故障诊断学习｜CWRU数据集介绍 第4期

声明:本文转载CSDN博主「liyuanbhu」的原创文章[1]，并加以修改。原文链接：https://blog.csdn.net/liyuanbhu/article

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当轴承内部工作面出现剥离等缺陷时，运动表面与缺陷部位相互碰撞产生冲击振动。这种冲击振动与正常情况下轴承的振动不同，持续时间非常的短，但是具有非常宽的频谱范围，可以激起轴承各部分的共振。由于轴承中运动部件旋转运行会周期性的通过故障点，因此激发出的轴承共振通常具有一定的周期性，并且不同故障类型对应的周期性是不同的。因此，根据探测这种高频共振的重复频率，我们可以获知当前轴承的故障类型。

1、保持架故障特征频率fc

图 1 给出的是一个典型的滚动轴承。与轴承故障特征频率相关的几何参数标示在图上。

图 1 典型的滚动轴承几何参数示意图

滚动体（roller）中心对应的轴承直径称为轴承中径D。根据上图中给出的几何关系，可知轴承中径等于：

Di 为轴承内圈滚道的直径，Do 为轴承外圈滚道的直径。α 为接触角（轴承受力方向与径向的夹角）。根据几何关系，这两个直径与轴承中径D的关系可以写为：

其中 d 为轴承滚动体的直径。内外滚道的旋转线速度可以写为：

上式中，ωi 为内滚道的旋转角速度，ωo为外滚道的旋转角速度。假如滚子在滚道上为理想的滚动，那么保持架（cage）的旋转速度Vc 为内外圈旋转速度的平均值。

用频率表示的话，保持架的旋转频率 fc 则为：

通常情况下，轴承的外圈是固定不动的。那么上面式子可以简化为：

2、内圈故障特征频率fBPFI

保持架相对于内圈的滚动频率 fci 可以写为：

如果轴承有n个滚动体，那么保持架相对内圈滚动一周时，n个滚动体会通过内圈故障点n次。那么滚动体通过内圈故障点的频率即为内圈故障特征频率fBPFI：

为什么滚动体通过内圈故障点的频率就是内圈的故障频率呢？

本人理解：因为内圈是与滚动体相接触的，当内圈上有一个故障缺陷，比如裂纹，滚动体每次经过裂纹的时候因为撞击产生振动，这个撞击频率就是内圈故障特征频率。滚动体是卡在保持架里，当保持架相对内圈转动一圈，n个滚动体经过故障点就会产生n次振动。因此当知道保持架相对内圈滚动频率，再乘以滚动体个数就是滚动体撞击频率。下面外圈故障特征频率和滚动体故障特征频率类推。

当外圈固定时，内圈故障特征频率为：

3、外圈故障特征频率fBPFO

保持架相对外圈的旋转频率fco可以类似计算：

当外圈固定时，外圈故障特征频率为：

4、滚动体故障特征频率fBSF

当滚动体出现缺陷时，滚动体自身旋转一圈，滚动体故障点就会与内圈接触一次，从而产生一次冲击振动。这个冲击频率就是滚动体的故障特征频率。当保持架相对内圈旋转一圈时，滚动体应该旋转πDi/πd圈。故知道保持架相对内圈频率fci时，滚动体的故障特征频率fBSF可以写为：

当外圈固定时，滚动体故障特征频率为：

5、总结

上面这些特征频率都是在假设滚子在内外滚道上没有相对滑动的前提下计算出来的。实际上， 在真实的应用场景中，滚子或多或少是要相对滚道产生些许的滑动的。因此，实际测量得到的特征频率与这里的计算值会有一些误差，需要做一些小的修正。

将上面的计算结果总结如表1：

表 1 轴承的特征频率计算公式汇总

注：本文公式与上一篇文章有一些不同之处：

1、本文用的是内圈旋转频率fi，上一篇用的是轴的转速fr，其实两者等价。fi是内圈旋转频率，而频率的定义是一秒钟转多少圈，故等同于单位为r/s的转速。当轴与内圈无相对滑动时，轴的转速和内圈转速相等。

2、上一篇公式都除以了60，因为上一篇的转速单位是r/min，本文为r/s。除以60转速单位r/min就变成r/s。

3、上一篇保持架故障特征频率用fFTF表示，本文fc用表示。

作者：小平

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