摘要 根据低速重载大轴承动态特性、故障信号特征，对其振动信号和声发射信号分别从软件和硬件实现包括，并对包络信号进行频谱分析，准确诊断出大轴承的部位和类型，经现场验证分析诊断结果是正确的。
关键词 低速重载；包络分析；希尔伯特变换；声发射
0 引言
包络分析技术是对低频冲击所激起的高频共振波形进行包络检波和低通滤波即解调，获得一个对应于低频冲击，而又放大并展宽了的解调波。在机械设备故障诊断中，对调制信号进行解调是一项常见而重要的工作，如当轴承的某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行中要冲击与之相互作用其它元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带宽，必然包含轴承内外圈、传感器等的固有频率而激起测振系统的高频固有频率振动，因此所接收的信号非常复杂，受到众多因素的影响，如直接观察原始时域信号诊断故障，势必产生判断误差，影响的分析诊断结果准确性。
本文通过对低速重载大轴承所测信号从软件、硬件上实现包络分析，较准确地判断出大轴承故障的类型及部位，并在后来的现场拆装中得到证实。
1 低速重载大轴承的动态特性
低速重载大轴承结构示意图（见图1注：该轴承常见于连铸机钢包回转台），它有上中下三排直径不等的圆柱滚动体，内上、下圈设置滚道，最外部分是大齿圈。大轴承工作时，上下两排靠保持架水平放置的滚动体主要承受轴向载荷和较大的倾翻力矩，垂直放置的中排滚动体主要承受径向载荷（外载荷约300t），且动转速度低（一般为1r/min），回转不连续。

在微机上运用ALGOR FEAS软件，对大轴承各元件固有频率进行理论计算所得某几阶固有频率值见表1，该理论计算结果经过了实测验证。应用运动学原理推导出的大轴承传输振动频率公式及计算结果见表2。通过计算结果看出低速重载大轴承其传输振动频率和各元件的固有频率都较一般滚动轴承低，对其测试信号进行分析时，故障信号易被作为低频干扰信号剔除而产生漏判、误判，因此有必要对其测试信号进行解调。[mem]

2 希尔伯特变换（Hilbert Transform）原理及信号包络的实现
随着数字系统的发展，有许多种方法可实现包络技术，其中希尔伯特变换就是从软件上实现包络的一典型算法。希尔伯特变换是同一域中的——对应的映射关系。设实连续信号x（t）的希尔伯特变换为x（t），其正反变换的定义为：

3 振动信号的包络分析
振动法目前在设备故障中是比较成熟的方法，对滚动轴承故障的监测也有很多成功的实例。本文取大轴承故障振动信号的加速度峰值和均方根值作为分析参数，并对其进行FFT分析。时域信号和功率谱图见图5（a）、（b）所示。对该信号进行包络处理后所做的频谱分析见图5（c），从图5（a）可看到时域信号表现为冲击信号，而且幅值被调制，说明大轴承某元件产生剥落故障；把图5（b）功率谱图得到的频率与表1大轴承各元件的固有频率相对应，从对固有频率激起的数量和频谱图中能量最大的频率占有率看，大齿圈与内上圈固有频率与谱图中能量大的频率接近，断定大齿圈与内上圈有剥落故障；看图5（c）发现只有4Hz的频率成分突出，而且该频率成分对应的能量较大。由表2可知大轴承的上排滚动体通过大齿圈和内上圈的通过频率都为3.25Hz，而实测频率正与这个频率接近，这说明大齿圈和内上圈滚道面产生了故障，滚动体通过故障表面引起冲击产生的低频率由包络法“解调”出来。该结论在大轴承拆检后得到了证实。

4 声发射信号的包络分析
4.1 声发射测试系统构成
声发射（Acoustic Emission，简称AE）是材料在外载荷或内力作用下，以弹性波形式释放应变能的现象。声发射可提供材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展的动态信息。声发射的出现要具备两个条件：一是材料要受外载作用；二是材料内部结构不均匀或有缺陷。当材料的裂纹形成和扩展时会产生突发型声发射信号。由于声发射的活动往往在材料破坏以前就发生，因此根据声发射的特点及其发射的强度，不仅可推测声发射源的目前状态，而且可以研究它形成的历史，并预报其发展趋热，从而进行状态的监测和故障诊断。

目前应用声发射的领域很多，但把其用于此类大轴承的故障监测似乎还不多见。本文根据声发射技术发展的状况以及大轴承现场运行状态，通过合理选择参数，构成大轴承声发射测试系统。该检测系统由四路独立的信号通道组成，每路通道的构成框图如图6。
声发射传感器选频率为150Hz的谐振传感器，由于其输出信号通常为数微伏到数毫伏，所以其后的放大器总增益必须达到50-100dB。本系统由前置放大器与主放大器实现，前置放大器为固定增益（40dB）的高输入阻抗的低噪声放大器，主放大器为线性放大器，其增益为0-60dB，可由程序编程设定，调整步距为5dB。主放大器端带有可调门槛电平的旋钮，满刻度为5V，每旋转一圈增加或减少0.5V，可根据现场的实际情况设定阀值（即设备正常运转时，无振铃输出的位置），即要将噪声信号抑制，又要保证有用信号通过。使用通带范围100KHz-200KHz的带通滤波器，阻带衰减倍频程大于20dB，这样通带以外的频率成分作为噪声干扰剔除。为了尽可能减少传感器输出信号的衰减以及减少干扰，传感器至前置放大器的距离选用1.5m。
4.2 声发射信号分析
由主放大器输出的四路信号每路有三种形式；即声发射原始信号、包络检波信号和脉冲信号。选取包络信号主要考虑了以下几方面的因素：第一，声发射包络信号与原始信号比属于低频信号，它的后处理和A/D转换等要比声发射原始信号处理容易得多，便于现场进行监测和诊断；第二，声发射的包络信号可做能量分析，本文取E=
计算了声发射信号的能量及单位时间的能量；第三，考虑到大轴承由于低速重载的特点，声发射信号有可能被低转速、低故障频率调制，因此用其包络信号做频谱分析更有利于对大轴承故障信号进行分析。
声发射包络信号的功率谐图如图7所示。从谱图上看到，（1）实测的频率在大轴承各元件固有频率表中可找到与之对应的成分，说明大轴承各元件滚动面都产生了故障，但从各频率成分对应的能量和各元件被激起的固有频率数量来看，大齿圈和内上圈的故障严重一些；（2）实测得到的频率7.32Hz约为前面计算的上排滚动体通过大齿圈和内上圈通过频率的2倍，说明大齿圈和内上圈滚动面产生了故障，滚动体与故障表面碰磨的重复频率被表现出来；（3）由声发射原理可知声发射信号对裂纹、剥落和磨损故障较敏感，因此判定大轴承的元件产生了剥落或磨损故障。以上分析结果在现场拆检后得到了证实。

5 结论
（1）本文根据低速重载大轴承动态特性、故障信号特征，对其振动信号和声发射信号分别从软件和硬件实现包络，并对包络信号进行频谱分析，诊断出大轴承故障的部位和类型，经与现场拆检后所观察的大轴承实际故障相比较，证明本文分析诊断的结果是正确的。
（2）声发射法首次应用在大轴承的监测和故障诊断系统，文中由谐振传感器、增益放大、包络检波和微机组成的测试系统切实可行。信号处理中所使用的包络谱分析可明显反映出大轴承故障的类型和部位。这在后来大轴承被拆检后观察到的实际情况中得到了证实。
（3）本文编译了希尔伯特变换的包络分析程序，可作为今后此类轴承故障诊断的有利工具。