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        基于共振解調(diào)的空氣壓縮機(jī)軸承故障診斷研究

        2019-11-27 03:43:48秦嗣峰
        城市公共交通 2019年10期
        關(guān)鍵詞:特征頻率內(nèi)圈外圈

        秦嗣峰 欒 瑾

        (中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,青島 266000)

        引言

        列車(chē)安全運(yùn)行是軌道交通行業(yè)的工作重點(diǎn)。滾動(dòng)軸承作為空氣壓縮機(jī)的重要零件,一旦出現(xiàn)故障,會(huì)導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)無(wú)法為列車(chē)供風(fēng),嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全。滾動(dòng)軸承雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其損傷形式多種多樣,振動(dòng)信號(hào)的頻帶非常寬廣,反映運(yùn)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(diǎn)檢測(cè)故障引起的瞬態(tài)沖擊。對(duì)共振解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行Fourier 變換,通過(guò)頻譜識(shí)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(duì)空氣壓縮機(jī)滾動(dòng)軸承故障引起的周期性沖擊特征提取問(wèn)題,考慮到共振解調(diào)在檢測(cè)瞬態(tài)沖擊方面的優(yōu)勢(shì),提出了基于共振解調(diào)的空氣壓縮機(jī)滾動(dòng)軸承故障診斷方法,并應(yīng)用該方法分析了滾動(dòng)軸承故障實(shí)驗(yàn)信號(hào),準(zhǔn)確診斷了滾動(dòng)軸承元件故障,驗(yàn)證了該方法的有效性。

        1 滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)機(jī)理

        當(dāng)滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)域出現(xiàn)局部缺陷時(shí),軸承在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沖擊信號(hào),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(gè)頻率稱為故障特征頻率。滾動(dòng)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(duì)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(gè)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(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信息經(jīng)共振及解調(diào)來(lái)獲取軸承、齒輪以及其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械因故障碰撞而產(chǎn)生的沖擊信息[4]。當(dāng)設(shè)備元件出現(xiàn)局部損傷時(shí),在受載運(yùn)行過(guò)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(dòng)。可根據(jù)實(shí)際需要選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)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(dòng)分離出來(lái),然后通過(guò)包絡(luò)檢波去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分,得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)。通過(guò)對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析即可診斷出設(shè)備故障。

        共振解調(diào)的具體過(guò)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(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。

        (2)對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理,獲得低頻包絡(luò)信號(hào)。

        (3)對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,找出故障特征頻率,診斷故障。

        3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)分析

        3.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

        為模擬滾動(dòng)軸承元件的局部損傷,選擇實(shí)驗(yàn)用滾動(dòng)軸承型號(hào)為ER10K,參數(shù)見(jiàn)表1。并且在滾動(dòng)軸承的外圈、內(nèi)圈分別加工了局部損傷。實(shí)驗(yàn)中,將加速度傳感器置于軸承座的正上方,電機(jī)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(jì)算各元件的故障特征頻率,見(jiàn)表2。

        表1 滾動(dòng)軸承ER10K基本參數(shù)

        表2 滾動(dòng)軸承ER10K元件特征頻率 單位:Hz

        3.2 信號(hào)分析

        為了驗(yàn)證共振解調(diào)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的效果,首先對(duì)正常滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,將結(jié)果作為基準(zhǔn),然后分析故障信號(hào),說(shuō)明該方法的有效性。

        3.2.1 正常信號(hào)

        正常信號(hào)的時(shí)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(gè)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(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波;然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波處理,獲得軸承信號(hào)的包絡(luò)譜如圖1 (c)所示。從包絡(luò)譜中無(wú)法找到與任何滾動(dòng)軸承元件故障特征頻率及其倍頻相對(duì)應(yīng)的峰值頻率或頻率間隔,表明軸承正常,沒(méi)有故障。

        圖1 正常滾動(dòng)軸承信號(hào)分析結(jié)果

        3.2.2 外圈故障信號(hào)

        外圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)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(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波,然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)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(jiàn),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(shuō)明滾動(dòng)軸承外圈出現(xiàn)了故障,符合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況。

        3.2.3 內(nèi)圈故障信號(hào)

        內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)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(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波,然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)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(duì)應(yīng)的峰值頻率。

        圖2 滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào)分析結(jié)果

        圖3 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障信號(hào)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?chē)嬖谶厧чg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(shí),當(dāng)其位于加載區(qū),產(chǎn)生的沖擊會(huì)更加劇烈,從而產(chǎn)生更高的振幅,當(dāng)移出加載區(qū)后,其振幅又會(huì)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(huì)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(shuō)明滾動(dòng)軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了故障,符合實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況。

        4 結(jié)語(yǔ)

        軌道交通行業(yè)中的空氣壓縮機(jī)組滾動(dòng)軸承故障產(chǎn)生的信息往往淹沒(méi)在背景噪聲中,很難被發(fā)現(xiàn)和提取。針對(duì)滾動(dòng)軸承故障信號(hào)的周期性沖擊特點(diǎn),提出了基于共振解調(diào)的故障診斷方法:首先對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行共振解調(diào);最后對(duì)低頻包絡(luò)信號(hào)進(jìn)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(dòng)軸承內(nèi)圈和外圈故障的實(shí)驗(yàn)信號(hào),正確診斷出了滾動(dòng)軸承元件的故障,驗(yàn)證了該方法的有效性。

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