滚动轴承的振动信号特征分析报告

南昌航空大学实验报告

课程名称：实验名称：滚动轴承的振动信号特征分析实验时间：班 级 ：学 号 ：姓 名 ：成 绩 ： 数字信号处理

2013年5月14日 吴涌涛

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滚动轴承的振动信号特征分析

一、 实验目的

利用《数字信号处理》课程中学习的序列运算、周期信号知识、DFT知识，对给定的正常轴承数据、内圈故障轴承数据、外圈故障轴承数据、滚珠故障轴承数据进行时域特征或频域特征提取和分析，找出能区分四种状态（滚动轴承的外圈故障、内圈故障、滚珠故障和正常状态）的特征。

二、 实验原理

振动机理分析：机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结

构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。

振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。 幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。

频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。

相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。

在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。

提取振动信号的幅域、时域、频域、时频域特征，根据特征进行故

障有无、故障类型和故障程度三个层次的判断。

三、 实验内容

Step1、使用importdata（）函数导入振动数据。

Step2、把大量数据分割成周期为单元的数据，分割方法为：

设振动信号为{xk}(k=1,2,3,…,n)采样频率为fs，传动轴的转动速率为Vr。 采样间隔为：

?t?1fs （1）

旋转频率为：

fr?传动轴的转动周期为：

Vr60 （2）

T?1fr （3）

由式（1）和（3）可推出振动信号一个周期内采样点数N：

N?ffrT??s （4） 1?tfrfs1由式（2）可得到传动轴的转动基频fr=29.95Hz，再由式（3）可得到一个周期内采样点数N=400.67，取N=400。

Step3、提取振动信号的特征，分析方法包括：

1、时域统计分析指标（波形指标(Shape Factor)、峰值指标(Crest Factor)、脉冲指标(Impulse Factor)、裕度指标(Clearance Factor)、峭度指标(KurtosisValue) ）等，相关计算公式如下：

（1）波形指标：

WKf?XPX (5)

其中，XP为峰值，X为均值。Xp计算公式如下：

Xp?max{xi}(i?1,2,?,N)

（2）波峰指标：

CKf?

XpXrms (6)

其中，Xrms为均方根值。均方根值计算如下：

X1rms=

N?Nx2ii?1 (7) （3）峭度指标：

K?? X4rms (8)

其中，?为峭度，计算式如下：

N??1

N?x4ii?1 (9)

（4）脉冲指标：

I?XPX (10)

（5）偏度指标：

P??X3rms (11)

其中，?为偏度，计算式如下：

N??1N?x3ii?1 (12)

（6）裕度指标：

L?XpX (13)

r其中，Xr为方根幅值，计算公式如下：

?1 Xr???N?i?1N?xi? ?2

2、频域分析，包括离散频谱序列统计分析指标，阶次分析等。 滚动轴承的理论特征频率计算公式如下： （1）内圈故障频率： fi?（2）外圈故障频率： fo?（3）滚珠故障频率： fb?Nd(1?cos(?))fr=107.82 Hz 2DNd(1?cos(?))fr =161.73 Hz 2DDd(1?()2cos2(?))fr=141.17 Hz 2dD其中，N 为滚珠数，d为滚珠直径，??为接触角,D为轴承节径。

Step4（提高要求）、提取未知信号的特征，与已知信号的特征进行比对分类，诊断信号是否存在故障以及故障类型。

未知故障类型信号：1.mat

四、实验的程序代码

（1）、待测信号1

function [y1,y2,y3,y4]=KuttosisFactor(); s=importdata('E:\\原始信号\\内圈故障\\105.mat'); s_value=s.X105_DE_time'; s_cutvalue=s_value(1:24000); tree=wpdec(s_cutvalue,3,'sym6'); det=wpcoef(tree,2);

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