石久波
南京高华科技股份有限公司，江苏 南京 210000
摘要：文章介绍了旋转设备滚动轴承失效的振动特征，阐述了包络解调技术进行轴承故障诊断的原理和算法过程，并利用自研的多通道振动状态监测与故障诊断系统对工程现场风机设备进行持续监测与诊断，成功探测到多起旋转设备轴承的早中期故障，证明了包络解调技术的实用性和有效性。
关键词：滚动轴承；共振包络解调；故障诊断；振动信号分析；检波
0引言
滚动轴承可看作旋转机械设备的“心脏”，一旦失效，轻则引起设备停机，严重时甚至造成整台设备报废。因此，在工程建设中，工作人员对旋转机械滚动轴承的故障探测和跟踪具有较为现实的意义。利用共振包络解调技术对轴承振动信号做算法处理，则是较为有效的一种故障诊断方法。共振包络解调技术的原理是，当旋转设备的滚动轴承有缺陷或损伤（如点蚀、剥落等）时，这些缺陷故障部位会引发周期性冲击，这种冲击的频率范围宽，能够激起设备的高频固有振动，从而产生脉冲信号。此脉冲信号的周期与轴承的具体缺陷部位直接相关，不同的轴承缺陷部位（如外圈、内圈、保持架、滚动体等）对应不同的冲击周期，不同部位之间不会有任何重合或混淆，在频谱上可以很好地区分开来。但由于轴承缺陷引起的冲击力非常微弱，往往淹没在高能量的设备本体振动信号中，因此，需要采用适当的技术将其分离出来，包络解调技术则可以解决这一问题。
1 滚动轴承常见失效模式及振动特征
1.1 滚动轴承常见失效模式
滚动轴承的失效机理非常复杂，在实际设备中由于安装不当、润滑不良、使用工况恶劣等各种因素都可能引起轴承的失效。但轴承失效模式主要还是以下几种：
磨损失效：一种主要的轴承失效形式。在轴承运行过程中，滚动体与轴承内外圈之间除正常滚动外，不可避免的存在一些细微滑动，滑动就会造成接触面的磨损，并随着时间累计逐渐加剧。当轴承内部有异物入侵时，会加剧磨损程度。
疲劳失效：滚动轴承在运转时，其工作面（滚动体和内外圈之间）由于受到交变载荷的作用，经持续累积，引发裂纹萌生、扩展、贯通等，最终就会导致滚动轴承的失效，如点蚀或点坑状剥落等。
腐蚀失效：滚动轴承在某些应用环境中，会受到水、酸等腐蚀性物质的侵入，容易引起腐蚀；在现场使用时，也经常发现轴承表面由于大电流通过造成了电蚀现象；此外，还有轴承座与轴承套圈之间的微振动引发的腐蚀等。腐蚀失效也是一种主要形式。
此外，轴承还会出现胶合、塑性变形等其它失效形式。
1.2 滚动轴承失效后的振动特征
轴承部件一旦失效，在轴承运转过程中，缺陷部位会引发周期性冲击，激起设备的固有振动，此振动频段一般为几百到几千赫兹不等，形成具有特定周期的、以固有振动为载波、以冲击脉冲响应为调幅波的现象。轴承的不同部件失效，引发的脉冲力周期并不相同，此周期对应的频率为轴承部件通过频率，可通过推理计算得出。包络解调的目的是将轴承通过频率从复杂的振动信号中分离出来，分析轴承通过频率的值即可判断是轴承的哪一个部件失效。
经计算，轴承部件的失效频率（通过频率）为[1]：
外圈通过频率：
.png)
上述公式中：d：滚动体直径；D：轴承节圆直径；α：径向接触角；n：滚动体数量；N：轴转速(r/min)（注：此公式适用于轴承内圈旋转、外圈固定的情形，其它情形可根据原理做相应计算得出）。
2 包络解调方法的基本原理及处理过程
2.1 包络解调方法的基本原理
为便于理解，轴承缺陷冲击引起的设备固有振动可用一个周期脉冲力激励下的单自由度模型的响应来简化[2]。用公式表达此单自由度模型响应如下：
.png)
式中：A为响应信号的幅值，λ为阻尼系数，l为与脉冲力周期相关的变量，f0则是单自由度系统的固有频率。v(t)可看作载波，其与系统固有振动相关；u(t)是对v(t)的调制，它决定了信号幅值衰减的快慢程度，又称为调幅波。
用一张简单的示意图来描述周期冲击信号和响应，如图1所示：
.png)
图1 周期冲击及响应信号示意图
根据经验可知，u(t)调幅波幅值与冲击力大小直接相关，其周期等于脉冲信号的周期，脉冲信号的周期与轴承部件直接相关，将u(t)解析分离出来，得到轴承通过频率，即可判断轴承的缺陷部件。
将公式（5）中的时域信号产生90°的相移：
.png)
分析公式（8），发现已经滤除掉高频载波v(t)的影响，只剩u(t)项，得到了能描述响应信号外轮廓的波形，也即包络。此包络信号的重复出现频率，对应轴承部件的故障频率。
2.2 包络解调的处理过程
在实际工程应用中，由于设备运行情况复杂，设备中宽范围的频率成分会混杂在一起，所以轴承缺陷引发的冲击信号往往会被设备的低频段高能量本体振动信号所掩盖，因此，不宜直接进行包络解调。在这种情况下，就需要经过以下处理过程后才能进行包络解调。
首先，应选取一个高频段进行带通滤波，以去除设备中低频段信号的干扰。
其次，对滤波之后的信号进行包络检波处理。由于轴承故障频率一般为低频，为保证分析精度，还需再将包络检波信号根据分析频宽进行降采样处理。
最后，再将信号进行频谱变换，得到轴承部件的通过频率。其信号处理过程大致如图2所示：
.png)
图2 包络解调分析过程示意图
3工程案例分析
利用自主研发的多通道设备状态监测与故障诊断系统在各类工业现场进行了长期持续监测，采用系统中的包络解调算法探测到多起设备的轴承早期故障，节省了巨大的检维修成本。
例如，在某风电场风力发电机的监测中，对齿轮箱高速轴的轴承进行共振包络解调，处理后的频谱如图3所示：
.png)
图3 某风机齿轮箱高速轴轴承包络加速度谱
经查阅，该风电场风力发电机的机轴承型号为SKF NU 232 ECM。结合频谱，可以推算出风机高速轴的转速为31Hz。由此，根据轴承故障频率计算公式，得到轴承外圈故障频率为253.3Hz。从包络加速度谱中，可以明显的看出轴承外圈缺陷频率及倍频，表明轴承已经损伤了。
将问题反馈至客户现场后，经维护人员检修，印证了包络解调分析的诊断结论。
4结语
本文阐述了旋转设备滚动轴承失效的主要形式和振动特征，描述了轴承早期故障探测行之有效的方法—包络解调分析的原理和分析过程，将此算法融入到自研的多通道振动在线监测系统中，并已批量应用于各类工程项目，探测到了现场多起设备轴承早中期故障，验证了此方法的有效性。
参考文献
[1]野田万.滚动轴承异常的诊断[J].涡轮机械,1985,13(3),53-57.
[2]何岭松,杨叔子.包络检波的数字滤波算法[J].振动工程学报.1997,10(3):362-367.