白創(chuàng)　張化朝

摘 要：本文利用Hilbert變換的包絡(luò)解調(diào)分析方法對(duì)輪轂軸承的故障診斷進(jìn)行了研究，介紹了輪轂軸承特征頻率的求解方法，以某款車型輪轂軸承診斷為例，結(jié)合頻譜分析，驗(yàn)證了Hilbert包絡(luò)解調(diào)分析方法的有效性。

關(guān)鍵詞：Hilber；包絡(luò)譜；軸承；故障診斷

中圖分類號(hào)： U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）25-208-2

0 引言

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的零部件之一，它的工作狀態(tài)直接影響旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的工作性能。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的許多故障都與滾動(dòng)軸承密切相關(guān)，一旦滾動(dòng)軸承產(chǎn)生故障，輕則影響機(jī)械設(shè)備的正常使用壽命，重則危及人員生命，所以[1]，研究滾動(dòng)軸承的故障診斷意義重大。

當(dāng)滾動(dòng)軸承發(fā)生早期故障時(shí)，由于滾動(dòng)軸承的滾道尺寸精密且極其光滑，早期故障振動(dòng)信號(hào)極其微弱，再加上其他信號(hào)的干擾，故障問題很難被人察覺。雖然局部損傷的滾動(dòng)軸承元件振動(dòng)時(shí)會(huì)激起固有的故障頻率，然而在復(fù)雜的運(yùn)行工況下，軸承的振動(dòng)信號(hào)中常常會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，直接對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT分析，較難判斷出故障特征頻率。目前運(yùn)用滾動(dòng)軸承的故障診斷方法主要包括頻域分析法、包絡(luò)解調(diào)分析、沖擊脈沖分析等，其中包絡(luò)解調(diào)方法可有效的判斷軸承是否發(fā)生故障，而且可以判斷軸承故障的部位。希爾伯特（Hilbett）包絡(luò)解調(diào)方法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一。Hlibert變換法是對(duì)含有調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，用Hilbert變換法把一個(gè)實(shí)信號(hào)表示成一個(gè)復(fù)信號(hào)（即解析信號(hào)），通過對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的濾波、包絡(luò)檢波、解調(diào)處理，根據(jù)頻譜中的軸承故障特征頻率，通過對(duì)此解調(diào)波的幅值和頻譜分析判定軸承是否故障及其故障部位。

本文采用希爾伯特（Hilbett）解調(diào)分析方法對(duì)輪轂軸承故障問題進(jìn)行研究。

1 基于Hilbert包絡(luò)解調(diào)的軸承故障診斷原理

將采集到的振動(dòng)信號(hào)先進(jìn)行FFT變換，分析其頻率成分，先確定故障特征所激發(fā)的故障特征頻率范圍，然后對(duì)原始測(cè)試信號(hào)進(jìn)行包含故障頻率帶寬的帶通濾波，最后對(duì)故障頻率成分進(jìn)行Hilbert包絡(luò)解調(diào)，得到其激發(fā)故障的低頻的特征頻率，再根據(jù)頻譜中的軸承故障特征頻率，通過對(duì)比解調(diào)波的幅值和頻譜[2]，分析判定軸承是否故障及其故障部位。

1.1 Hilbert包絡(luò)解調(diào)原理

2 輪轂軸承故障診斷用案例分析

某車型在行駛過程中，駕駛室內(nèi)存在“嗡嗡”異響聲音，引起顧客不適及抱怨，經(jīng)主觀判斷異響由車輛前部發(fā)出。為初步確定故障位置，使用LMS測(cè)試設(shè)備對(duì)車輛前部可能的異響問題源進(jìn)行排查，包括車輛左/右轉(zhuǎn)向橫拉桿、左/右軸頭、左/右制動(dòng)盤罩殼及變速器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)變速器與左驅(qū)動(dòng)軸連接側(cè)未出現(xiàn)與車內(nèi)噪聲對(duì)應(yīng)的異響頻譜，左轉(zhuǎn)向橫拉桿、左制動(dòng)盤罩殼、左軸頭振動(dòng)均有相同的頻譜出現(xiàn)。進(jìn)一步拆除左驅(qū)動(dòng)軸后異響消除，換另一無此異響車的左驅(qū)動(dòng)軸后異響復(fù)發(fā)，由此推斷異響部位為左輪轂單元。為進(jìn)一步確認(rèn)問題，對(duì)輪轂單元振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

2.1 輪轂異響問題的診斷

①振動(dòng)時(shí)域信號(hào)。車速50km/h時(shí)在輪轂軸承上采集到的時(shí)域加速度信號(hào)，如圖2-1所示，可以看出異常件相比正常件，振幅增大2倍，可見異常件輪轂軸承確實(shí)存在故障。②振動(dòng)頻域信號(hào)。通過對(duì)圖2-1的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到原始信號(hào)頻譜圖，如圖2-2所示。

根據(jù)類比判定標(biāo)準(zhǔn)：①在低頻段0～1000Hz，振動(dòng)幅值大于其他正常設(shè)備振動(dòng)值的1倍以上或在高頻段1000Hz以上實(shí)測(cè)振動(dòng)值大于正常值的2倍以上時(shí)可以判為異常。

②在低頻段其振動(dòng)值大于其他設(shè)備振動(dòng)值的2倍以上，或高頻段的振動(dòng)測(cè)量值大于其他設(shè)備的4倍以上時(shí)，一般判定為嚴(yán)重故障。

通過對(duì)比頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，在50-2000Hz之間存在明顯異常頻率成分，說明軸承存在嚴(yán)重故障。

④分析結(jié)果。由包絡(luò)分析結(jié)果標(biāo)出的峰值可以明顯看出，包絡(luò)信號(hào)中存在37.5Hz及其倍頻成分。而且在37.5Hz和75Hz左右存在以6.1Hz為間隔的邊頻帶，說明信號(hào)中存在以6.1Hz為間隔的調(diào)制信號(hào)。

2.2 軸承特征頻率求解結(jié)果

輪轂軸承的特征頻率如表2-1所示，由表2-1可知滾子自轉(zhuǎn)故障頻率為38.2Hz，滾動(dòng)體通過外圈頻率為38.6Hz，這與分析故障頻率37.5十分接近，由于軸承實(shí)際尺寸與特征頻率計(jì)算參數(shù)值有誤差，特征頻率求解也會(huì)存在誤差，但經(jīng)過對(duì)不同車速測(cè)試分析結(jié)果，完全確定37.5Hz為滾子故障頻率及外圈故障共同作用的結(jié)果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 梅宏斌.滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷理論、方法、系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2] 高立新，王大鵬，劉寶華，等，軸承故障診斷中共振解調(diào)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（1）：1-5.