摘 要摘要滚动轴承是旋转机械中应用最广泛的一种通用部件，也是机械设备中的易损零件，许多机械的故障都与滚动轴承的状态有关。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约30的机械故障是由于滚动轴承的损坏造成的。可见，滚动轴承的好坏对机械系统工作状况的影响极大。由于设计不当和安装工艺不好或轴承的使用条件不佳，或突发载荷的影响，使轴承运转一段时间后会产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中进一步扩大，使轴承运行状态发生变化。因此，滚动轴承的故障诊断一直是研究的热点。本文首先从理论上分析了滚动轴承的失效形式、振动机理、振动类型、及发生故障的原因、振动频率；然后在理论基础上提出了滚动轴承的时域、频域的诊断方法；最后搭建了基于Matlab的滚动轴承故障诊断系统，并通过Matlab仿真轴承故障信号，在软件中进行信号分析和处理，验证各种诊断方法的优劣和滚动轴承的故障特征。本论文按照预定的要求完成了设计任务，研究了滚动轴承的故障诊断方法，完成了故障诊断系统的设计，通过仿真验证了滚动轴承的故障诊断方法。关键词：滚动轴承；故障诊断；时域分析；频域分析；Matlab- I -AbstractAbstractRolling element bearing is one of the most widely used general part of rotating machinery,and one of the most easily damaged parts of mechanical equipment. A lot of mechanical failure is relevant to the state of rolling element bearings. It is estimated that about 30 percent of mechanical failure is caused by its fault in the rotating machine with rolling element bearings. It is obvious that the quality of rolling element bearings has a great impact on the working condition of electromechanical systems. Because of wrong design, poor working condition or a jump heavy load, bearing will be damaged and worse during the running time. So at present, the fault diagnosis of rolling element bearings is a research hotspot.Firstly, the failure forms, the vibration mechanism, vibration type, and the failure cause, vibration frequency of bearing are analyzed in theory.Secondly, based on the theory put forward the time domain, frequency domain diagnostic methods.Finally, the software for the fault diagnosis system of the rolling bearings is designed by Matlab,along with the simulation of bearing fault signals by Matlab.To analysis and processing the signal in software. Verify the merits of various diagnostic methods and characteristics of rolling bearing faults.The paper successfully completed the design task and the result meets the expectation. We researched the fault diagnosis methods and completed the fault diagnosis system design and simulation shows the fault diagnosis methods of rolling element bearings.KeyWords：rolling element bearings,fault diagnosis,time-domain analysis,frequency-domain analysis,Matlab- IV -目 录目录摘要IAbstractII第一章 绪论- 1 -1.1 本课题研究的主要意义- 1 -1.2 滚动轴承故障诊断方法- 2 -1.3 滚动轴承故障诊断技术的发展概况- 3 -1.4 滚动轴承故障诊断技术的发展方向- 5 -1.5 本课题主要研究内容- 5 -第二章 滚动轴承的故障特征分析- 6 -2.1 概述- 6 -2.2 滚动轴承的典型结构- 6 -2.3 滚动轴承的主要失效形式及原因- 7 -2.4 滚动轴承的几何参数- 8 -2.5 滚动轴承的特征频率- 9 -2.6 滚动轴承的振动特性- 10 -2.6.1 滚动轴承的固有振动- 11 -2.6.2 轴承构造引起的振动- 12 -2.6.3 轴承装配不正确、轴颈偏斜产生的振动- 13 -2.6.4 精加工波纹度引起的振动- 13 -2.6.5 滚动轴承的故障引起振动- 13 -第三章 滚动轴承故障诊断方法研究- 16 -3.1 概述- 16 -3.2 时域分析的特征参数- 16 -3.3 频域分析的特征参数- 18 -第四章 轴承故障诊断系统总体设计- 22 -4.1 概述- 22 -4.2 Matlab软件简介- 22 -4.3 滚动轴承故障诊断系统总体设计- 24 -4.3.1 系统界面子系统- 24 -4.3.2 轴承特征频率计算子系统- 25 -4.3.3 数据加载子系统- 26 -4.3.4 信号模拟子系统- 27 -4.3.5 时域分析子系统- 28 -4.3.6 频域分析子系统- 31 -4.3.7 打印子系统- 32 -第五章 轴承实测信号处理- 33 -5.1 概述- 33 -5.2 模拟合成信号- 33 -5.3 模拟合成信号分析- 34 -5.4 轴承实测信号分析- 35 -结 论- 38 -参考文献- 39 -致 谢- 41 -附录A 频域分析系统程序- 42 -第一章 绪论第一章 绪论1.1 本课题研究的主要意义机械故障诊断技术是近40年来发展起来的识别机器或机组运行状态的科学。它是适应工程实际需要而形成的多学科交叉的综合学科。它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映，它是由机器运行中的物理现象（声音、振动、声发射、热现象等）出发来推断机器内含故障的技术，是一种典型的反向工程。从20世纪60年代开始，机械故障诊断技术随着机器的不断完善、复杂化和自动化组建发展起来，并与当代科技的前沿科学结合，取得了令人瞩目的成绩。滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用部件，也是机械设备中的易损零件，许多机械的故障都与滚动轴承的状态有关。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约30的机械故障是由于滚动轴承的损坏造成的。可见，滚动轴承的好坏对机械系统工作状况的影响极大。由于设计不当和安装工艺不好或轴承的使用条件不佳，或突发载荷的影响，使轴承运转一段时间后会产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中进一步扩大，使轴承运行状态发生变化。因此，滚动轴承的故障诊断一直是研究的热点。而与其它零部件相比，滚动轴承有一个很大的特点，这就是其寿命离散性很大。由于在材料、加工精度、热处理及装配质量等各方面不可能完全相同，使得一批类型、尺寸相同的轴承，即使在相同条件下工作，各个轴承的寿命也是不同的，寿命最大相差可达几十倍。由于轴承的这个特点，在实际使用中就出现这种情况：有的轴承已大大超过设计寿命却依然完好地工作；有的轴承远未达到设计寿命就出现故障。所以，如果按照设计寿命对轴承进行定时维修，则出现以下情形：一方面，对超过设计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理，造成浪费；另一方面，未达到设计寿命而出现故障的轴承坚持到定时维修时拆下来报废，使得机械在轴承出现故障后和拆下来这段时间内工作精度下降，未到维修时间就出现故障，导致整个机械出现严重事故。由此看来，对重要用途的轴承来说定时维修是很不科学的，要进行工况监测与故障诊断，改传统的定期维修为预知性维修，这样既能经常保持设备的完好状态，又能充分利用轴承的使用寿命，从而延长大修时间，缩短大修时间，减少故障停机损失。因此，滚动轴承的工况监测与故障诊断引起国内外许多科技人员的重视。1.2 滚动轴承故障诊断方法滚动轴承的工况监测与故障诊断就是通过对滚动轴承在各种工况下表现出来的振动、噪声、温度、工作参数、气味、泄漏等信息的监测和综合分析来对其工作状态、故障类型和故障严重程度进行综合评价的过程，主要包括检测试验技术、信号处理技术、模式识别技术和预测评估技术4项基本技术，从而实现检测和发现异常、诊断故障状态和部位、分析故障类型、提出诊断方案和诊断结论的目的。目前，根据故障监测和诊断技术机理的不同，滚动轴承的故障诊断技术主要包括：1. 振动信号监测诊断技术在各种轴承故障诊断方法中，振动检测是最常用的一种方法。轴承元件的工作表面出现疲劳剥落、压痕或局部腐蚀时，轴承运行中会出现周期性的脉冲信号。这种周期性信号可由安装在轴承座上的传感器(速度型或加速度型)来接收，通过对振动信号的分析就可以实现对滚动轴承运行状态的监测与诊断。2. 噪声信号监测诊断技术这种方法是通过滚动轴承在运行过程中的噪声来判断其故障。用噪声法进行轴承的故障检测，优点是不必接触受测轴承就可得到检测信号；其弊端就是很难从周围环境的各种杂音中分离出轴承异常的声音信号。所以，噪声法一般很少被采用。但成功的例子也是有的，就是在方向性强的抛物线型音响器上安装传声器，收集轴承发出的声音信号，并用反向滤波器排除其它杂音，检测出轴承异音。3. 温度信号监测诊断技术通过安装在轴承座(或箱体)处的温度传感器监测温度，判断轴承工作是否正常。温度监测对轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引起的轴承过热现象很敏感。所以，由于这种场合比较有效。但是，当轴承出现诸如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反映，只是当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能监测到。所以，温度监测不适用于点蚀、局部剥落等所谓的局部损伤类故障。4. 油样分析监测诊断技术油样分析法油样分析法有光谱分析与铁谱分析两大类。轴承磨损颗粒与其工作状况有密切的联系。光谱分析方法有多种，但共同点是利用光谱分析，测定油液中所含各种金属元素的成分和含量，以判断