不平衡影响下外圈故障滚动轴承振动特征研究

在外圈具有单一缺陷滚动轴承二自由度动力学模型基础上,引入不平衡激励,建立不平衡影响下外圈具有单一缺陷的滚动轴承的动力学模型。通过数值计算,分析了不平衡对外圈具有单一局部故障滚动轴承振动特征的影响。结果表明,当不平衡载荷远小于径向载荷时,外圈缺陷轴承的振动特征变化不明显,其特征频率为滚动体通过外圈故障的振动频率及其倍频。当不平衡载荷逐渐增大至接近径向载荷时,轴承的振动出现了调制现象,其特征频率为轴的旋转频率、滚动体通过外圈的频率以及它们形成的边频。     

基于S变换与奇异值中值分解的滚动轴承故障诊断

为了有效地提取出滚动轴承故障信号的冲击特征,提出了一种基于S变换时频谱和奇异值中值分解(SVMD)算法的滚动轴承故障诊断方法。首先,利用S变换对滚动轴承原始振动信号进行了时频变换,得到了其时频系数矩阵,通过SVMD对时频系数矩阵进行了计算,筛选出合适的奇异值用以降噪;然后,通过仿真的方式,对结果进行了S逆变换,以获得信号的时域冲击特征;最后,以滚动轴承(型号N205)外圈、滚动体故障为例,进行了故障信号冲击特征提取实验,通过对轴承的外圈和滚动体故障数据分析处理,对基于ST-SVMD算法的有效性进行了验证。研究结果表明：通过采用基于ST-SVMD算法,得到了滚动轴承外圈的故障频率,该频率与该型号轴承特征频率基本一致;基于ST-SVMD算法,得到了滚动轴承滚动体的故障频率,该频率与该型号轴承特征频率基本一致;该结果证明,基于ST-SVMD算法在滚动轴承故障信号冲击特征的提取方面是有效的。     

基于周期性声发射撞击计数的滚动轴承故障诊断

分析滚动轴承不同类型故障特征频率与声发射累积撞击计数间的内在联系,建立基于周期性声发射累积撞击计数的滚动轴承故障诊断方法。采用非接触式声发射测试技术,对工作状态下滚动体、外圈和内圈故障分别进行测试及分析,试验结果证明了周期性声发射撞击计数与滚动轴承故障特征频率间的定量关系。依据此方法可对滚动轴承故障进行早期诊断。     

基于EMD的内燃机滚动轴承故障诊断

滚动轴承是内燃机中重要的零部件之一,发生故障时必然会影响整个内燃机正常运转。为此应用经验模态分解(EMD)将信号分解为若干个固有模态函数(IMFs),然后选择包含故障信息较为丰富的IMF分量进行包络谱分析,识别轴承的故障特征频率,从而实现对内燃机滚动轴承的故障诊断。通过仿真分析和滚动轴承外圈模拟点蚀故障试验验证表明,该方法能够有效提取故障特征。     

滚动轴承内圈局部故障渐变动力学建模与分析

当滚动轴承内圈出现局部故障时会产生复杂的振动响应，从滚动轴承内圈实际故障形貌的渐变性和非规则性的客观实际出发，引入位移激励函数定性分析滚动体通过故障区域时球心位置的渐变规律，采用随机数列表征故障底部形貌非规则性的特点，综合考虑轴承的径向载荷和滚动体通过故障区域时的打滑率等因素，建立了一种内圈局部故障渐变的轴承动力学模型。通过对比分析不同转频条件下实验和仿真数据的故障特征频率值，验证了局部故障渐变动力学模型的准确性。     

滚动轴承外圈故障的显式有限元动态仿真分析

为研究带有早期微弱故障的滚动轴承运转及振动特点,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了滚动轴承常见的外圈裂纹故障有限元模型。该模型以显式算法为基础,单元采用单点积分方式,在充分考虑轴承转速、负载、接触及摩擦的条件下,成功地对滚动轴承外圈裂纹故障进行了仿真分析。仿真结果表明:在轴承转速和径向载荷一定的条件下,带有裂纹故障的轴承外圈的等效应力要明显高于没有故障的轴承内圈、保持架及滚动体的等效应力;轴承外圈滚道不同位置节点的振动响应均能体现故障特征频率,但幅值略有差别;速度及加速度响应在经过FFT变换后能部分找到故障特征频率。仿真结果对轴承故障检测能起到一定的指导作用。     

基于伪Wigner-Ville分布与小波变换的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障信号非平稳、非高斯的特点,提出了基于伪Wigner-Ville分布及小波变换的滚动轴承内、外圈故障诊断方法。在研究滚动轴承故障诊断机理,伪Wigner-Ville分布及小波变换理论的基础上,利用这两种方法对内圈、外圈故障的滚动轴承的振动信号进行了分析,提取了故障特征频率。结果表明,小波变换能够比伪Wigner-Ville分布更有效地提取轴承故障的特征信息,提高轴承故障诊断率。     

柔性椭圆轴承故障频率分析与CMWT-FH特征提取

柔性椭圆轴承（Elliptically shaped baring,ESB）在工作中承受循环交变应力载荷,是谐波减速器中最易损坏的核心零件。根据ESB的运动学特性,推导其滚道表面发生局部缺陷故障时的特征频率公式。由于其故障特征容易被长短轴交替产生的振动激励信号所掩盖,提出连续Morlet小波变换（Continuous Morlet wavelet transform,CMWT）与基于FFT的Hilbert频谱分析（FFT based Hilbert,FH）结合的CMWT-FH故障特征提取方法。与普通FH方法的特征提取效果对比分析,CMWT-FH方法可以更容易、更准确地识别出ESB的故障特征频率及其边频带频率：外圈故障时,外圈故障特征频率及其高次倍频两侧存在间隔为二倍转频调制频率的边频带;内圈故障时,内圈故障特征频率及其高次倍频两侧存在间隔为转频调制频率的边频带。可结合故障特征频率及调制边频带来判断故障出现在外圈还是内圈。     

基于经验模态分解包络谱的滚动轴承故障诊断方法

针对滚动轴承故障振动信号的非平稳特征和传统包络分析法的缺陷,提出了一种基于经验模态分解包络谱的滚动轴承故障诊断方法.该方法首先采用经验模态分解将原始信号分解为若干个平稳的固有模态函数之和,然后求出包含主要故障信息的若干个固有模态函数分量的包络谱,再定义包络谱中故障特征频率处的幅值比为特征幅值比,最后以特征幅值比作为故障特征向量,输入神经网络,以神经网络的输出来判断滚动轴承的工作状态和故障类型.对滚动轴承内圈、外圈故障振动信号的分析结果表明,基于经验模态分解包络谱的故障诊断方法能有效地提取滚动轴承的故障特征.     

滚动轴承故障特征频率实验改变与间谐波倍频误差机理研究

滚动轴承故障特征频率计算一直是滚动轴承故障诊断和状态监测领域的重要理论依据。但实验发现,故障特征频率实验测得值与故障特征频率公式计算值并不完全吻合、相同实验条件下两组不同的实验数据得到的故障特征频率也不完全一致、谐波频率与基频并不是严格意义上的倍数关系,即存在间谐波倍频误差等诸多问题。随后深入并全面分析了特征频率实验改变机理以及间谐波倍频误差的根本原因,并以此为据从理论上探讨了误差改进方法,为滚动轴承故障诊断及方法改进提供了理论依据。     

基于形态差值滤波和差分熵的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承内外圈的早期故障,提出了一种新的诊断方法,该方法融合了数学形态学对非线性信号的滤波和信息熵理论在信号表征方面的优越性。首先,利用数学形态差值滤波器对实测的轴承内外圈轻重损伤的故障信号进行消噪处理,充分突出了有用的故障特征信息;然后,利用差分熵提取该信号中的突变特征信息,对其进行不确定性和复杂性度量;最后,根据突变点的冲击时间间隔和内外圈故障周期性冲击的时间间隔一致的思想来完成对滚动轴承的故障诊断。通过对仿真信号和滚动轴承实测内外圈两种故障程度的振动信号的诊断分析,证明该方法能够很好地识别轴承内外圈早期故障的类型,且具有很高的准确率。     

滚动轴承非线性时变参数动力学模型与故障机理研究

基于滚动轴承故障动力学模型研究其振动特性及故障机理是实现轴承故障准确诊断的基础。为描述滚动轴承缺陷对其振动响应特性的影响,考虑滚动体与缺陷的相对几何关系,提出了时变接触变形与时变刚度耦合的滚动轴承故障非线性动力学模型。以NSK6205深沟球轴承为对象,通过建立6+N_b自由度非线性时变参数动力学模型,分析了滚动体通过外圈缺陷区域时接触变形、接触刚度以及振动响应的变化过程,得到了不同缺陷尺寸下滚动轴承故障冲击振动响应特征变化规律。理论分析和实验研究结果表明,随着缺陷尺寸的增加,滚动轴承故障振动响应产生由双冲击到多冲击的变化特征,不同缺陷尺寸下,滚动体进入和离开缺陷过程中产生的冲击响应明显不同。研究成果为基于振动信号实现滚动轴承故障尺寸判断提供了理论依据。     

Simulating gear and bearing interactions in the presence of faults: Part II: Simulation of the vibrations produced by extended bearing faults

This paper presents a combined dynamic model for gears and bearings, in which an extended fault in the inner/outer race of rolling element bearings can be studied in the presence of gear interaction. A combined gear/bearing model has been made to obtain a better understanding of the interaction of the two components. The essentials of the gear/bearing model and the results of simulating the vibration of localized faults in rolling element bearings in a gearbox environment have been discussed and illustrated in the first part of this paper (part I). The simulation model has now been modified to model extended faults of the type that do not necessarily produce high frequency impact responses, but do modulate the gearmesh signals. The paper compares the simulated and actual signals from the gear/bearing test rig for inner and outer race extended faults, and in particular demonstrates that they react similarly to existing diagnostic techniques.     

动车组转向架轴承局部损伤振动特性分析

针对动车组转向架轴承,根据轴承故障产生机理建立了轴承故障动力学工程模型。模型充分考虑了车轴弯曲刚度、轴承间隙及滚动体和滚道间的非线性接触力等因素,并包含内圈、外圈以及滚动体故障轴承动力学模型,使用龙格库塔数值积分方法进行了动力学仿真分析。针对实际轴承搭建实验台,对不同故障类型及不同程度故障进行了实际测试。仿真分析与实验结果吻合度较高,最大误差不超过5%,证明了该动力学模型的有效性。     

起重机用滚动轴承有限元分析及故障检测

针对起重机用滚动轴承故障率高且难以检测的问题,首先采用Ansys软件对起重机用滚动轴承进行基于实际接触状态的有限元分析,然后采用基于小波包能量法和Hilbert变换方法对滚动轴承进行信号处理、分析以及故障检测。结果表明:滚动轴承的滚动体与内外圈接触部位存在较大应力集中,最易在此处首先发生破坏;根据轴承故障特征频率与内圈、外圈、滚动体三种故障类型所对应的频谱特征和能量谱相比较,可有效判断轴承故障类型。研究所采用的检测方法可为起重机用滚动轴承的故障预防和检测提供一定理论依据和指导作用。     

基于本征模态函数包络谱的滚动轴承故障诊断

针对滚动轴承故障振动信号非平稳的特征,以及传统傅里叶变换不能反映信号细节的缺陷,引入了一种基于本征模态函数包络谱的方法。首先,采用经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）将滚动轴承故障振动信号分解成若干个本征模态函数（intrinsic mode function,IMF）之和;然后,求出包含主要信息成分的IMF分量的Hilbert包络谱;最后,对照滚动轴承故障特征频率,进而判定故障类型。通过对滚动轴承内圈、外圈故障振动信号的分析处理,表明该方法能有效地提取滚动轴承的故障特征。     

Simulating gear and bearing interactions in the presence of faults: Part I. The combined gear bearing dynamic model and the simulation of localised bearing faults

This paper presents a simulation model for a gearbox test rig, in which a range of bearing faults can be implemented. Bearing faults sometimes manifest themselves by their interaction with meshing gears, and to simulate this it is necessary to model a whole system of gears and shafts supported in bearings. This has now been done for an experimental test rig through the incorporation of a time-varying, non-linear stiffness bearing model into a previously developed gear model. The incorporated bearing model is based on Hertzian contact theory, which relates the raceway displacement to the bearing load, and also accounts for the slippage between the elements. It has the capacity to model localised spalls (inner race, outer race and rolling elements), which are discussed in this part of the paper and extended inner and outer race faults (rough surfaces), which are discussed in part II. Even though the whole gearbox has not been modelled in detail, the non-linear time-varying gear-meshing operation is modelled in some detail. Both simulated and experimental localised fault signals (acceleration signals) were subjected to the same diagnostic techniques; namely spectrum comparisons, Spectral Kurtosis (SK) analysis and envelope analysis. The processed simulated signals showed a similar pattern to that observed in their measured counterparts and were found to have a characteristic, referred to in the literature as double pulses, corresponding to entry into and exit from the localised fault. The simulation model will be useful for producing typical fault signals from gearboxes to test new diagnostic algorithms, and possibly prognostic algorithms.     

基于多尺度Hermitian小波包络谱的轴承故障诊断

提出了一种基于多尺度Hermitian小波包络谱的轴承故障诊断方法。该方法综合利用了Hermitian小波和包络谱分析技术的优点,首先对轴承故障振动信号进行Hermitian连续小波变换,得到小波分解的实部和虚部,然后计算振动信号的多尺度包络谱。对齿轮箱轴承故障振动信号的分析表明,该方法在强噪声环境下能有效识别轴承内圈故障和外圈故障。     

低速滚动轴承故障诊断方法研究

低速滚动轴承结构和工作条件特殊,故障机理复杂,诊断难度较大。本文根据低速滚动轴承的故障特性,提出了利用应力波与小波分析进行低速滚动轴承故障诊断的方法。首先以低速运转Cooper轴承系列01B65 EX滚子轴承为例,建立了完好和故障低速滚动轴承的三维整体接触计算模型,运用有限元软件对其进行了比较全面、精确的分析,计算出外圈故障模型的最大应力和应变及各元件之间的接触应力,将发生故障前后的外圈外表面应力应变分布规律以及接触应力分布规律进行比较。然后在应力波实验分析的基础上,选择db6母小波、尺度j=4对实验所采集的数据信号进行小波变换,成功提取了外圈模拟故障的应力波信号特征频率。