第２７卷第３期 石家庄铁道大学学报（自然科学版） ｖ。１．２７ Ｎ。．３ ２０１４ ０９月ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ ＴＩＥＤＡＯ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｓｅｐ．２０１４ 基于ＥＭＤ分解和共振解调的 滚动轴承故障诊断研究 左庆林 。马怀祥 （１．石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄０５００４３；２．天津市地下铁道运行有限公司，天津３０００５１） 摘要：在介绍滚动轴承的故障机理的前提下，采用振动信号分析法对滚动轴承状态监测和 故障诊断进行研究。通过ＬａｂＶＩＥＷ编程，应用ＥＭＤ分解和共振解调相结合的方法，对振动信号 进行分析，获取有用故障特征，进而确定故障类型。 关键词：滚动轴承；故障诊断；ＥＭＤ；共振解调 中图分类号：ＴＰ２７４文献标志码：Ａ文章编号：２０９５—０３７３（２０１４）０３—００５９—０５ ０ 引言 滚动轴承是机械传动中重要的受力部件，其性能的好坏直接影响到机械传动能否正常运行，同时也 影响到设备的使用寿命和人身安全。为确保滚动轴承正常运行，发现滚动轴承的潜在故障，有必要对滚 动轴承进行状态监测和故障诊断，以期提高设备的使用效率，避免不必要的事故发生。目前，对于滚动轴 承的诊断方法很多，其中包括振动信号监测法、轴承润滑状态监测诊断法、油液分析法、温度分析法等，其 中，振动信号监测法是最成熟也是最有效的监测方法之一…。因此，采用振动信号分析方法对滚动轴承 的运行状况和故障诊断进行研究具有重要意义。 １滚动轴承故障机理 滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。其典型结构如图１所示。 一般情况下，外圈装在轴承座孔内，不转动，内圈装在 轴颈上，随轴转动，滚动体是滚动轴承的核心部件，保持架 负责将各滚动体均匀排列。滚动轴承有多种故障形式，主 要为：疲劳剥落、胶合、磨损、腐蚀、裂纹、压痕和保持架变 形等。滚动轴承转动时，零件的损伤将导致滚动接触过程 中产生周期性的冲击，进而产生具有同周期的脉冲力，激 起滚动轴承的规则振动，产生某一故障所对应的特征频 率Ｌ２ Ｊ。通过信号分析，分析出这些特征频率，也就找出了 滚动轴承的故障所在。其中滚动轴承的故障特征频率可 由滚动轴承的几何尺寸和转速计算出来。滚动轴承的各 Ｉ 图１滚动轴承典型结构图 部件故障特征频率计算公式为 内圈故障特征频率 ＝ｚｆｏ（１＋ ｄ ｃ。ｓ ｔｇ）／２ ＤＯＩ：１０．１３３１９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｚｔｄｄｘｘｂｚｒｂ．２０１４．０３．１３ 收稿日期：２０１３—０７—０２ 作者简介：左庆林男１９８８年出生硕士研究生 基金项目：河北省教育厅自然科学重点项目（ｚｈ２０１１２１５） 石家庄铁道大学学报（自然科学版） 外圈故障特，仕频 第２７卷 ＝ｚｆｏ（１一号ｃ。ｓ ｏ）／２ 滚动体上一点通过内圈或外圈的故障特征频 ：（２） Ｄｆｏ￣ｌ一（ ） （ｃ。ｓ ） ］／２ｄ （３） 一个滚动体（或保持架）通过内圈上一点的频 厶＝ｆｏ（１＋ ｃｏｓ ０）／２ （４） ｚ个滚动体通过内圈上一点的频率 ＝Ｚｆｏ（１＋ ｄ ｃ。ｓ ０）／２ 一（５） 个滚动体（或保持架）通过外圈上一点的频 ＝ｆｏ（１一号ｃ。ｓ ０）／２ （６） Ｚ个滚动体通过外圈上一点的频率 ６＝Ｚｆｏ（１一 ｄ ｃ。ｓ ０）／２ （７） 保持架的旋转频率即滚动体的公转频率 ＝ｆｏ（１一号ｃ。ｓ ０）／２ （８） 式中，Ｚ为滚珠的个数： 为轴承的转速：ｄ为滚子直径：Ｄ为轴承节径： 为接触角。 ２ ＥＭＤ分解和共振解调 ２．１ ＥＭＤ分解法 ＥＭＤ又叫经验模态分解法，是希尔伯特黄变换（ＨＨＴ）的核 心所在。它的思想是将一个复杂信号分解为多个本征模态函数 ＩＭＦ之和，这些本征模态函数满足以下两个条件： （１）在整个数据序列中，极值点的数量与过零点的数量必须 相等，或最多相差一个。 （２）在任一时间点上，信号的局部极大值和局部极小值定义 的包络平均值为零。 ＥＭＤ分解流程图见图２所示。 有了ＥＭＤ分解，就可以把一个复杂的非平稳、非线性的测 试信号分解为一组稳态、线性的数据集，也就是一组本征模态函 数（ＩＭＦ） Ｊ。ＨＨＴ中，将每个ＩＭＦ分量做希尔伯特变换，使得 ＨＨＴ具有完全的自适应性，且不受Ｈｅｉｓｅｎｂｅｒｇ测不准原理制约， 彻底摆脱了线性和平稳性的要求，并且能在时域和频域同时达 到很高的精度。 ２．２共振解调法 滚动轴承在运转过程中，除典型故障所引起的振动冲击以 图２ ＥＭＤ方法流程图 外，还受到非故障振动冲击、环境噪声冲击。另外，由于传感器所带进的噪声引起的振动信号的混叠。这 些非典型故障振动冲击的信号能量往往比典型故障所引起的振动信号能量大得多。由此带来的问题是 在对原始信号，甚至是滤波后的信号进行谱分析时，由于故障所引起的振动信号的能量掩埋在混杂的信 号能量中，给故障诊断带来巨大的麻烦。当采用共振解调法对信号进行分析时，却可以方便高效地提取 第３期 左庆林等：基于ＥＭＤ分解和共振解调的滚动轴承故障诊断研究 ６３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＥＭＤ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｚｕｏ Ｑｉｎｇｌｉｎ ，ｎａ Ｈｕａｉｘｉａｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４３，ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００５１，ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇｕｓｅｓ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａ１ ａｎａｌｙ． ．ｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓＴｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ ｐｒｏｇｒａｍ． ．ｕｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ＥＭＤ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｕｓｅ－ ，ｆｕｌ ｆａｕｌｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｆａｕｈ ｔｙｐｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ＥＭＤ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ （责任编辑全 合 √ ．仝 金 舍：岔 合 令 合 岔 全： 车轩玉） 仝：舍：全！全：全！仝！仝！仝！仝：仝： ！舍： ！ （上接第４１页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅａｌａｎｄ Ｗａｌｋｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ｏｆ Ｔｒｏｌｌｅｙ ｉｎ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｗａｎｇ Ｌｉｎｇｙａｎ ，Ｙｕ Ｘｕｇｕａｎｇ ，ｒａｎｇ Ｊｉｕｘｉａｏ ，Ｗａｎｇ Ｊｕｎｓｈｕａｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４３，Ｃｈｉｎａ： ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ） ．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｒｏｌｉｅｖ ａｎｄ ｔｈｅ ａｉｒ ｂ０ｘｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌａｗ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅａｌ ｏｎ ｓｉｎｔｅｎｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｔｒｏｌｌｅｙ’Ｓ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄＡ ｓｅｔ ０ｆ ｓｉｍ． ．ｕｌａｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔｆｉｘｅｄ ｐａｒｔ，ａｎｄ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｍ．Ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔ． ，ｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｓｅｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｐａｒｔ．Ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉａ ａｒｅ Ｄｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｐ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍｏｔｉ０ｎ ｓｔａｔｅｓ ａｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔ ｍｏｖｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｌｉｎｅａｒ ｖｅｌｏｃｉｔｖ ０ｆ ０７９～２．１ ２ ｍｅｔｅｒ ｐｅｒ ．ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉａ ｉｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｌａｙｅｒｓｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｌａｙｅｒＴｈｅ １ａｖ— ，．ｅｒｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｒｅ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇａｐｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ，ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｐａｒｔ，ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉｕｍ．Ｉｔ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｃ０ｕ． ｐｌｉｎｇ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉｕｍ’ｓ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｒｋｅｄ ｂｙ ｔｈｅ“ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｍ０ｖｉｎｇ ｌａｙｅｒ”ｉｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｄｉｕｍ ｈａｖｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｆｏｕｒ ｆａｃｔ０ｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅａｌ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｓｐｅｅｄ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ （责任编辑车轩玉）
