频谱分析在轴承测量中的应用.docx
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频谱分析在轴承测量中的应用
轴承评价FFT比较
一、时域波形与FFT谱线
FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个时域信号变换为频域信号。
有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。
S0910中心频率707HZ的时域信号
S0910中心频率707HZ的FFT
S9502中心频率261HZ的时域信号
S9502中心频率261HZ的FFT
由以上几组时域波形转换为FFT时就是一条谱线，由此可见FFT可非常直观的显示时域波形图的频率成分。
二．在钢球振动测量中采用FFT
图一.Φ15以上大钢球的时域波形图
图二A.Φ15以上大钢球的FFT分析图
图二B.Φ15以上大钢球的FFT分析图
注：
图二A和图二B是同样规格不同厂家的产品，两者的产品质量一目了然。
图三.Φ15以上大球的标准带通曲线400HZ-800HZ
图四.Φ15以下钢球的时域波形
钢球表面划伤按170HZ-400HZ的带通测量是一个很不好的球。
这个钢球如果按170HZ-400HZ的带通测量是一个不好的球。
这个钢球如果按170HZ-400HZ的带通测量是一个不太好的球。
这个钢球如果按170HZ-400HZ的带通测量是一个很好的球，而实际它在1400HZ-1800HZ振动值是很高的。
图五.Φ15以下钢球的FFT分析图
这个钢球是一个很好的球。
图六.Φ15以下的小钢球的标准带通曲线170HZ-400HZ
由图五可见Φ15以下钢球在170Hz-400Hz范围是一个很好的钢球，而高幅值是在1500Hz-1800Hz范围内，由图六可见现行的钢球振动测量仪的测量带通范围是170Hz-400Hz，也就是说测量的频带是低幅值区域，而高幅值区域没有检测，所以经常出现钢球的振动值很低合套后发现有噪音，问题就出在这里。
三．在波纹度测量中采用FFT
图七.套圈波纹度的FFT波形图
目前国际通用的波纹度测量范围有两种；一种是3波-100波；另一种是3波-256波；由图七是在720转/分（12Hz）条件下测量的，如果选择3波-100波，频率范围是36Hz-1200Hz，而图七所示的高幅值频率范围已超过1700Hz；可见套圈波纹度的选择3波-256波是正确的。
四．FFT分析对轴承振动测量仪抗电磁干扰的监测
图八.50Hz工频干扰的FFT波形图
图九.加速度轴承振动测量仪25Hz主轴转速干扰的FFT波形图
图十.速度轴承振动测量仪30Hz主轴转速干扰的FFT波形图
图十一.波纹度测量仪12Hz主轴转速干扰的FFT波形图
图十一.加速度轴承振动测量仪50Hz工频干扰和25Hz主轴转速干扰的FFT波形图
轴承振动测量仪中的50Hz工频干扰和25Hz主轴转速干扰对仪器的音响影响是非常大的。
图十二.该图是50HZ的干扰信号将振动信号进行幅值调制
图十三.是上图加50HZ的抗干扰后的波形
五．轴承振动测量仪的主轴质量的监测
正常轴承振动测量仪自振信号的FFT分析
上图是一台正常的轴承振动测量仪，自振信号的FFT分析中除有主轴转速干扰信号的谱线外没有其它。
故障轴承振动测量仪自振信号的FFT分析
上图可见一台有硬点故障的轴承振动测量仪，自振信号的FFT分析。
六．油脂对轴承振动测量的影响
6203轴承添加低噪音油脂的测量波形图
6203轴承添加低噪音油脂的FFT图
6203轴承添加普通油脂的测量波形图
6203轴承添加普通油脂的FFT图
由上图看见不同的油脂噪音是不同的。
七．频谱分析在自动故障诊断中的应用
当滚动轴承出现故障时，最有效的诊断方法一般是以振动的变化作为故障诊断依据。
在振动检测方法中，较常用的特征参量有平均值、均方根值、峰值和波峰因子、方差、峭度等无量纲特征参量。
平均值：
平均值描述信号的稳定分量，又称直流分量。
有效值又称均方值：
最能稳定反映振动能量
峰 值：
检测周期内最大正峰值。
波峰因素：
峭度指标：
反映振动信号中的冲击特征。
频域诊断则是通过对轴承振动信号进行频谱分析，常用的有功率谱、包络谱、共振解调、倒谱等。
功率谱是结构对随机动力载荷响应的概率统计，功率谱是FFT的4次方运算的结果，可使信号小的更小，大的更大，用于随机振动分析。
包络谱分析就是对信号包络或幅度调制分量进行谱分析，由于时间历程的包络包含有关冲击和幅度调制的信息，通过对包络进行谱分析，可以识别出隐藏在原始时间历程中由冲击高频成分引起的谱峰，这是一个解调过程，也就是包络谱分析的意义。
共振是一种物理现象，即当外加激振力等于系统固有频率时，系统振动的振幅将达到最大值。
当轴承某一原件表面出现缺陷时，在受载运行过程中将与其它元件表面发生撞击，从而产生能量集中的冲击脉冲力；由于冲击脉冲力的频带较宽所以必然对轴承各个元件、传感器等各自的固有频率激发出相应的高频固有振动。
利用中心频率等于该固有频率的带通滤波去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，通过对这易包络信号进行频谱分析即可诊断出轴承故障。
共振解调技术具有以下特点：
1. 共振解调波与故障冲击存在一一对应的关系，有故障才有谱线，无故障则无谱线。
2. 共振解调幅值与故障冲击强度成正比，因此可确定故障大小。
3. 共振解调具有良好的信噪比。
4. 尤其当轴承出现两个以上的故障元件时，其它的方法难于精确诊断，而共振解调可以做到。
倒谱分析也称为二次频谱分析，倒谱是功率谱的对数的傅里叶逆变换；时域中信号的卷积关系在倒谱上表现为信号迭加。
功率倒频谱的正根号值称为幅值。
八．特征频率的确定方法
1. 对于轴承生产厂家可以将本厂生产的各种型号轴承制作标准的样品，外圈、内圈、钢球、保持架的故障，在频谱分析中确定其特征频率，然后输入到诊断参数中作为诊断的依据。
2. 也可通过下面的公式进行计算，再通过试验进行修正，将确定的参数输入到诊断参数中作为诊断的依据。
3. 在实际诊断时可对故障特征频率给定一个频率误差范围Δƒ。
6208轴承球伤的包络谱
6208轴承球伤的共振解调谱
6208轴承内圈伤的包络谱
6208轴承内圈伤的共振解调谱
6208轴承外圈伤的包络谱
6208轴承外圈伤的共振解调谱
6208轴承钢球和保持架伤的包络谱
6208轴承球和保持架伤的共振解调谱
上面每幅图中都有4条虚线，依次为6208轴承保持架的特征频率（9.97283Hz）；6208轴承外圈的特征频率（89.7554Hz）；6208轴承钢球的特征频率（120.461Hz）；6208轴承内圈的特征频率（134.195Hz）。
九．结语
在LabVIEW环境下，采用有量纲参数与无量纲参数和频谱分析相结合，可以很容易判断轴承振动测量仪的抗干扰特性、可以消除电磁干扰、可以监测轴承振动测量仪主轴系统的产品质量、可以准确判断轴承的优、良、差、可以分析油脂对轴承噪音的影响、可以解决不合格轴承的缺陷定性分析。
可以实现示波采样分析同时进行的快速测量。
可实现一个振动传感器、一路采集通道，即可同步连续获取加速度（A）、速度（V）、位移（D）三路信号，实现振动信号的“全息测量”。
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