秦嗣峰 栾 瑾

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266000）

引言

列车安全运行是轨道交通行业的工作重点。滚动轴承作为空气压缩机的重要零件，一旦出现故障，会导致空气压缩机无法为列车供风，严重影响列车运行安全。滚动轴承虽然结构简单，但其损伤形式多种多样，振动信号的频带非常宽广，反映运转状态信息的能量往往比较微弱，使得传统的频谱分析方法难以直接找出它的故障特征频率[1-2]。共振解调法能够利用冲击脉冲含有宽广频谱的特点检测故障引起的瞬态冲击。对共振解调后的信号进行Fourier 变换，通过频谱识别特征频率，不仅能够判断轴承的损伤程度，还可以确定轴承的损伤部位，从而诊断轴承故障。

本文针对空气压缩机滚动轴承故障引起的周期性冲击特征提取问题，考虑到共振解调在检测瞬态冲击方面的优势，提出了基于共振解调的空气压缩机滚动轴承故障诊断方法，并应用该方法分析了滚动轴承故障实验信号，准确诊断了滚动轴承元件故障，验证了该方法的有效性。

1 滚动轴承故障检测机理

当滚动体与滚道接触区域出现局部缺陷时，轴承在旋转过程中会产生冲击信号，缺陷在轴承不同的元件上，产生的冲击频率也就不同，这个频率称为故障特征频率。滚动轴承的特征频率如下所示[3]：

内圈旋转频率：

内外圈相对旋转频率：

外圈故障特征频率：

内圈故障特征频率：

其中，D 为轴承滚道节径，d 为滚珠直径，α接触角，Z 为滚珠个数，f0为外圈旋转频率（0）。

2 共振解调

共振解调的基本原理是把机械设备的振动信息经共振及解调来获取轴承、齿轮以及其他旋转机械因故障碰撞而产生的冲击信息[4]。当设备元件出现局部损伤时，在受载运行过程中将与其他元件发生碰撞，从而产生冲击脉冲。由于冲击脉冲的频带较宽，必然包含设备元件、传感器等各自固有频率激发的高频固有振动。可根据实际需要选择某一高频固有振动作为研究对象，利用中心频率等于该固有频率的带通滤波器将高频固有振动分离出来，然后通过包络检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。通过对包络信号进行频谱分析即可诊断出设备故障。

共振解调的具体过程如下：

（1）选择结构某一固有频率作为带通滤波器的中心频率，并对振动信号进行滤波。

（2）对滤波后的信号进行包络检波处理，获得低频包络信号。

（3）对包络信号进行频谱分析，找出故障特征频率，诊断故障。

3 实验信号分析

3.1 实验说明

为模拟滚动轴承元件的局部损伤，选择实验用滚动轴承型号为ER10K，参数见表1。并且在滚动轴承的外圈、内圈分别加工了局部损伤。实验中，将加速度传感器置于轴承座的正上方，电机转速设为1200 r/min，采样频率为20 kHz。根据轴承的参数，按式（1）、式（2）、式（3）、式（4）分别计算各元件的故障特征频率，见表2。

表1 滚动轴承ER10K基本参数

表2 滚动轴承ER10K元件特征频率 单位：Hz

3.2 信号分析

为了验证共振解调在滚动轴承故障诊断中的效果，首先对正常滚动轴承振动信号进行分析，将结果作为基准，然后分析故障信号，说明该方法的有效性。

3.2.1 正常信号

正常信号的时域波形、功率谱如图1 (a)、图1(b)所示。从功率谱中可以看出，系统的其中一个固有频率大约在5100Hz 左右，因此选取此频率作为带通滤波器的中心频率，带宽设为500Hz，对轴承振动信号进行滤波；然后对滤波后的信号进行包络检波处理，获得轴承信号的包络谱如图1 (c)所示。从包络谱中无法找到与任何滚动轴承元件故障特征频率及其倍频相对应的峰值频率或频率间隔，表明轴承正常，没有故障。

图1 正常滚动轴承信号分析结果

3.2.2 外圈故障信号

外圈故障轴承振动信号的时域波形、功率谱如图2 (a)、图2(b)所示。根据功率谱，同样选取5100Hz 作为带通滤波器的中心频率，带宽设为500Hz，对轴承振动信号进行滤波，然后对滤波后的信号进行包络检波处理，获得的包络谱如图2 (c)所示。由包络谱可见，峰值主要出现在轴承外圈故障特征频率62.11 Hz 及其倍频处，故障特征频率明显直观。上述特征说明滚动轴承外圈出现了故障，符合实验中的实际情况。

3.2.3 内圈故障信号

内圈故障轴承振动信号的时域波形、功率谱如图3 (a)、图3 (b)所示。同样选取5100Hz 作为带通滤波器的中心频率，带宽为500Hz，对轴承振动信号进行滤波，然后对滤波后的信号进行包络检波处理，获得的包络谱如图3 (c)所示。包络谱中明显存在和轴承内圈故障特征频率97.89 Hz 及其倍频相对应的峰值频率。

图2 滚动轴承外圈故障信号分析结果

图3 滚动轴承内圈故障信号分析结果

将包络谱局部放大（图3 (d)），发现内圈故障特征频率及其倍频周围存在边带间隔为转轴转频20 Hz 及其倍频的边带频率。这是由于内圈出现故障时，当其位于加载区，产生的冲击会更加剧烈，从而产生更高的振幅，当移出加载区后，其振幅又会降低，在这种情况下内圈的故障频率被旋转频率所调制，因此会在频谱中看到转轴转频20 Hz 及其倍频的边带频率。上述特征说明滚动轴承内圈出现了故障，符合实验中的实际情况。

4 结语

轨道交通行业中的空气压缩机组滚动轴承故障产生的信息往往淹没在背景噪声中，很难被发现和提取。针对滚动轴承故障信号的周期性冲击特点，提出了基于共振解调的故障诊断方法：首先对振动信号进行Fourier 变换获得频谱；然后根据频谱选取某一固有频率作为滤波器的中心频率，并对振动信号进行共振解调；最后对低频包络信号进行频谱分析，找出故障特征频率，诊断轴承故障。应用该方法分析了滚动轴承内圈和外圈故障的实验信号，正确诊断出了滚动轴承元件的故障，验证了该方法的有效性。