1　引言

滾動軸承廣泛應用于各種旋轉機械中，對滾動軸承的工作情況進行監測與診斷有著十分重要的意義。根據振動信號的特征，可以把滾動軸承在運行過程中出現的故障分為兩大類：一類為損傷類故障，包括軸承元件表面點蝕、裂紋、剝落及擦傷等；另一類為磨損類故障，包括異物落入造成的磨料磨損以及由于潤滑不良引起的元件表面直接接觸造成的磨損。目前軸承監測與故障診斷普遍采用的作法是在線監測、離線分析，這就要求現場分析人員具有一定基礎的故障診斷知識，給現場工作人員實施故障診斷造成了一定困難。能否用一種較為簡便的方法實現滾動軸承故障的自動診斷呢？作者查閱了大量文獻，發現利用共振解調技術可以實現滾動軸承損傷類故障的自動診斷。

2　共振解調法診斷滾動軸承損傷故障的原理

對于滾動軸承來說，軸承的滾子、內圈、外圈的不規則損傷，如剝落、點蝕、裂紋等必然引起沖擊。盡管沖擊的基本重復頻率與振動的重復頻率相同或相近，但是初期故障引起的沖擊的量值常常遠小于振動值。這是由于振動表現為持久的過程，能量是持續釋放的，累積量值較大，而沖擊則是異常短暫的過程，幅值能量也許很大，但累積能量卻甚微。用頻率分析的方法研究故障原因是人們容易接受、也是當今發展較為完善的方法。但因為沖擊的持續時間短，其能量向廣闊的頻率領域發散，落在滾動軸承振動頻率范圍以內的分量則更小，無法與能量較大而又基本集中于低頻領域的振動分量相比。因此，用直接包含故障沖擊的振動信號進行頻譜分析以診斷軸承損傷故障有時就會出現發生了故障但從頻譜圖上卻看不到的現象。
共振是一種常見的物理現象，可以利用共振的特性，來提取埋藏于正常振動信息中的故障沖擊信息。由于正常的振動不含高頻分量，而軸承等故障沖擊中則含有，因此，可設一個高頻的、正常振動頻率所達不到的諧振系統，剔除正常振動、響應沖擊激勵，實現沖擊信息的提取。
因此，共振解調技術是對低頻（通常為數kHz以內）沖擊所激起的高頻（數10倍于沖擊頻率的）共振波形進行包絡檢波和低通濾波，即解調，獲得一個對應于低頻沖擊的、而又放大并展寬了的共振解調波；通過對此共振解調波的幅值和頻譜分析，判定故障的量值和故障類型。共振解調法的基本原理如圖1所示。

????????????????????????

圖1　共振解調法的基本原理

3　共振解調信號的精密診斷

實施共振解調精密診斷的主要手段是對共振解調信號進行傅立葉變換。由于充分利用了傳感器對其固有頻率的共振響應，排除了與故障無關而又十分強大的正常機器振動信號，從而大大提高了信噪比，使得精密診斷無需依賴更多的頻域分析手段，就可以有效地實現準確的診斷。
共振解調故障診斷與一般的振動診斷不同在來確定故障的有無，而共振解調法則是按照解調波形的理論規律所必然保證的多階解調譜的特性，即多階性來確定故障，從而增加了可靠性。功振解調精密診斷的“沒有故障就沒有譜線”，“凡是有故障就出現多階性譜線”以其它規律為簡化故障診斷和設計自動化的診斷軟件提供了理論依據。
共振解法實現滾動軸承故障自動化診斷的基本環節如圖2所示。

????????????????????????

圖2　共振解調自動診斷的基本環節

3　滾動軸承故障自動診斷的實施

當滾動軸承發生損傷類故障時，就要產生低頻沖擊和振動，產生高頻共振波。利用運轉軸承中故障的低頻沖擊所產生的高頻分量，激起高頻諧振器（傳感器）的共振，再對高頻共振波進行解調處理，獲得一個剔除了低頻振動干擾，但富含故障信息的共振解調波。通過對此共振解調波的幅值和頻譜的分析，就可以在故障特征頻率及其倍頻處看到清晰的譜峰，而不含故障沖擊的信號卻不會在共振解調波的頻譜圖中出現譜峰，因此很容易確定故障發生的部位。
由于滾動軸承的種類不同、型號不同，故其典型故障的特征頻率也不同，對于運行良好的滾動軸承也不可能做各種故障實驗來獲得特征頻率。因此，在滾動軸承故障的自動診斷中應采用主動診斷法，即以理論公式為指導，計算出故障的特征頻率，將其與頻譜分析所得譜峰相對照來診斷故障。
滾動軸承故障的特征頻率計算如下:
（1）保持架故障特征頻率
根據軸承的幾何尺寸，可以很容易求出保持架的故障特征頻率為

式中，Rpmi和Rpmo分別為內、外環轉速（r/min）；
D為節圓直徑；
d為滾動體直徑；
a為接觸角。
（2）內、外環故障的特征頻率假定外環不動，滾動軸承內、外滾道的特征頻率為

式中N為滾動體的個數。
（3）滾動體故障的特征頻率

式中負號表示滾動體是逆時針方向轉動的。
考慮到根據軸轉速和軸承幾何尺寸計算出的故障特征頻率與實際解調頻譜中的故障特征頻率之間，由于譜分析分辨率的原因而存在差異，所以實際診斷時可設定一個頻率誤差△f.滾動軸承故障共振解調自動診斷實施的步驟為：
1.輸入設備中有關滾動軸承的型號及相關參數；
2.系統自動計算各個滾動軸承故障特征頻率，并生成故障頻率表；
3.布置傳感器，測取信號；
4.系統對測得的信號作頻譜分析；
5.系統自動比較故障頻率表與頻譜圖中的譜峰，判斷發生故障的軸承，并輸出診斷結果。

4　結束語

將共振解調技術與計算機技術相結合來實現滾動軸承損傷類故障的自動診斷，具有方法簡便、可靠性高的優點，軟件系統操作簡單，相對于大型故障診斷專家系統來說成本低、易于維護和推廣。特別是對于隨機地同時存在多個零件發生故障，運用一般的振動分析方法很難奏效，而共振解調法卻可以精密診斷出此類復雜故障。該方法不僅可以運用于滾動軸承的故障診斷，對齒輪和其它設備的沖擊類故障也是完全可行的。