时域冲击特征在机械故障诊断中的意义01

摘要：振动诊断是机械故障诊断的最重要方式。在测试的振动信号中，经常能看到时域的冲击特性，可能是很周期性的冲击，也可能是看上去混乱的冲击；每次冲击能量可能是比较稳定的，也可能冲击峰值或大或小；甚至有的时域波形看上去没有冲击特性，但是经过简单的信号处理后，埋没的冲击特性也会显现出来。根据笔者多年的故障诊断经验，当频域故障诊断方法失效的时候，从时域的冲击特性入手是一个很好的思路和技术路线。

01从轴承失效的四个阶段来了解冲击

       轴承失效有著名的四个阶段，目前来说，已经被普遍认可，只是存在不同应用场景和不同轴承型号下，各阶段的具体分段频带不一样。本文为了阐述方便，将频率范围分为：超高频段，高频段，中低频段，全频段。

第一阶段：超高频阶段

      笔者认为该阶段不属于振动范畴，主要依据是此阶段冲击能量太小，不足以激起结构的振动。此阶段测量的信号属于冲击应力波，冲击应力波可以理解为声波在轴承结构中传播，由于频率很高，所以可以称为超声波信号，声发射诊断技术就是针对这种信号。也可以使用某类特殊的振动传感器，该传感器固有谐频在33KHz附件，虽然冲击能量很微弱，但如果冲击位置距离该传感器很近，冲击应力波传播到传感器时，由于存在谐振放大，传感器也能捕捉到这种超声信号，这就是冲击脉冲法的基础。笔者再强调一次，该阶段属于冲击范畴，不属于振动范畴。事实上，该阶段的诊断并不重要，因为轴承的损伤还很微弱，甚至刚刚出厂的新轴承就已经存在，虽然学界对早期故障识别孜孜不倦的研究，但目前在工业上的价值是很有限的。

第二阶段：高频阶段

       随着轴承损伤的加剧，冲击能量越来越高，足以激发轴承部件的固有振动，该频率分布一般为几千赫兹，此阶段可以属于结构振动范畴。从振动信号的高频段，使用包络检波的方法，很容易能够提取到轴承的故障特征频率，目前也是业内最常用的方法，准确性也非常高，完全满足工业界的需求。

第三阶段：中低频阶段

       随着轴承损伤的进一步加剧，冲击能量更高，足以激发轴承座，甚至是主结构的固有振动，该频率分布可能为几百赫兹，甚至可以达到几十赫兹。所以在中低频段，使用包络检波的方法，也能够提取到明显的轴承故障特征频率。换句话说，如果从中低频范围内能明显的提取到轴承故障频率，说明轴承损伤已经到了第三阶段，算是比较严重的阶段了，这个时候，可以安排轴承的更换了。

第四阶段：全频阶段

       还是随着轴承损伤的更一步加剧，冲击能量更大，冲击发生时间很密集，冲击能量分布在全频带范围内，时域信号上完全看不出明显的冲击特性，表现为宽带随机振动。此时已经无法从频域内提取到轴承故障特征，振动量级很大，在此阶段耽误了轴承更换，可能会酿成更大的事故。

       可以发现，经典的视角是从频域看轴承失效的四个阶段。但从笔者的叙述中，也可以从冲击的视角看，第一阶段是微弱冲击阶段，第二阶段是中等冲击阶段，第三阶段是强烈冲击阶段，第四阶段为全面冲击阶段。其实，不同阶段的不同频域表现正是不同程度的冲击决定的，从冲击角度看轴承失效是更本质更深入的角度，所以也蕴含了更多的可能性，更多的方法以及更多的自由度！

02从冲击角度诊断故障的局限

       如上文所述，因为从冲击角度看待故障是更本质的。所以既可以从频域来研究冲击特性，也可以从时域来研究冲击特性。在频域研究冲击特性的局限在于，当冲击来源比较丰富，工况比较复杂（比如变负载变转速），尤其是转速很低的情况下，频域方法（一般是指包络法）往往无法有效识别故障，更加不能指示故障位置。在时域研究冲击特性的局限在于，大部分情况下，即使是工况稳定，转速不低，时域法也不能指示故障位置。

03从冲击时域角度诊断故障的优势

       在冲击频域方法受限的情况下，冲击时域方法依靠趋势分析，能够体现结构随时间经受冲击不断加剧的过程，当无法明确鉴别冲击来源的时候，索性就不区分冲击来源，通过趋势分析，辅助横向和纵向统计分析，从冲击量级和频次上来把握结构的总体状态。从整体上把握结构的故障状态和发展趋势，不能说是复杂工况和低转速下诊断的最好方法，但可以是当前最有效的方法，也是工业界需要的方法。

04冲击时域故障诊断的可能方法

     撇开经典的频域方法，行业内对冲击时域研究似乎并不充分，笔者结合自己的知识积累，展望了时域研究的可能方法：

01时域波形的冲击频次和量级统计；

02将不同时段的冲击特性联合对比，在二维视角下，甚至是三维视角下研究冲击特性；

03将特征提取和机器学习相结合，使用大数据背景下产生的新方法；

04对大量数据进行横向和纵向对比，趋势分析，以及建立结构整体运行状态空间