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基于EMD的货车轴承故障诊断
摘要
货车滚动轴承是走行部的关键零部件之一，也是容易出现故障的部件，轴承的状态直接影响列车的运行安全。
对其进行故障分析也是国内外工程技术领域一直以来密切关注的问题。
对货车轴承的振动信号进行分析可以发现轴承的故障并采取防治措施，保障车辆的运行安全。
不论在货车的实际运行中还是在试验台上进行轴承的振动信号采集，都存在很大的干扰，采集到很不稳定的信号。
而EMD（经验模态分解）能把获得到的轴承信号信息进行逐级处理，可以快速分析货车轴承故障，及时针对性的采用相关改进措施保证行车安全，具有十分重要的意义。
这篇文章先对轴承故障诊断的研究现状以及发展进行了阐述，介绍了一些轴承的损伤类型，然后提出了EMD方法。
为了提取滚动轴承早期损坏故障的特征，对货车滚动轴承振动信号进行了分析和处理。
首先，基于EMD进行时频分析，然后将时间序列分解为成本特征模函数，即经验模分解。
标准差准则用于判断每个IMF分量是否满足条件和迭代次数。
然后将各特征模函数转化为希尔伯特变换（HT），形成时频谱。
最后，对得到的时频谱进行了分析，进而得到最后的信息。
基于EMD的轴承故障方法与解调方法一起配合，可以达到多故障诊断与定位的目的。
关键词：
故障诊断；频谱分析；时域分析；相关分析
ABSTRACT
Therollingbearingoffreightcarisoneofthekeypartsoftherunningpart,anditisalsoacomponentpronetofailure.Thestateofthebearingdirectlyaffectstherunningsafetyofthetrain.Faultanalysisisalsoaproblemthathasbeenpaidcloseattentiontointhefieldofengineeringtechnologyathomeandabroad.Byanalyzingthevibrationsignalofthetruckbearing,thefaultofthebearingcanbefoundandpreventivemeasurescanbetakentoensurethesafetyoftheoperationofthevehicle.Whetherintheactualoperationofthetruckorinthetestbedforbearingvibrationsignalacquisition,thereisagreatdealofinterference,acquisitionofveryunstablesignals.EMD（empiricalmodedecomposition）canprocessthebearingsignalinformationstepbystep,andcanquicklyanalyzethefaultofthetruckbearing.Itisofgreatsignificancetoadoptrelevantimprovementmeasurestoensurethesafetyofdriving.
Firstly,thefailuremechanismofrollingbearingisanalyzed,andthecharacteristicsanddevelopmentprocessofdamagetypefailurearediscussedindetail.Inordertoextractthecharacteristicsofearlydamagetypeofrollingbearing,thevibrationsignalofrollingbearingoftruckisanalyzedandprocessed.First,thetime-frequencyanalysisbasedonEMDiscarriedout,andthenthetime-seriesdecompositioncosteigenfunction（abbreviatedasIMF）groupisempiricalmodaldecomposition.ThestandarddeviationcriterionisusedtodeterminewhethereachIMFcomponentsatisfiestheconditionsandthenumberofiterations；ThentheHilberttransformation（HT）isperformedforeacheigenmodefunction,andthespectrumdiagramisanalyzedwhenitiscomposed.Finally,theobtainedtime-frequencyspectrumisanalyzed,andthefinalinformationisobtained.ThebearingfaultdiagnosismethodbasedonEMDanddemodulationmethodcanachievethegoalofmulti-faultdiagnosisandlocation.
KEYWORDS：
FaultDiagnosis；SpectrumAnalysis；Time-DomainAnalysis；Relatedanalysis
1绪论
1.1滚动轴承故障诊断的意义和内容
故障生活中随处可见滚动轴承，它比较容易遭受损害。
大型机械的许多故障与滚动轴承息息相关。
然而振动故障在滚动轴承的故障当中是屈居首位的，由于滚动轴承是大多数机械设备中最困难的工作条件，所以很容易发生故障。
它们起到承载和传递机械设备负荷的作用。
轴承的任何轻微故障都可能导致一系列的连环反应，极有可能造成直接的经济损失或者严重的灾难。
1.1.1滚动轴承诊断方法概述
初期的机械设备状态监测和诊断主要是依靠的是检测人员累积的一些经验，或者通过一些简单的工具进行。
技术在稳步改善，精度、复杂度和机器自动化几乎都将得到不断的改革和改进。
原始的诊断方法不能满足人们要求的更准确有效。
作为机械装置的一部分，滚动轴承拥有完整独立的诊断系统是特别必须的，其需包括下面5个环节[4]：
（1）信号测取：
根据轴承的工作环境以及性温度、振动信号等轴承状态和信号进行测定；
（2）特征抽取：
使用一定的信号解析和处理方法，从测定的信号中提取反映了方位状态的有用信息；
（3）状态识别：
通过状态识别方法确定轴承状态；
（4）诊断分析：
依据轴承缺陷故障进行分析以及推演因果关系；
（5）介入决策：
根据情况发展进行监督、维护以及调整；
我们依据信号不同的性质来进行分类，性质不同、用的方法也不尽相同。
如下介绍了一些比较普遍的检测方法[5,6]：
（1）温度检测法根据轴承温度大小以及上升与否，判定轴承是否长时间工作。
它具有成熟和易于实现的优势。
温度检测是对轴承的负荷、速度、润滑等一系列的变换，润滑不良容易引起引起的轴承过热，进而造成损伤。
但是对于表面剥落或者点蚀的局部微小的损坏故障，温度检测方法是检测不到的。
只有当故障发展到相当严重的地步时，才可以用这个办法检测轴承故障。
因此，温度检测方法并不是特别适合用在初期的检测当中。
（2）噪声检测法本质上就是通过振动产生的信息进行诊断。
噪声诊断的信号解析方法与振动诊断看似相同、实则不同，信号采集方式不同。
声学方法具有信息丰富，非接触式测量的特点。
它可以在线监控移动目标。
但传感器的价格相对较高，特别容易受到各种噪声干扰。
所获得的噪声相对较低，技术难度较高，因此应用范围不如振动方法那么广泛。
（3）振动检测方法监视轴承的振动方向信号，使用在轴承和箱子的恰当方向上设置的振动传感器，通过分析加工信号判定轴承的加工条件和故障。
这是诊断从振动信号中提取轴承状态信息的故障最常用，也是最高效的办法。
根据相关统计，50微米损伤的振动值为非损伤高出1位左右，损伤值与损伤幅度密切相关。
这表明，轴承早期会检测到一点损伤。
振动方法可以很好地量化异常程度。
依靠振动诊断方法的适用性，实用性和有效性，振动方法确实可以更好的滚动轴承检测与诊断。
滚动轴承振动信号的研究是十分具有时代意义的。
在滚动轴承操作的过程中，不可避免的是，监督部件在收集振动信号时容易排除有效信号，此时有效地分析工具及算法显得尤为重要。
科技在不断进步，相应也需要新的监控手段。
但是由于各种原因，光纤技术等手段无法应用。
。
由于振动检测方法是目前最成熟，应用最广泛的方法，本文的研究工作也是基于实验测量的滚动轴承的振动信号。
1.2国内外振动分析技术的概况以及发展趋势
（1）国外
滚动轴承故障诊断最早的发展的国家是美国[2]。
1967年初,美国有关部门组织建立了故障防治集团，开始研究故障诊断技术的低层话题。
振动信号最佳法是解析当前滚动轴承的缺点的最有效方法。
。
1962年,在美国学者Gustafsson和Tallian[3]的提议之下，观察用加速度传感器收集到的信号到的峰值变化，用来检测初始故障。
在先进工业国家,滚动轴承的状态监测和故障诊断技术已投入实际使用。
一般来说,滚动轴承故障诊断的开发经过以下阶段[1,7，15]：
第一阶段：
光谱分析仪诊断。
在1965年左右，由于出现快速傅立叶变换的技术将振动信号的频谱分析变成了现实。
频谱分析器不断地被公开和使用。
计算滚动轴承受损伤时产生的振动信号的特性频率，比较由频谱分析器得到的实际结果。
然而，通过放大传感器直接放大的振动信号获得的频谱由于背景噪声的影响非常复杂。
滚动轴承的故障特性不是特别明显，从而在故障较小时不容易把故障诊断出来。
与此同时，当时的频谱分析仪都比较昂贵，操作难度也比较高，所以当时应用起来不是很普遍。
第二阶段：
脉冲技术诊断。
1960年代后期冲击脉冲计最初被开发了。
这种方法可以有效检测初期的损伤断层，不需要分析频谱。
轴承的脉冲值由脉冲脉冲测试器测量，并确定轴承的行驶状态。
该方法的特征是依赖于两个物体的冲突速度，不受物体的质量和形状的影响。
先前的脉冲仪用于检测轴承的本地损伤故障。
此后，随着该技术的持续发展和改进，SPM及世界其他国家企业和制造商开发了各种更新产品，这些设备被用于监测轴承的局部损伤,以及监测轴承的润滑性和油膜的厚度。
虽然SPM技术已问世多年,但使用它的人仍不在少数。
因为SPM仪表携带方便，而且新型SPM设备都具有好几种传感器。
一些SPM仪表包括用于数据处理和监视结果的便携式计算机。
那个非常便捷,很好用。
第三阶段：
共振解调技术用于诊断轴承故障。
1974年，波音公司D.R.Hatting发明了一种专利，它的名字叫做“共振解调分析系统。
”初期故障的诊断由于脉冲强度很低，断层也不是很大，它表现出来的特征信号就非常的微小，其他的方法做不到对它的检测，因此特别适用于此专利。
谐振解调技术可以更容易地诊断，因为把轴承故障的特征信号进行了扩增（共振）和分离（带通滤波），将信号对噪声比进行了一系列改进与提高。
共鸣解调技术对早期轴承的断层诊断颇具奇效，观察包络线光谱解析出来的数据，能够准确诊断出哪个组件发生了故障，因此自出现以来广泛使用。
第四阶段：
在基于计算机的滚动轴承监测和故障诊断系统已被开发利用。
由于计算机的发展十分迅速,由所以算机滚动轴承的故障诊断系统一经开发，就博得了研究者们的眼球。
人们的诊断水平被微计算机信号分析和故障诊断系统迅速拉高，推动了人类文明的前沿。
随着滚动轴承故障诊断长久以来的发展，故障诊断理论得到了长足的完善。
各种设备的水平也伴随着提升了很多，它们的精密、复杂程度都今非昔比。
人们还使用其他一些方法来诊断轴承故障，前沿科学已经拉动了诊断技术的发展。
（2）国内
国内的轴承诊断技术也在不断发展，在诊断技术第三阶段的发展中，我国研究者成功跟上了领先的行列。
“共振解调分析系统”是中国的“共振解调技术[9]”的原型。
相比之下，共振解调法比冲击脉冲法更加精准与便捷。
近些年伴随着故障诊断技术和方法不断出现，人工智能和计算机在轴承故障诊断的应用中越来越广泛，时域分析和频谱分析都在轴承故障诊断中的应用辉煌。
这些轴承诊断技术也吸引了许多中国学者的关注。
1.3本文主要研究内容以及安排
第一章绪论，滚动轴承的意义和内容，滚动轴承诊断方法的大致内容，以及国内外的研究现状和发展趋势。
第二章分析了滚动轴承的常见结构和故障机理，对内外圈以及滚动体的特征信号进行了计算。
第三章提取用于振动信号分析滚动轴承的故障特征的几种方法进行了分析，并分析改变故障信号的方法。
第四章对本文所用的经典模式分析方法进行了理论论证和公式演变。
第五章对使用的试验数据进行了一系列分析。
2滚动轴承故障机理
2.1概述
滚动轴承是在生产中所必须的机械工件，其是在实践中的生产生活必需品，轴承的损坏或失效通常是几种机制运作的结果。
有时候这些因素会同时产生作用。
同时也能够发现单一因素在轴承故障的原理分析，轴承故障可能是由于不当装配或维护造成的或是由于错误的制造。
轴承或其相邻部件滚动轴承是一种重要的机械部件，因为它支配着机械装置的机器性能。
在接触表面之间使用润滑剂保持零件连续运动。
润滑滚动轴承是避免金属对金属摩擦的一项保障，就像人体的脂肪能够缓冲运动的损伤，避免肌肉与肌肉之间的直接接触，在金属与金属之间的接触面，润滑的作用。
润滑的补充功能是：
轴承散热，去除固体磨损，消除来自滚动接触的颗粒和污染物，对轴承来说，表面很容易造成各种磨损，并且有容易造成变化的环境变化，润滑对表面，防腐蚀，增加密封。
润滑对轴承寿命至关重要。
在重型机械，如轧机，炉子，烤箱或高温风扇，滚动轴承可能暴露在高于正常温度的环境中。
对于这些应用，适当选择润滑剂和润滑方法非常重要。
在工业应用有两种类型的润滑剂适合高温使用：
油脂和油。
在特殊情况下，轴承采用固体干润滑剂润滑。
同时，滚动轴承作为机车车辆中精密部位之一，它能否正常运作决定了机车车辆的运行安全。
一般情况下，滚动轴承的公差是相对精确的，大约十分之一于其它部件的公差。
一系列实际数据之后，只有约10％的滚动轴承可达到设计寿命，滚动轴承的约40％故障由于润滑不良。
有30%的滚动轴承由于各种装配上的失误引起故障，有20%的滚动轴承由于超过极限载荷和制造上的缺点导致的。
2.2滚动轴承的大致构造
内、外圈、滚动体和保持架等元件组合在一起就构成了滚动轴承。
那润滑、冷却、清洗轴承的润滑剂通常也被认为是滚动轴承的第五组成部分。
正是因为在生产过程中严格的技术要求，并且在通过精炼技术的发展，为生产材料的限制的同时，仍然有国内生产的轴承与发达国家这种比较的性能和使用寿命有些差距，如欧洲和美国。
内圈、外圈分别和轴颈及轴承座连接，通常是外圈固定，内圈随轴一起旋转。
滚动体是滚动轴承的核心部件，它会导致相对移动的表面之间的滑动摩擦转变成滚动摩擦。
滚动体的外形一般是球形、锥体形等，滚动体只能在内、外圈的滚道上滚动。
在工业中，轴承被分为四种类型：
球滚子轴承，圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承和滚针轴承。
其中，球滚子轴承广泛分类和广泛的应用。
它包括深沟球轴承，自动调心球轴承，推力球轴承，和推力球面滚子轴承。
三种类型的滚动通过滚动元件轴承分类的共同工业附图和结构图显示于图2.1。
（a）球滚子轴承构示图（b）圆柱滚子轴承构示图（c）圆锥滚子轴承构示图
图2.1滚动轴承构示图
2.3滚动轴承主要失效形式及原因
滚动轴承经常会出现不同原因的故障，例如制作上的缺陷、装配不当、润滑不良、过载和腐蚀等，这些都是引起轴承失效的原因。
即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一定时间的运转之后，会由于交变载荷的作用，滚动轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。
换言之，滚动轴承的失效的原因多种多样，而且也不容易进行防控。
下面介绍了滚动轴承失效的一些主要原因[16,17]：
（1）疲劳点蚀
点腐蚀是一段使用一段时间后滚动轴承的疲劳层剥离。
由于滚动体和内外圈在使用轴承时相互接触，因此它们必须承受相当大的重量，而制成轴承的材料也有一定的寿命，甚至质量可能也很差。
当达到一定次数的使用时，应力将改变有问题的接触表面，从而使一些部件出来。
这时，轴承会失去设计的能量效率，并且不能继续平稳顺畅地运行。
除了轴承本身的材料和制造质量的异常影响以及使用中的重力之外，使用含有水或杂质的润滑油也是点蚀和缩短轴承使用寿命的主要原因。
图2.2深沟球轴承内圈疲劳点蚀和剥落
（2）塑性变形
如果发现滚道或者滚子接触表面上发现了不均匀凹坑，说明轴承此时已经产生了塑性变形。
原因大的静载荷或冲击载荷作用在轴承上面，若是工作表面的局部应力超过盖材料的屈服极限，就有可能产生一些形变。
这种情况在低速运转的轴承当中发生的几率高。
图2.3塑形变形所产生的凹坑
（3）磨损
磨损的原因有很多种，主要原因有锈蚀引起的磨损、污垢引起的磨损、润滑不良引起的磨损、运行不当引起的磨损、自然磨损以及事故磨损。
图2.4滚动体磨损
（4）保持架损坏
由于在组装或者使用时操作不规范，就有可能引起保持架和滚动元件之间的摩擦急剧增加，甚至会导致元件之间卡死，并且还会增加保持架与内外圈之间的摩擦力，导致损坏程度愈来愈严重，造成轴承的损伤。
（5）润滑不良
选择合适的轴承润滑剂非常重要的，关于是否选择油或油脂，确定是否需要某种特定的添加剂。
这个决定取决于一些因素，例如工作负荷，速度和温度。
润滑是可以决定轴承使用寿命成败的关键因素。
关于轴承的一些研究业内人士表示，润滑不当可以约占轴承故障的40％。
滚动轴承故障可能是长时间没有润滑的结果，或者是不合适的润滑和润滑污染。
不合适的润滑剂是一种没有使用合适添加剂的润滑剂，导致所使用的润滑剂没有适当的粘度，或者可能不适合用于此类金属材料，或者不适合使用在此类应用或工件的工作温度范围。
磨料磨损可能是由于不充分润滑的结果。
使得材料表面变得暗淡到一定程度，根据粗糙度和性质而，这些磨料颗粒逐渐变化，随着材料磨损，数量增加。
最后，磨损变成了导致轴承故障的原因。
图2.5外圈滚道磨损
（6）选择了不适当的轴承
通常，选用原件制成的轴承设备制造商是正确的选择。
当然有一些例外，并且总是存在错误使用轴承的可能性。
这种可能性应该是在调查所有其他失败原因发生后再考虑的。
如果工作有任何变化，就需要考虑使用新轴承的可能性，但不是所有情况下这都是一个很好的解决方案。
另一个常见错误是使用更大的或更大的更强的承受力的轴承，这样会增加径向负荷能力。
更大或更强轴承不会解决问题。
相反，这种新布局可能会产生额外的影响。
例如，所选轴承可能存在问题，速度低于标称速度，可能不会在某些环境中正常工作。
在某些情况下，轴承需要预先加载，便于滚动和防止滚轮打滑。
用新的轴承更换原轴承是可行的，但是一般情况下，
必须更换轴承的时候，需要用原始设备制造商的相同类型的轴承完成。
（7）材料缺陷和制造错误
轴承的最终失效原因是材料缺陷和制造错误。
滚动轴承由于制造缺陷导致的故障不足全世界轴承故障的原因的百分之一。
这个百分比正在不断减少，并且随着制造工艺和材料的改进。
今天轴承制造商使用用于探测表面和滚动轴承内部的轴承材料缺陷的技术正在进步，能够很好消除制造过程中质量差的产品。
2.4振动信号的来源
在轴承部件的生产和运行过程中，需要严格遵守对称原则。
当轴承来回旋转时，轴承的振动信号中存在许多周期性成分。
这些振动的主要来源是：
（1）轴承超过了承载的载荷而变形，因此在旋转期间轴的不对称运动引起的振动主要由轴承本身的结构特性决定；
（2）当在元件处理过程中留下波形的数量超过规定数量时，会引起不必要的振动;
（3）引起由在与所述滚道接触的滚子的过度磨损的局部缺陷的脉冲信号的振动;
（4）在旋转过程中，由于四个故障的组件，环，保持架和滚动元件的摩擦振动，也可能发生。
当不同的部件发生故障，对应于该轴承运转过程中的振动信号的故障特性的频率是各有差异。
轴承部件的振动为振动信号的故障诊断技术的打下了基础，并提供了一种用于基于故障频率特征提取一个坚实的基础。
滚动轴承结构的轮廓示图2.4
图2.4滚动轴承结构的轮廓示图
2.5特征频率的获取以及计算
轴承工作过程中存在两个主要问题：
一是轴承内部结构长时间相互摩擦，导致各种结构不完美配合，使间隙变大，振动强度增大。
振幅更大。
这是一个长期的累积错误。
我们把这个故障变成了磨损故障。
其次，由于滚珠或滚道的腐蚀，金属部件的缺陷和轴承的脱落，轴承上出现损伤点，振动信号中会出现周期性的尖峰脉冲。
我们称此情况为损坏故障。
我们采用不同的方法来处理这两种错误。
对于磨损故障，我们需要通过定期检测来检测信号幅度的相似性和差异性。
对于损坏故障，周期性尖峰脉冲是故障发生的特征信号。
该脉冲分量的频率成为特征频率。
考虑到故障的瞬时性和故障损坏的危险，我们需要关注这方面。
在本文中，我们研究时间侵入故障并找到特征频率。
在本试验中为了验证经典模式分解方法对特征频率的提取和处理能力，在这里选用了一个经典的数据集，这个实验振动编号数据是由美国凯斯西储大学（CaseWesternReserveUniversity,CWRU）电气工程实验室提供并且进行收集和整理的,由于数据采集条件差异较大，在不同的环境的时候会有不同，在处理案例数据后，使用该大学的轴承数据库，可以用来说明分析和处理的方法的有效性和该方法的一般性，在工作较为复杂的情况下采集的外圈与内圈以及风扇数据分析和处理了各种情况，并给出了轴承故障的具体信息。
这个数据经过了学者们广泛的应用试验，本文还对数据进行了实验分析。
试验床的组成如图所示。
它主要由2马力的三相感应电动机，扭矩传感器和功率计组成。
如表2-1所示，测试轴承的驱动端支撑电机轴。
驱动端轴承类型为6205-2RS深沟球轴承。
轴承内圈直径为0.9843英寸，外圈直径为2.0472英寸，厚度为0.5906英寸，滚动体直径为0.3126英寸，滚动体截面直径为1.537英寸（1英寸=2.54厘米），钢球数量为9，接触角为90度。
通过EDM在轴承上获得故障点。
断层的直径分别为0.077英寸，0.014英寸，0.021英寸和0.028英寸。
功率计用于控制负载，安装在电机壳上的加速度传感器用于获得轴承的振动信号。
在0马力时，轴承速度为1797r/min，1马力，轴承速度为1772r/min，采样频率为12kHz。
表2-1轴承尺寸信息单位inch
类型
内圈直径
外圈直径
厚度
滚动体直径
轴承节径
6205-2RS
0.9843
2.0472
0.5906
0.3126
1.537
在驱动端轴承座上12点方向各放置一个加速度传感器来采集振动加速度信号由16通道数据记录仪采集，根据不同的马达的负载，有四种实验速度：
在无负载1797r/min时，1772r/min的在1马力，1750r/min的在2马力，并且在负载1730r/min的3马力，如表2-2所示。
表2-2轴承的四种负载及转速
负载（hp）
转速（r/min）
0
1797
1
1772
2
1750
3
1730
升级会员 