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小波分析在滚动轴承故障信号处理中的应用.pdf

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２０１３年５月 第３２卷第５期理论与方法 小波分析在滚动轴承故障信号处理中的应用 李鑫 （中航工业航空动力机械研究所株洲４１２００２） 摘要：在旋转机械中，当轴承发生故障时，振动信号比较复杂，相对其它振动信号太弱，基于傅立叶变换的谱分析技术对滚 动轴承的故障特征的提取不太理想。提出采用小波变换和傅立叶变换相结合的方法来处理滚动轴承的故障振动信号，通过 对某航空发动机滚动轴承的外环故障信号处理，结果验证了该方法对提取滚动轴承故障特征的有效性。 关键词：滚动轴承外环故障；小波分析；傅立叶变换 中图分类号：ＴＰ２０６＋．１文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５１０．４０ Ｗａｖｅｌｅｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｆａｕｌｔｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓ ＬｉＸｉｎ （ＡＶＩＣＡｖｉａｔｉｏｎＰｏｗｅｒｐｌａｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｏｔａｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｗｈｅｎｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｉｓｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｏｔｈｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｉｓｔｏｏｗｅａｋ，ｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｓ ｎｏｔｉｄｅａｌ．ＴｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍａｎｄＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｕｔｅｒｒｉｎｇｏｆｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｆａｉｌｕｒｅｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｔｈｅａｖｉａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ， ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅａｒｉｎｇｏｕｔｅｒｒｉｎｇｆａｕｌｔ；ｗａｖｅｌｅｔａｎａｌｙｓｉｓ；Ｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ 中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺 １引言 度细化分析（ＭｕｌｔｉｓｃａｌｅＡｎａｌｙｓｉｓ），解决了Ｆｏｕｒｉｅｒ变换不 航空发动机是高速复杂的旋转机械，滚动轴承故障常能解决的许多非稳态信号处理中出现的问题。经过十几 常发生，轴承发生故障时不仅会影响航空发动机的正常运年的发展，小波分析在振动信号检测和处理中也得到了很 行，而且严重的会导致恶性事故。目前振动检测是航空发好发展和应用见文献［７－９］。本文将小波分析和傅立叶变换 动机轴承故障监测的一种常用方法。在振动故障诊断领结合处理航空发动机滚动轴承故障信号，试验数据分析处 域许多方法是以特征信息提取为基础的，航空发动机的滚理结果说明该方法能够有效的提取滚动轴承的故障特征 动轴承发生故障或异常时，在振动信号中往往伴有相应的频率，可以滚动轴承的故障诊断提供依据。 滚动轴承零部件故障特征频率成分，因此检测这些成分的 滚动轴承的振动特征和故障特征频率 有无，就成为航空发动机轴承故障诊断中的重要内容。在２ 航空发动机的振动信号分析和故障诊断中，一般都是采用２．１滚动轴承的振动特征 快速傅里叶变换为核心的经典信号处理方法作为信号分从生产观点看，滚动轴承不仅结构十分简单，而且是 析方法，即频谱分析法。由于轴承的振动信号非常的复标准化的外购件，但它作为振源就显得相当复杂，不仅可 杂，与其它振动信号相比又比较微弱，并且航空发动机的形成多种振源，同时还要承担来自轴系不平衡、弯曲、不对 振动信号通过传感器在发动机箱体和轴承座上测得，受噪中和扭振等传递作用，使问题更为复杂化。一般来说，可 声干扰严重，基于傅立叶变换的谱分析法直接分析此类故将轴承振动归结为以下４种形式： 障信号，故障特征的提取不理想。上世纪８０年代以来小１）由于设计、安装、润滑等原因产生的随机振动，它在 波分析被运用在各个学科领域见文献［７－１１］，它与Ｆｏｕｒｉｅｒ所有的轴承中都存在； 变换相比，是一个时频的局域变换，因而能有效的从信号２）有滚珠通过负荷区产生的振动。这是一种简谐激 收稿日期：２０１３－０４ 中国科技核心期刊国外电子测量技术—５６— 理论与方法２０１３年５月 第３２卷第５期 励，在各种轴承中都存在；分量，并对信号进行二抽一采样，以一个三层分解说明小 ３）由于滚珠通过有故障或波纹的滚道（内圈或外圈）、波变换和小波包变换的原理。小波分解树如图１