滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)大概開始于20世紀(jì)60年代。最原始的軸承故障診斷方法是將聽音棒接觸軸承部位，依靠聽覺來判斷有無故障。后來逐步采用各式測(cè)振儀器、儀表并利用振動(dòng)位移、速度或加速度的均方根值來判斷軸承有無故障。隨著對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深入研究，對(duì)于軸承振動(dòng)信號(hào)中頻率成分和軸承零件的幾何尺寸及缺陷類型的關(guān)系有了比較清楚的了解，加之快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了用頻域分析法來檢測(cè)和診斷軸承故障的有效途徑。在幾十年的發(fā)展時(shí)間里，各種方法與技巧不斷產(chǎn)生、發(fā)展和完善，應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，診斷

19、的有效性不斷提高.總的來說，滾動(dòng)軸承故障診斷的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：第一階段：利用低頻信號(hào)接收法診斷階段20世紀(jì)60年代中期，由于快速傅立葉變換（FFT）技術(shù)的出現(xiàn)（1965年）和發(fā)展，低頻信號(hào)接收法得到了很大的發(fā)展。低頻信號(hào)接收法是將軸承上由傳感器檢測(cè)到的寬頻信號(hào)直接進(jìn)行頻譜分析，或者信號(hào)經(jīng)過低通濾波，去除高頻成分后在作頻譜分析，從頻譜上觀察主要譜峰。如果某一譜峰對(duì)應(yīng)的頻率與理論計(jì)算軸承元件的間隔頻率相一致，則表示該元件上存在故障。這種方法對(duì)于低頻成分能量較大，外來干擾較小的信號(hào)，理論上說應(yīng)該是可行的，但實(shí)際運(yùn)行中的軸承，因?yàn)楣收蠜_擊的能量很小，而軸承、齒輪的工藝誤差誘發(fā)的振動(dòng)能量比它要大

20、得多。因此，直接利用低頻信號(hào)接收法得到的譜圖往往譜線密集，模糊不清，很難鑒別出故障信號(hào)。目前很少直接用這種方法去識(shí)別軸承故障，有些僅是用這種頻譜來確定軸承元件的固有頻率。第二階段：利用沖擊脈沖法診斷階段在60年代末期，首先由瑞典SPM儀器公司開發(fā)出沖擊脈沖計(jì)，根據(jù)沖擊脈沖的最大幅值來診斷軸承故障。滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果滾動(dòng)體接觸點(diǎn)進(jìn)入表面缺陷區(qū)（剝落、裂紋、凹坑和高低不平的粗糙區(qū)），就將發(fā)生低頻沖擊，并且以不連續(xù)的沖擊脈沖波形式傳遞到軸承座上。雖然沖擊脈沖波形很快被衰減下去，累積的能量很小。然而，在這個(gè)沖擊力作用下，軸承元件或結(jié)構(gòu)的某一部分可能被激發(fā)起它的固有頻率。盡管沖擊脈沖的重復(fù)頻率遠(yuǎn)低于

21、軸承的固有頻率，但只要這個(gè)沖擊產(chǎn)生的高階頻率落在軸承固有頻率的通帶內(nèi)，也會(huì)激起軸承系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。共振的高頻波中包含了低頻沖擊和隨機(jī)干擾的幅值調(diào)制波，經(jīng)過窄帶濾波和包絡(luò)檢波后的信號(hào)幅值大小就反映了沖擊力的大小，也就反應(yīng)了滾動(dòng)軸承工作表面的故障狀況。第三階段：利用共振解調(diào)法診斷階段共振解調(diào)法也稱為包絡(luò)檢波頻譜分析法。1974年，美國波音公司的DRHarting發(fā)明了一項(xiàng)叫做“共振解調(diào)分析系統(tǒng)”的專利，這就是我國現(xiàn)在統(tǒng)稱的“共振解調(diào)技術(shù)”的雛形。共振解調(diào)法與沖擊脈沖法的基本原理類似，但能做到更精確的診斷。沖擊脈沖法只能給出軸承損傷程度的指標(biāo)，一般來說并不能判斷軸承的損傷部位；而共振解調(diào)法不僅能判斷

22、軸承的損傷程度，還可以通過頻譜分析指示出軸承的損傷部位。共振解調(diào)法也是利用軸承或檢波系統(tǒng)作為諧振體，把故障沖擊產(chǎn)生的高頻共振響應(yīng)波放大，通過包絡(luò)檢測(cè)方法變?yōu)榫哂泄收咸卣餍畔⒌牡皖l波形，然后采用頻譜分析法找出故障的特征頻率（間隔頻率），從而確定故障的類型以及故障發(fā)生在軸承的哪一元件上。共振解調(diào)法適用于軸承故障的早期診斷。因?yàn)樵缙诠收戏浅］p微，它引起的沖擊脈沖強(qiáng)度非常小，所以其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的故障特征很不明顯，用一般方法很難辨別出來。采用共振解調(diào)技術(shù)由于放大（諧振）和分離（帶通濾波）了故障特征信號(hào)，極大地提高了信噪比，所以能比較容易地診斷出故障來。第四階段：開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)階段

23、20世紀(jì)90年代以來，隨著微機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)引起了國內(nèi)外研究者的重視。微機(jī)信號(hào)分析和故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，易于維護(hù)和升級(jí)的特點(diǎn)，而且易于推廣和應(yīng)用。1.4滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向近些年，故障診斷的新技術(shù)和新方法層出不窮，人工智能和計(jì)算機(jī)在軸承故障診斷中的應(yīng)用越來越廣泛，今后的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下方面：時(shí)域分析和頻譜分析在軸承故障診斷中的應(yīng)用將日趨完善；對(duì)于軸承故障診斷的理論和方法進(jìn)一步深入研究，并且各種研究成果將會(huì)逐步應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)；故障診斷智能系統(tǒng)進(jìn)一步的深入研究，多種軸承故障分析方法相結(jié)合，如小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識(shí)別與小波分析相

24、結(jié)合等新分析方法應(yīng)用智能專家系統(tǒng)，提高診斷的效率和準(zhǔn)確率；隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程故障診斷將是現(xiàn)代故障診斷發(fā)展的一個(gè)重要的方向。1.5本課題主要研究?jī)?nèi)容本文分析研究了滾動(dòng)軸承的常見失效形式及其特征，總結(jié)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理和振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)，研究了滾動(dòng)軸承信號(hào)處理及故障診斷的方法，搭建了滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，采用較為先進(jìn)、成熟的故障診斷方法，對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷。本文的主要內(nèi)容如下:第一章：緒論。簡(jiǎn)要介紹了本課題研究的意義、滾動(dòng)軸承故障診斷方法、滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)發(fā)展概況、發(fā)展方向。第二章：滾動(dòng)軸承的故障特征分析。分析滾動(dòng)軸承的主要失效形式和原因，分析計(jì)算滾動(dòng)軸承的理論特征頻率和固有振動(dòng)

25、頻率，研究滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)特征。第三章：滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究。包括時(shí)域方法、頻域方法，對(duì)各種方法的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。第四章：滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。在滾動(dòng)軸承故障診斷方法理論的基礎(chǔ)上搭建基于Matlab的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。第五章：滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析。通過對(duì)采集的滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析滾動(dòng)軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析，驗(yàn)證各種診斷方法的優(yōu)劣和滾動(dòng)軸承的故障特征。第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析- - -第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析2.1概述滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的重要零件，它在各個(gè)機(jī)械部門中的應(yīng)用最為廣泛。它的運(yùn)行質(zhì)量直接影響整臺(tái)設(shè)備的工作性能（包

26、括精度，可靠性，壽命等）。一般來說對(duì)滾動(dòng)軸承采用以設(shè)計(jì)壽命為限的定時(shí)進(jìn)行維修。但是，如前文所述這種維修制度會(huì)對(duì)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行帶來一定的影響。一方面，對(duì)超過設(shè)計(jì)壽命而運(yùn)行完好的滾動(dòng)軸承拆下來作報(bào)廢處理，造成浪費(fèi)；另一方面，已處于失效狀態(tài)的軸承繼續(xù)使用會(huì)造成整機(jī)運(yùn)行性能的下降，甚至?xí)劤蓢?yán)重的事故。因此必須加強(qiáng)滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)工作，改傳統(tǒng)的定期維修為預(yù)知性維修，最大限度地發(fā)揮軸承的工作潛力，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。2.2滾動(dòng)軸承的典型結(jié)構(gòu)滾動(dòng)軸承是有內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等元件組成。內(nèi)圈、外圈分別與軸頸及軸承座孔裝備在一起。在大多數(shù)情況下外圈不動(dòng)，而內(nèi)圈隨軸回轉(zhuǎn)。滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承的核心元件，它使相對(duì)

27、運(yùn)動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。滾動(dòng)體的形式有球形、圓形、錐柱形和鼓形等。滾動(dòng)體可在內(nèi)、外圈滾道上進(jìn)行滾動(dòng)。圖1滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)圖Figitheconstructiondiagramofrollingelementbearings滾動(dòng)軸承的主要失效形式及原因由于滾動(dòng)軸承的材料缺陷，加工或裝配不當(dāng)，潤(rùn)滑不良，水份和異物侵入，腐蝕以及過載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。當(dāng)然，即使在安裝、潤(rùn)滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會(huì)出現(xiàn)疲勞剝落和磨損等現(xiàn)象影響機(jī)器的正常工作。概括起來滾動(dòng)軸承的主要故障形式有:1.塑性變形軸承轉(zhuǎn)速n1rmin時(shí)，其損壞形式主要失效形式是塑性變形，這與接觸表面的最

28、大擠壓應(yīng)力有關(guān)（如工作負(fù)荷過重，熱變形影響，過大的沖擊載荷等）。按彈性理論分析，接觸表面的最大擠壓應(yīng)力發(fā)生在受力最大的一個(gè)滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈的接觸點(diǎn)處，其損壞的特征是滾道上形成一個(gè)個(gè)小圓穴（凹痕），使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和噪聲。2.疲勞剝落滾動(dòng)體在滾道上由于反復(fù)承受載荷，工作到一定時(shí)間后，首先在接觸表面一定深度處形成裂紋（該處的切應(yīng)力最大），然后逐漸發(fā)展到接觸表面，使表層金屬呈片狀剝落下來，形成剝落凹坑，即形成疲勞剝落。疲勞剝落使軸承在工作時(shí)發(fā)生沖擊性振動(dòng)。在正常工作條件下，疲勞剝落是軸承的主要失效形式。磨損或擦傷滾動(dòng)體與滾道之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及外界污物的侵入，是軸承工作表面產(chǎn)生磨損的直接原

29、因。潤(rùn)滑不良，裝配不正確均會(huì)加劇磨損或擦傷。磨損量較大時(shí)，軸承游隙增大，不僅降低了軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，也會(huì)帶來機(jī)器的振動(dòng)和噪聲，對(duì)精密機(jī)械用的軸承，磨損量就成為決定軸承使用壽命的主要因素。銹蝕和電蝕銹蝕是由于空氣中或外界的水分帶入軸承中，或者機(jī)器在腐蝕性介質(zhì)中工作，軸承密封不嚴(yán)，從而引起化學(xué)腐蝕。銹蝕產(chǎn)生的銹斑使軸承工作表面產(chǎn)生早期剝落，而端面生銹則會(huì)引起保持架磨損。電蝕主要是轉(zhuǎn)子帶電，在一定條件下，電流擊穿油膜產(chǎn)生電火花放電，使軸承工作表面形成密集的電流凹坑。5.斷裂軸承零件的裂紋和斷裂是最危險(xiǎn)的一種失效形式，這主要是由于軸承超負(fù)荷運(yùn)行、金屬材料有缺陷和熱處理不良引起的。轉(zhuǎn)速越高，潤(rùn)滑不良，軸承

30、在軸上壓配過盈量太大以及過大的熱應(yīng)力會(huì)引起裂紋和斷裂。膠合膠合指滾道和滾動(dòng)體表面由于受熱而局部融合在一起的現(xiàn)象。常發(fā)生在潤(rùn)滑不良、高速、重載、高溫、起動(dòng)加速度過大等情況下。由于摩擦發(fā)熱，軸承零件可以在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，導(dǎo)致表面灼傷，或某處表面上的金屬粘附到另一表面上。保持架損壞通常，由于裝配或使用不當(dāng)而引起保持架發(fā)生變形，從而就可能增加保持架與滾動(dòng)體之間的摩擦，甚至使某些滾動(dòng)體卡死而不能滾動(dòng)，或者由于保持架與內(nèi)外滾道發(fā)生摩擦等均可能引發(fā)保持架損壞，導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲與發(fā)熱增加。2.4滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)圖2滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig2theconstructionandsizediagramo

31、frollingelementbearings圖2-2所示滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)主要有：軸承節(jié)圓直徑D：軸承滾動(dòng)體中心所在的圓的直徑，m；滾動(dòng)體直徑d:滾動(dòng)體的平均直徑，m；內(nèi)圈滾道半徑r1:內(nèi)圈滾道的平均半徑，m外圈滾道半徑r：外圈滾道的平均半徑，m；2接觸角：滾動(dòng)體受力方向與內(nèi)外滾道垂直線的夾角，rad或（）；滾動(dòng)體個(gè)數(shù)z:滾珠或滾子的數(shù)目。第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析第二章滾動(dòng)軸承的故障特征分析- - -2.5滾動(dòng)軸承的特征頻率為分析滾動(dòng)軸承各元件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，先做如下假設(shè)：滾道與滾動(dòng)體之間無相對(duì)滑動(dòng)；承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無變形；徑向、軸向游隙為零；內(nèi)圈滾道轉(zhuǎn)速頻率為f；t外圈滾道轉(zhuǎn)速頻

32、率為f；e保持架轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率）為f。c1.2.3.4.5.6.如圖2所示，滾動(dòng)軸承工作時(shí)內(nèi)、外圈滾道上分別只有一接觸點(diǎn)A和B,則A點(diǎn)和B點(diǎn)的圓周速度分別為式中v、vei由圖2可以推導(dǎo)出v=2兀free2v=2兀frii1外圈、內(nèi)圈滾道接觸點(diǎn)處的圓周速度，ms。(2-1)(2-2)r=(D+dcosa)22r=(D-dcosa)12又上面兩式得外圈、內(nèi)圈滾道上一點(diǎn)速度為v=吋（D+dcosa）eev=吋（D-dcosa）ii滾動(dòng)體圍繞軸承中心線的公轉(zhuǎn)線速度是v和v速度的平均值，即ei(2-3)(2-4)由式（2-3）、2-4）、v=(v+v)=吋Dc2eic(2-5)v+v1仁d)

33、仁d)eJ=f+f2rD2ID丿eID丿i2-5）得保持架轉(zhuǎn)速頻率c(2-6)外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率ececei1_cos訂ID丿(2-7)內(nèi)圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率i(dF=f.-f=-F-f1+萬cos罕ic、ic(2-8)ie以固定在保持架上的動(dòng)坐標(biāo)系來看，滾動(dòng)體與外圈作純滾動(dòng)，它們之間的轉(zhuǎn)速頻率之比與直徑成反比，即d、cosexD丿(2-9)f2rD+dcosaD(.=1+fdddec由式（2-7）、（2-9）得滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率）0c2deI2cos2x(2-10)絕大多數(shù)滾動(dòng)軸承在實(shí)際應(yīng)用中總是保持外圈靜止，內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速頻率為f時(shí)，

34、則f二0e所以，外圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率(2-11)、=-(1-ec2v內(nèi)圈相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率1(d=-(1+cosafD/ic2(2-12)滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的轉(zhuǎn)速頻率（即滾動(dòng)體的自轉(zhuǎn)頻率）D0c2d2cos2x(2-13)保持架轉(zhuǎn)速頻率1(=c20稱為右偏態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)位于均值右邊的比位于K左邊的多；S0稱為左偏態(tài)，情況相反；而S接近0則可認(rèn)為分布是對(duì)稱的。KK第三章滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究第三章滾動(dòng)軸承故障診斷方法研究- - -/、(3-7)x-Xi&丿8.峭度指標(biāo)K峭度指標(biāo)表示振動(dòng)波形中是否有沖擊或者尖峭程度的值。正常軸承的振動(dòng)信號(hào)近似服從正態(tài)分布，其峭度值約為3。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)

35、，其峭度值將大于3，據(jù)此可以判斷軸承是否發(fā)生了故障。主要適用于點(diǎn)蝕類故障。(3-8)x-Xii=1&9裕度指標(biāo)CL裕度指標(biāo)定義為峰值與方根幅值之比。CL=Xfp(3-9)、2i=1丿裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)對(duì)于沖擊脈沖類故障比較敏感，特別是故障早期時(shí)，它們有明顯的增加；但上升到一定程度后，隨著故障的逐漸發(fā)展，反而會(huì)下降，表明它們對(duì)早期故障有較高的敏感性，但穩(wěn)定性不好。表3時(shí)域參數(shù)指標(biāo)比較Table3thecomparisonoftime-domainparameters序號(hào)參數(shù)敏感度穩(wěn)定性1波形因數(shù)Sf差好2波峰因數(shù)Cf一般一般3峭度指標(biāo)KU好好4裕度指標(biāo)CLf好一般表4時(shí)域參數(shù)在不同狀態(tài)的數(shù)值表T

36、able4ithenumericaltableoftime-domainparametersunderdifferentconditions正常裂紋剝落波形因數(shù)1.2381.2391.366波峰因數(shù)2.4552.3511.345峭度指標(biāo)3.0003.5249.358裕度指標(biāo)3.5344.0772.807頻域分析的特征參數(shù)1幅值譜幅值譜分析是直接對(duì)采樣所得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，求得關(guān)于該時(shí)域信號(hào)的頻率構(gòu)成信息，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為(3-10)X(f)=jsx(t)e-j2丐tdt式中，x（t）為時(shí)域信號(hào)。對(duì)于時(shí)域離散信號(hào)有(3-11)對(duì)于周期信號(hào)，經(jīng)過傅立葉變換后得到的幅值譜是離散譜，即構(gòu)成信號(hào)的

37、頻率成分是基波及其各次諧波分量；而對(duì)于非周期信號(hào)，其幅值譜是連續(xù)譜，即信號(hào)連續(xù)分布在一定的頻率范圍內(nèi)。幅值譜是在頻域中對(duì)信號(hào)能量分布情況的描述，它表示單位頻帶內(nèi)信號(hào)幅值隨頻率的變化情況，也就是說反映信號(hào)幅值在頻域內(nèi)的分布情況。對(duì)于故障信號(hào)，其在幅值譜上經(jīng)常表現(xiàn)為有較大的峰值出現(xiàn)。根據(jù)峰值出現(xiàn)時(shí)的頻率即可判別是否有故障以及故障的類型。2功率譜功率譜是用功率密度來描述信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，功率譜密度包括自功率譜密度（簡(jiǎn)稱功率譜）和互功率譜密度。其中自功率譜與幅值譜提供的信息量相同，但在相同條件下，自功率譜比幅值譜更為清晰。功率譜的計(jì)算方法有很多，下面逐一進(jìn)行介紹。（1）周期圖法基本方法周期圖法是直接將信

38、號(hào)的采樣數(shù)據(jù)xC）進(jìn)行傅立葉變換求取功率譜的方法。假定有限長(zhǎng)隨機(jī)信號(hào)序列為xC）。它的傅立葉變換和功率譜S（f）存在下面的關(guān)系(3-12)式中，N為隨機(jī)信號(hào)序列xC）的長(zhǎng)度。在離散的頻率點(diǎn)f=kAf，有sQ)=滸x（k）2=存FFT卜k二0,1,，N1(3-13)式中，F(xiàn)FTLC）為對(duì)序列x（i）的傅立葉變換，由于FFTLC）得周期為N，求得的功率譜以N為周期，因此這種方法稱為周期圖法。分段平均周期圖法（Bartlett法）將信號(hào)序列xC）,i二0丄,N-1，分成互不重疊的P個(gè)小段，每個(gè)小段有m個(gè)采樣值，則PXm二N。對(duì)每段信號(hào)序列進(jìn)行功率譜計(jì)算，然后再取平均作為整個(gè)序列x0的功率譜。平均周期

39、圖法還可以對(duì)信號(hào)xC）進(jìn)行重疊分段，如按2:1重疊分段，即前一段信號(hào)和后一段信號(hào)有一半是重疊的。對(duì)每段信號(hào)序列進(jìn)行功率譜計(jì)算，然后再取平均作為整個(gè)序列x0的功率譜。這兩種方法都稱為平均周期圖法，一般后者比前者好。加窗平均周期圖法加窗平均周期圖法是對(duì)分段平均周期圖法的改進(jìn)。在信號(hào)序列xC）分段后，用非矩形窗口對(duì)每一小段信號(hào)序列進(jìn)行預(yù)處理，再采用前述分段平均周期圖法進(jìn)行整個(gè)信號(hào)序列xC）的功率譜計(jì)算。由窗函數(shù)的基本知識(shí)可知，采用合適的非矩形窗口對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理可減小“頻率泄露”，同時(shí)可增加頻峰的寬度，從而提高頻譜分辨率。（2）多窗口法（MTM法）多窗口法利用多個(gè)正交窗口獲得各自獨(dú)立的近似功率譜，然后

40、綜合這些計(jì)算得到一個(gè)序列的功率譜。相對(duì)于普通的周期圖法，這種功率譜計(jì)算方法具有更大的自由度，并在計(jì)算精度和波動(dòng)方面均有較好的效果。普通的功率譜計(jì)算只是利用單一窗口，因此在序列始端和末端均會(huì)丟失相關(guān)信息，而且無法找回。而MTM法估計(jì)增加窗口使得丟失的信息盡量減少。（3）最大熵法（MEM法）如前所述，周期圖法功率譜需要對(duì)信號(hào)序列“截?cái)唷被蚣哟疤幚恚浣Y(jié)果是使計(jì)算的功率譜為信號(hào)序列真實(shí)譜和窗譜的卷積，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。最大熵法功率譜的目的是最大限度地保留截?cái)嗪髞G失的“窗口”以外信號(hào)的信息，使功率譜的熵最大。主要方法是以已知的自相關(guān)序列r（0），r（!）,xxxxr（p）為基礎(chǔ)，外推自相關(guān)序列r（p+1

41、），r（p+2），保證信息熵最大。xxxxxx（4）多信號(hào)分類法（Music法）多信號(hào)分類法將數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣看成由信號(hào)自相關(guān)矩陣和噪聲自相關(guān)矩陣兩部分組成，即數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣R包含有兩個(gè)子空間信息：信號(hào)子空間和噪聲子空間。這樣，矩陣特征值向量也可分為兩個(gè)子空間：信號(hào)子空間和噪聲子空間。為了求得功率譜，計(jì)算信號(hào)子空間和噪聲子空間的特征值向量函數(shù)，使得在周期信號(hào)頻率處功率譜值最大，功率譜出現(xiàn)峰值，而在其他頻率處功率譜值最小。3能量譜能量譜描述信號(hào)能量沿頻率軸的分布情況。能量譜的表達(dá)式為：E=|FFTIxO2(3-14)當(dāng)用一個(gè)含有豐富頻率成分的信號(hào)作為輸入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，由于系統(tǒng)故障對(duì)各種頻率成分

42、的抑制和增強(qiáng)作用發(fā)生改變，它通常會(huì)明顯地對(duì)某些頻率成分起著抑制作用，而對(duì)另外一些頻率成分起著增強(qiáng)作用。因此，其輸出與正常系統(tǒng)輸出相比，相同頻帶內(nèi)信號(hào)的能量會(huì)有較大的差異，某些頻帶內(nèi)信號(hào)的能量減少，而另外一些頻帶內(nèi)信號(hào)的能量增大。因此，在各頻率成分信號(hào)的能量譜中，包含著豐富的故障信息，從而可以從能量譜圖上識(shí)別故障。4倒頻譜倒頻譜也稱為二次頻譜，是檢測(cè)復(fù)雜譜圖中周期分量的有用工具，可以對(duì)卷積進(jìn)行分解，從而通過測(cè)得的響應(yīng)特性，識(shí)別源特性，或系統(tǒng)的傳輸特性。倒頻譜分析技術(shù)作為譜分析方法之一，在振動(dòng)、噪聲分析、故障診斷、系統(tǒng)識(shí)別等方面，都獲得了較有成效的應(yīng)用。倒頻譜是對(duì)信號(hào)xC)的功率譜S”(f)的對(duì)數(shù)

43、值進(jìn)行傅立葉逆變換的結(jié)果，用CC)表示，即xCG)=F-1gts(f)(3-15)xx式中，F(xiàn)-1為傅立葉逆變換；T為具有時(shí)間量綱的變量，稱為倒頻率；功率譜S(f)常常取相對(duì)量，此時(shí)倒頻譜單位為dB。在某些場(chǎng)合使用倒頻譜而不用自相x關(guān)函數(shù)，是因?yàn)榈诡l譜在功率譜的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，給幅值較小的分量有較高的加權(quán)，其作用是既可判別譜的周期性，又能精確地測(cè)出頻率間隔。使用倒頻譜分析不僅能清楚地分離功率譜中含有的周期分量，而且能夠清楚地分離邊帶信號(hào)和諧波。這在滾動(dòng)軸承故障診斷中是一種十分有效的方法。第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- - -第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1概述基

44、于Matlab的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試是本論文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，該軟件能夠識(shí)別滾動(dòng)軸承故障，進(jìn)而避免發(fā)展成惡性故障對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械其它的重要零件造成致命的損傷。本章首先介紹了Matlab軟件的發(fā)展及其特點(diǎn)，然后概述了滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的總體框架；最后詳細(xì)介紹了滾動(dòng)軸承診斷系統(tǒng)的主要分析模塊的設(shè)計(jì)與測(cè)試。4.2Matlab軟件簡(jiǎn)介Matlab是由MathWorks公司于1984年推出的一套用于科學(xué)工程計(jì)算的高效率的數(shù)學(xué)軟件。自正式推出后以其良好的可擴(kuò)展性、易學(xué)易用、編程效率高等特點(diǎn)，在線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在信號(hào)處理方

45、面，它提供了專門的信號(hào)處理工具箱，工具箱內(nèi)包含了很多功能強(qiáng)大的信號(hào)處理函數(shù)。通過使用這些函數(shù)，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換、濾波、譜估計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)等。Matlab越來越廣地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域是由它如下的功能和特點(diǎn)決定的。編程效率高它是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言，允許數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，且比Basic、Fortran和C等語言更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式，用Matlab編寫程序猶如在演算紙上排出公式與求解問題。因此，Matlab語言也可通俗地稱為演算紙科學(xué)算法語言，由于它編寫簡(jiǎn)單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。用戶使用方便Matlab語言是一種解釋執(zhí)行的語言（在沒被專門的工具編譯之前

46、），它靈活、方便，其調(diào)用程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)時(shí)間少。人們用任何一種語言編寫程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過四個(gè)步驟：編輯、編譯、連接以及執(zhí)行和調(diào)試。各個(gè)步驟之間是順序關(guān)系，編程的過程就是在它們之間作瀑布型的循環(huán)。Matlab語言與其它語言相比，較好地解決了上述問題，把編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體。它能在同一畫面上進(jìn)行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯(cuò)誤、語法錯(cuò)誤以至語意錯(cuò)誤，從而加快了用戶編寫、修改和調(diào)試程序的速度。擴(kuò)充能力強(qiáng)高版本的Matlab語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用，而且Matlab的庫函數(shù)同用戶文刊在形成上一樣，所以用戶文件也可作為Matlab的庫

47、函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫函數(shù)，以便提高M(jìn)atlab使用效率和擴(kuò)充它的功能。另外，為了充分利用Fortran、C等語言的資源，包括用戶已編好的Fortran、C語言程序，通過建立Mex調(diào)用文件的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的Fortran、C語言的子程序。語句簡(jiǎn)單，內(nèi)涵豐富Matlab語言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為a,b,c，二fun（d,e,f，），即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量d,e,f，和輸出變量a,b,c，組成，同一函數(shù)名F，不同數(shù)目的輸入變量（包括無輸入變量）及不同數(shù)目的輸出變量，代表著不同的含義。這不僅使Matlab的庫函數(shù)功能更豐

48、富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得Matlab編寫的M文件簡(jiǎn)單、短小而高效。高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算Matlab語言像Basic、Fortran和C語言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符和賦值運(yùn)算符，且這些運(yùn)算符大部分可以毫無改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算。另外，它無需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使得在求解信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時(shí)，顯得大為簡(jiǎn)捷、高效，這是其它高級(jí)語言所不能比擬的。方便的繪圖功能Matlab的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)（命令），例如線性坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)，均只需調(diào)用不同的繪圖函

49、數(shù)，在圖上標(biāo)出圖題、XY軸標(biāo)注，格（柵）繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡(jiǎn)單易行。Matlab由主包和各種工具箱組成。主包是Matlab的核心，工具箱是擴(kuò)展的有專門功能的函數(shù)。例如，控制系統(tǒng)工具箱應(yīng)用于連續(xù)和離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頻域和時(shí)域響應(yīng)等控制領(lǐng)域；信號(hào)處理工具箱應(yīng)用于自適應(yīng)去噪和壓縮、譜分析和估計(jì)等信號(hào)處理領(lǐng)域；通信工具箱應(yīng)用于信號(hào)編碼、調(diào)制解調(diào)等通信領(lǐng)域；財(cái)政金融工具箱應(yīng)用于成本和利潤(rùn)分析、市場(chǎng)靈敏度分析等金融領(lǐng)域。應(yīng)用Matlab的各種工具箱可以在很大程度上減小用戶編程時(shí)的復(fù)雜度，因此Matlab在很廣的領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。其典型應(yīng)用有:自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語音處理、信號(hào)分析、振

50、動(dòng)理論、時(shí)序分析與建模等。第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- -Fig7theflowchartofbearingcharacteristicfrequencycalculationsubsystem- -4.3滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在滾動(dòng)軸承故障特征分析完成的基礎(chǔ)上，本課題設(shè)計(jì)了基于Matlab軟件的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，包括系統(tǒng)界面子系統(tǒng)、軸承特征頻率計(jì)算子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng)、時(shí)域分析子系統(tǒng)、時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)、頻域分析子系統(tǒng)、打印子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示：滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)圖5滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig5theoveralld

51、esigndiagramofrollingbearingfaultdiagnosissystem4.3.1系統(tǒng)界面子系統(tǒng)系統(tǒng)界面是用戶與計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)程序的交互方式，是用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式。用戶通過單擊系統(tǒng)界面上的各種操作按鈕或在文本框中輸入相應(yīng)的參數(shù)值，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)分析與處理。系統(tǒng)界面包括：進(jìn)入界面、主界面（如圖6所示）、數(shù)據(jù)加載界面、軸承特征頻率計(jì)算界面、時(shí)域分析界面、時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析界面、頻域分析界面及打印界面。圖6滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)主界面Fig6themaininterfaceofrollingbearingfaultdiagnosissystem4.3.2軸承特征頻率計(jì)算子

52、系統(tǒng)滾動(dòng)軸承參數(shù)設(shè)置的輸入值（滾動(dòng)體直徑d，節(jié)圓直徑D，接觸角a，滾動(dòng)體數(shù)目z，工作轉(zhuǎn)速n），根據(jù)表2分別計(jì)算滾動(dòng)軸承的故障頻率。圖7軸承特征頻率計(jì)算子系統(tǒng)流程圖圖8滾動(dòng)軸承特征頻率計(jì)算子系統(tǒng)界面Fig8characteristicsoffrequencycalculationofrollingbearingssubsysteminterface4.3.3數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng)將存儲(chǔ)在磁盤中的軸承振動(dòng)信號(hào)輸入到軟件系統(tǒng)中，以便進(jìn)行軸承振動(dòng)信號(hào)計(jì)算，分析軸承故障。打開存儲(chǔ)文件夾.mat文件二二打開舟數(shù)據(jù)文件（一結(jié)束丿圖9數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng)流程圖Fig9theflowchartofdataloadingsub

53、system第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig11theflowchartofsimulationsignalsubsystem- -Fig11theflowchartofsimulationsignalsubsystem- #-圖10數(shù)據(jù)加載子系統(tǒng)界面FiglOdataloadingsubsysteminterface4.3.4信號(hào)模擬子系統(tǒng)輸入信號(hào)幅值、頻率值選擇信號(hào)形式（無噪、加噪）1r輸出模擬信號(hào)時(shí)域圖（結(jié)束）圖11信號(hào)模擬子系統(tǒng)流程圖第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig13theflowchartoftimedomaina

54、nalysissubsystem- -Fig13theflowchartoftimedomainanalysissubsystem- -圖12信號(hào)模擬子系統(tǒng)界面Figl2simulationsignalsubsysteminterface4.3.5時(shí)域分析子系統(tǒng)圖13時(shí)域分析子系統(tǒng)流程圖第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)第四章軸承故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- - -時(shí)域波形有直觀、易于理解等特點(diǎn)。由于是最原始的信號(hào)，所以包含的信息量大，但缺點(diǎn)是不太容易看出所包含的信息與故障的關(guān)系。而對(duì)于某些故障信號(hào)，其波形有明顯的特征，這時(shí)可以利用時(shí)域波形作出初步診斷。時(shí)域分析子系統(tǒng)根據(jù)式(3-1)(3-9)可以得到的

55、特征參數(shù)有：峰值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根值、波形因數(shù)、波分因數(shù)、偏度、峭度指標(biāo)、裕度指標(biāo)。圖14時(shí)域分析子系統(tǒng)界面Figl4timedomainanalysissubsysteminterface時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析模塊在機(jī)械信號(hào)處理中，相關(guān)是一個(gè)非常重要的概念。所謂相關(guān)，就是指變量之間的線性關(guān)系。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)機(jī)械信號(hào)，為了評(píng)價(jià)其在不同時(shí)間的幅值變化相關(guān)程度，可以采用相關(guān)函數(shù)來描述，它揭示了信號(hào)波形的結(jié)構(gòu)特性。相關(guān)分析作為信號(hào)的是時(shí)域分析的方法之一，為工程應(yīng)用提供了重要信息，特別是對(duì)于在噪聲背景下提取有效信息，更顯示了它的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于隨機(jī)信號(hào)x(t)，自相關(guān)函數(shù)為RG)=Ex(t)x(t+t)lx

56、1-limTT+8ITx(t)x(t+t)dt0(4-1)式中，T為時(shí)移。對(duì)于離散隨機(jī)信號(hào)序列，x(i)的自相關(guān)函數(shù)為R(j)x=Ex(i)x(i+j)=lim丄1x(i)x(i+j)NT+8Nn=0(4-2)式中，j為延遲。自相關(guān)函數(shù)被用來識(shí)別隨機(jī)信號(hào)中是否含有周期成分并用于確定所含周期成分的頻率。時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)根據(jù)式(4-1)、(4-2)分析可得自相關(guān)函數(shù)。圖15滾動(dòng)軸承時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)流程圖Figl5theflowchartofrollingbearingstime-domainstatisticalanalysissubsystem圖16滾動(dòng)軸承時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析模塊界面Fig16ti

57、me-domainstatisticalanalysisofrollingbearingsubsysteminterface4.3.6頻域分析子系統(tǒng)時(shí)域分析之后，當(dāng)需要進(jìn)一步分析故障信號(hào)時(shí)，就需要對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，判定故障的類別和發(fā)生部位，根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分的幅值大小進(jìn)行進(jìn)一步診斷，以便采取相應(yīng)對(duì)策。頻域分析子系統(tǒng)包括幅值譜分析模塊、能量譜分析模塊、倒頻譜分析模塊以及功率譜分析模塊。圖17滾動(dòng)軸承頻域分析子系統(tǒng)流程圖多信號(hào)分類法最大M法多窗口法周期圖法Fig17theflowchartoffrequencydomainanalysisforrollingb

58、earingsubsystem圖18滾動(dòng)軸承頻域分析子系統(tǒng)界面Figl8frequency-domainstatisticalanalysisofrollingbearingsubsysteminterface4.3.7打印子系統(tǒng)打印子系統(tǒng)主要是將系統(tǒng)分析得到的自相關(guān)圖、幅值譜圖、能量譜圖、倒頻譜圖、功率譜圖通過聯(lián)網(wǎng)打印機(jī)打印顯示。圖19打印子系統(tǒng)界面Fig19theprintsubsysteminterface第五章軸承實(shí)測(cè)信號(hào)處理第五章軸承實(shí)測(cè)信號(hào)處理- - -第五章軸承實(shí)測(cè)信號(hào)處理5.1概述簡(jiǎn)諧振動(dòng)是最近本的振動(dòng)，是介質(zhì)中形成波的基本根源。本章首先通過Matlab軟件模擬出三個(gè)頻率正弦波

59、合成信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，驗(yàn)證軸承故障診斷系統(tǒng)的正確性。然后通過加載軸承振動(dòng)實(shí)測(cè)信號(hào)，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)的軸承進(jìn)行離線故障診斷。5.2模擬合成信號(hào)設(shè)計(jì)合成信號(hào)參數(shù)：信號(hào)1信號(hào)二信號(hào)3幅值102030頻率/Hz205080通過matlab軟件合成無噪音信號(hào)如下無總音皆虧圖20無噪音信號(hào)時(shí)域圖Fig20thediagramofnonoisesignalintimedomain加噪音信號(hào)如下圖21加噪音信號(hào)時(shí)域圖Fig21thediagramofaddnoisesignalintimedomain5.3模擬合成信號(hào)分析圖22無噪音信號(hào)幅值譜Fig22thediagramofnonoisesignal

60、amplitudespectrum分析：圖20可以清晰的看見在20Hz、50Hz、80Hz處有明顯的譜峰，分別表示信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3的頻率；從幅值看，可以清晰的指導(dǎo)信號(hào)1的幅值為10,信號(hào)2的幅值為20,信號(hào)3的幅值為30。圖23無噪音信號(hào)幅值譜Fig23thediagramofaddnoisesignalamplitudespectrum分析：從圖21上除可以清晰的看出信號(hào)1、2、3頻率、幅值之外，還可以了解到加噪音后的信號(hào)在無限帶寬上均有幅值分布，噪音信號(hào)在各個(gè)頻率段均有分布。通過用模擬合成信號(hào)分析可以驗(yàn)證滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的正確性。5.4軸承實(shí)測(cè)信號(hào)分析軸承實(shí)測(cè)信號(hào)采集于2612單