Matlab重载货运列车滚动轴承振动故障分析(4)
2.2 滚动轴承固有频率、特征频率及频谱结构
2.2.1 固有频率
滚动轴承工作时，滚动体转动可能导致轴承元件的固有振动。轴承元件振动的固有频率只由制造材料、构造结构、元器件尺寸及装配安装方式决定，与滚动轴承的工作转速无关。相应的计算公式如下:
滚动体振动时，固有频率为
（2.1）
轴承内、外圈在自由状态下，径向弯曲发生振动的固有频率为
（2.2）
滚动轴承为钢材材质时，其内、外圈振动的固有频率为
（2.3）
其中，n是振动阶数，n=2,3，...；E是弹性模量，GPa; I是套圈横截面的惯性矩， 是密度；A是套圈横截面积；h为圆环的厚度。
2.2.2 特征频率
滚动轴承的固有频率:轴承运转时，滚动体与内外圈冲击产生振动，振动频率为轴承各元件的固有频率。轴承固有振动频率很高，其频率范围为数千赫兹至数万赫兹。滚动轴承运转时的振动依据振动机理可分为两大类:一是正常工况下所引起的振动，包括与轴承结构及制造工艺有关的振动;二是与轴承故障激发的振动。
(1)正常滚动轴承的信号特征:这里正常是一个相对概念，例如对于普通机械为“正常”轴承，如用在航空等精密机械上就可能被认为是“异常”轴承。即便正常轴承也会在工作时产生振动和噪音，此外由于制造工艺、安装调试等过程中也会引入误差，如元件表面的波纹度、粗糙度等，也会使滚动轴承在工作时产生振动和噪声。
(2)故障滚动轴承的信号特性信号特性:依据振动信号特征，轴承出现的故障也可分为两大类:一为表面损伤类故障，如点蚀、剥落、擦伤等;二为磨损类故障。
正常使用情况下，工作时间较长会出现轴承表面磨损故障，这是一类渐变性故障。出现磨损故障后产生的振动同正常轴承的振动性质相同，表现为振动波形无规则，具有较强的随机性，但其振动幅值非常明显地高于正常轴承。除了振动幅值加大外没有另外的特征差别，因此诊断磨损故障可以采用振动的有效值与峰值来判定。一般而言，磨损不会立刻引起轴承破坏，从危害程度上看远小于表面损伤类故障。所以轴承故障诊断的重点是表面损伤类故障。
从性质上考虑，冲击振动成分可分为以下两类:
其一，轴承元件的表面损伤点在转动时反复撞击相接触的其它元件而产生低频振动，称之为轴承的“通过振动”。其发生频率由受力轴转速和轴承元件几何尺寸决定，称为滚动轴承的故障特征，其频率一般在IKHz以下。
其二，损伤冲击激励作用引发轴承系统相对故障特征频率的高频固有振动，其频率范围为数千赫兹至数万赫兹。特征频率可以根据滚动轴承元件尺寸和运动学工作参数计算得到。
以向心推力轴承为例（图2.3），对应的特征频率理论值可以通过公式计算得到。
图 2.3 滚动轴承结构
2.2.3 频谱结构
一般，频谱结构分为三个部分：低频部分，中频部分和高频部分。
（1）低频段频谱(IKHZ以下)。包括轴承的故障特征频率及因装配误差引起的振动特征频率。理论上对低频段的谱线进行分析处理可监测出相应的轴承故障。但是低频段信号易受干扰很大，并且故障早期时损伤的特征频率成分能量很小，通常淹没在噪声中，因此对早期故障的诊断不适宜使用低频段信号