基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法研究

论文摘要

滚动轴承是机械设备中最常见的零部件,其运行状态直接影响到整台机器的功能。滚动轴承故障诊断中同一征兆域很难区分多种故障,单一传感器对故障分类识别有不确定性。 一般情况下,系统的某一故障源可能具有多个故障表征,要进行准确可靠的故障诊断,必须具有足够的故障表征,只有清楚故障表征与故障源之间的映射关系,才能通过故障表征查找到故障源。 本文通过对滚动轴承的振动类型及故障特征,详细研究了时域分析、时—频分析在滚动轴承故障诊断中的应用。本文利用工厂采集数据、实验台数据及计算机仿真分别对时域信号参数指标、GREEN函数指标及时—频分析中的短时傅立叶变换、小波变换、Wigner—Ville分布等分析方法在滚动轴承振动信号分析与故障诊断中的应用进行具体分析,找出各方法优劣及其与各故障形式的映射关系。 本文主要从以下几个方面进行了研究: 首先,以滚动轴承结构和工作原理为基础,研究了滚动轴承外表面振动信号产生的机理,滚动轴承故障的形式,以及由于故障的不同引起的不同形式的振动,建立了各种损伤类故障振动的数学模型,说明了利用滚动轴承外部振动信号对其进行诊断的可行性。 其次,通过时域分析方法,主要研究几个重要的时域参数指标,如峰值、均方根值、峭度指标、裕度指标、峰值指标、脉冲指标等的数学意义及工程解释,重点总结了无量纲参数指标用于故障诊断的判据,并用于棒材轧机和风机的轴承故障诊断中,取得了较好的效果。 再次,通过各种时—频分析方法,对于机械振动信号中的非平稳信号采用时—频分析的方法进行特征提取。对短时傅立叶变换在轴承故障诊断的应用进行了研究。通过仿真试验和实际故障信号,比较短时傅立叶变换、小波变换、Wigner-Ville分布对非平稳信号的敏感性。 最后,通过具体信号和仿真实验,来分析各方法诊断故障优势及与故障部位之间的映射关系。总结出有效的多信息融合的滚动轴承检测思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 故障诊断现状及技术简介
• 1.1 旋转机械故障诊断技术的研究意义
• 1.2 故障诊断的发展概况及现状
• 1.3 滚动轴承故障诊断技术
• 1.3.1 振动诊断技术
• 1.3.2 铁谱诊断技术
• 1.3.3 油膜电阻诊断技术
• 1.3.4 温度诊断技术
• 1.4 滚动轴承故障振动检测
• 1.4.1 振动检测基本方法
• 1.4.2 振动诊断技术在滚动轴承故障分析中的应用
• 1.5 本论文主要研究内容
• 2 旋转机械故障机理及振动信号
• 2.1 旋转机械故障的来源及主要原因型
• 2.2 滚动轴承故障机理
• 2.3 滚动轴承失效形式表现
• 2.4 滚动轴承振动检测
• 2.4.1 测定部位
• 2.4.2 测定参数
• 2.4.3 测定周期
• 2.5 滚动轴承振动类型
• 2.5.1 滚动轴承的固有振动
• 2.5.2 承载状态下滚动轴承的振动
• 2.6 本章小结
• 3 时域分析在滚动轴承故障诊断中的应用
• 3.1 时域分析方法简介
• 3.2 时域统计分析方法
• 3.2.1 时域分析的主要统计参数
• 3.2.2 时域分析的统计特征
• 3.2.3 幅值概率密度分布分析
• 3.3 时域信号的无量纲参数指标分析
• 3.4 信号时间序列GREEN函数指标
• 3.4.1 GREEN函数的定义及公式推导
• 3.4.2 GREEN函数特性
• 3.5 时域分析方法在诊断中的应用
• 3.5.1 时域参数指标在故障诊断中的判据
• 3.5.2 GREEN函数指标法判定依据
• 3.5.3 时域分析诊断实例
• 3.6 时域分析方法比较
• 3.7 本章小结
• 4 时-频分析在滚动轴承故障诊断中的应用
• 4.1 时-频分析的基本概念
• 4.1.1 信号的时-频表示和相平面
• 4.1.2 窗口函数
• 4.2 短时傅立叶变换
• 4.2.1 短时傅立叶变换定义
• 4.2.2 短时傅立叶变换滚动轴承故障诊断实例
• 4.3 小波变换
• 4.3.1 小波变换的含义
• 4.3.2 小波变换滚动轴承故障诊断应用
• 4.4 Wigner-Ville分布
• 4.4.1 Wigner-Ville分布的定义
• 4.4.2 Wigner-Ville分布的主要性质
• 4.4.3 Wigner-Ville分布的计算
• 4.4.4 Wigner-Ville分布滚动轴承故障诊断实例
• 4.5 短时傅立叶变换、小波变换、Wigner-Ville分布比较
• 4.5.1 短时傅立叶变换与小波变换比较
• 4.5.2 短时傅立叶与Wigner-Ville分布比较
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 A 读取（*.mea）程序（MATLAB）
• 附录 B 短时傅立叶变换（MATLAB）程序
• 附录 C Wigner-Ville时频分布（MATLAB）分析程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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