秦嗣峰 欒 瑾

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000）

引言

列車安全運行是軌道交通行業(yè)的工作重點。滾動軸承作為空氣壓縮機的重要零件，一旦出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致空氣壓縮機無法為列車供風，嚴重影響列車運行安全。滾動軸承雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其損傷形式多種多樣，振動信號的頻帶非常寬廣，反映運轉(zhuǎn)狀態(tài)信息的能量往往比較微弱，使得傳統(tǒng)的頻譜分析方法難以直接找出它的故障特征頻率[1-2]。共振解調(diào)法能夠利用沖擊脈沖含有寬廣頻譜的特點檢測故障引起的瞬態(tài)沖擊。對共振解調(diào)后的信號進行Fourier 變換，通過頻譜識別特征頻率，不僅能夠判斷軸承的損傷程度，還可以確定軸承的損傷部位，從而診斷軸承故障。

本文針對空氣壓縮機滾動軸承故障引起的周期性沖擊特征提取問題，考慮到共振解調(diào)在檢測瞬態(tài)沖擊方面的優(yōu)勢，提出了基于共振解調(diào)的空氣壓縮機滾動軸承故障診斷方法，并應(yīng)用該方法分析了滾動軸承故障實驗信號，準確診斷了滾動軸承元件故障，驗證了該方法的有效性。

1 滾動軸承故障檢測機理

當滾動體與滾道接觸區(qū)域出現(xiàn)局部缺陷時，軸承在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生沖擊信號，缺陷在軸承不同的元件上，產(chǎn)生的沖擊頻率也就不同，這個頻率稱為故障特征頻率。滾動軸承的特征頻率如下所示[3]：

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：

內(nèi)外圈相對旋轉(zhuǎn)頻率：

外圈故障特征頻率：

內(nèi)圈故障特征頻率：

其中，D 為軸承滾道節(jié)徑，d 為滾珠直徑，α接觸角，Z 為滾珠個數(shù)，f0為外圈旋轉(zhuǎn)頻率（0）。

2 共振解調(diào)

共振解調(diào)的基本原理是把機械設(shè)備的振動信息經(jīng)共振及解調(diào)來獲取軸承、齒輪以及其他旋轉(zhuǎn)機械因故障碰撞而產(chǎn)生的沖擊信息[4]。當設(shè)備元件出現(xiàn)局部損傷時，在受載運行過程中將與其他元件發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生沖擊脈沖。由于沖擊脈沖的頻帶較寬，必然包含設(shè)備元件、傳感器等各自固有頻率激發(fā)的高頻固有振動?？筛鶕?jù)實際需要選擇某一高頻固有振動作為研究對象，利用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將高頻固有振動分離出來，然后通過包絡(luò)檢波去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號。通過對包絡(luò)信號進行頻譜分析即可診斷出設(shè)備故障。

共振解調(diào)的具體過程如下：

（1）選擇結(jié)構(gòu)某一固有頻率作為帶通濾波器的中心頻率，并對振動信號進行濾波。

（2）對濾波后的信號進行包絡(luò)檢波處理，獲得低頻包絡(luò)信號。

（3）對包絡(luò)信號進行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷故障。

3 實驗信號分析

3.1 實驗說明

為模擬滾動軸承元件的局部損傷，選擇實驗用滾動軸承型號為ER10K，參數(shù)見表1。并且在滾動軸承的外圈、內(nèi)圈分別加工了局部損傷。實驗中，將加速度傳感器置于軸承座的正上方，電機轉(zhuǎn)速設(shè)為1200 r/min，采樣頻率為20 kHz。根據(jù)軸承的參數(shù)，按式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分別計算各元件的故障特征頻率，見表2。

表1 滾動軸承ER10K基本參數(shù)

表2 滾動軸承ER10K元件特征頻率 單位：Hz

3.2 信號分析

為了驗證共振解調(diào)在滾動軸承故障診斷中的效果，首先對正常滾動軸承振動信號進行分析，將結(jié)果作為基準，然后分析故障信號，說明該方法的有效性。

3.2.1 正常信號

正常信號的時域波形、功率譜如圖1 (a)、圖1(b)所示。從功率譜中可以看出，系統(tǒng)的其中一個固有頻率大約在5100Hz 左右，因此選取此頻率作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設(shè)為500Hz，對軸承振動信號進行濾波；然后對濾波后的信號進行包絡(luò)檢波處理，獲得軸承信號的包絡(luò)譜如圖1 (c)所示。從包絡(luò)譜中無法找到與任何滾動軸承元件故障特征頻率及其倍頻相對應(yīng)的峰值頻率或頻率間隔，表明軸承正常，沒有故障。

圖1 正常滾動軸承信號分析結(jié)果

3.2.2 外圈故障信號

外圈故障軸承振動信號的時域波形、功率譜如圖2 (a)、圖2(b)所示。根據(jù)功率譜，同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬設(shè)為500Hz，對軸承振動信號進行濾波，然后對濾波后的信號進行包絡(luò)檢波處理，獲得的包絡(luò)譜如圖2 (c)所示。由包絡(luò)譜可見，峰值主要出現(xiàn)在軸承外圈故障特征頻率62.11 Hz 及其倍頻處，故障特征頻率明顯直觀。上述特征說明滾動軸承外圈出現(xiàn)了故障，符合實驗中的實際情況。

3.2.3 內(nèi)圈故障信號

內(nèi)圈故障軸承振動信號的時域波形、功率譜如圖3 (a)、圖3 (b)所示。同樣選取5100Hz 作為帶通濾波器的中心頻率，帶寬為500Hz，對軸承振動信號進行濾波，然后對濾波后的信號進行包絡(luò)檢波處理，獲得的包絡(luò)譜如圖3 (c)所示。包絡(luò)譜中明顯存在和軸承內(nèi)圈故障特征頻率97.89 Hz 及其倍頻相對應(yīng)的峰值頻率。

圖2 滾動軸承外圈故障信號分析結(jié)果

圖3 滾動軸承內(nèi)圈故障信號分析結(jié)果

將包絡(luò)譜局部放大（圖3 (d)），發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈故障特征頻率及其倍頻周圍存在邊帶間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。這是由于內(nèi)圈出現(xiàn)故障時，當其位于加載區(qū)，產(chǎn)生的沖擊會更加劇烈，從而產(chǎn)生更高的振幅，當移出加載區(qū)后，其振幅又會降低，在這種情況下內(nèi)圈的故障頻率被旋轉(zhuǎn)頻率所調(diào)制，因此會在頻譜中看到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻20 Hz 及其倍頻的邊帶頻率。上述特征說明滾動軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了故障，符合實驗中的實際情況。

4 結(jié)語

軌道交通行業(yè)中的空氣壓縮機組滾動軸承故障產(chǎn)生的信息往往淹沒在背景噪聲中，很難被發(fā)現(xiàn)和提取。針對滾動軸承故障信號的周期性沖擊特點，提出了基于共振解調(diào)的故障診斷方法：首先對振動信號進行Fourier 變換獲得頻譜；然后根據(jù)頻譜選取某一固有頻率作為濾波器的中心頻率，并對振動信號進行共振解調(diào)；最后對低頻包絡(luò)信號進行頻譜分析，找出故障特征頻率，診斷軸承故障。應(yīng)用該方法分析了滾動軸承內(nèi)圈和外圈故障的實驗信號，正確診斷出了滾動軸承元件的故障，驗證了該方法的有效性。