摘要：振動診斷是機械故障診斷的最重要方式。在測試的振動信號中，經(jīng)常能看到時域的沖擊特性，可能是很周期性的沖擊，也可能是看上去混亂的沖擊；每次沖擊能量可能是比較穩(wěn)定的，也可能沖擊峰值或大或小；甚至有的時域波形看上去沒有沖擊特性，但是經(jīng)過簡單的信號處理后，埋沒的沖擊特性也會顯現(xiàn)出來。根據(jù)筆者多年的故障診斷經(jīng)驗，當(dāng)頻域故障診斷方法失效的時候，從時域的沖擊特性入手是一個很好的思路和技術(shù)路線。

01從軸承失效的四個階段來了解沖擊

       軸承失效有著名的四個階段，目前來說，已經(jīng)被普遍認(rèn)可，只是存在不同應(yīng)用場景和不同軸承型號下，各階段的具體分段頻帶不一樣。本文為了闡述方便，將頻率范圍分為：超高頻段，高頻段，中低頻段，全頻段。

第一階段：超高頻階段

      筆者認(rèn)為該階段不屬于振動范疇，主要依據(jù)是此階段沖擊能量太小，不足以激起結(jié)構(gòu)的振動。此階段測量的信號屬于沖擊應(yīng)力波，沖擊應(yīng)力波可以理解為聲波在軸承結(jié)構(gòu)中傳播，由于頻率很高，所以可以稱為超聲波信號，聲發(fā)射診斷技術(shù)就是針對這種信號。也可以使用某類特殊的振動傳感器，該傳感器固有諧頻在33KHz附件，雖然沖擊能量很微弱，但如果沖擊位置距離該傳感器很近，沖擊應(yīng)力波傳播到傳感器時，由于存在諧振放大，傳感器也能捕捉到這種超聲信號，這就是沖擊脈沖法的基礎(chǔ)。筆者再強調(diào)一次，該階段屬于沖擊范疇，不屬于振動范疇。事實上，該階段的診斷并不重要，因為軸承的損傷還很微弱，甚至剛剛出廠的新軸承就已經(jīng)存在，雖然學(xué)界對早期故障識別孜孜不倦的研究，但目前在工業(yè)上的價值是很有限的。

第二階段：高頻階段

       隨著軸承損傷的加劇，沖擊能量越來越高，足以激發(fā)軸承部件的固有振動，該頻率分布一般為幾千赫茲，此階段可以屬于結(jié)構(gòu)振動范疇。從振動信號的高頻段，使用包絡(luò)檢波的方法，很容易能夠提取到軸承的故障特征頻率，目前也是業(yè)內(nèi)最常用的方法，準(zhǔn)確性也非常高，完全滿足工業(yè)界的需求。

第三階段：中低頻階段

       隨著軸承損傷的進(jìn)一步加劇，沖擊能量更高，足以激發(fā)軸承座，甚至是主結(jié)構(gòu)的固有振動，該頻率分布可能為幾百赫茲，甚至可以達(dá)到幾十赫茲。所以在中低頻段，使用包絡(luò)檢波的方法，也能夠提取到明顯的軸承故障特征頻率。換句話說，如果從中低頻范圍內(nèi)能明顯的提取到軸承故障頻率，說明軸承損傷已經(jīng)到了第三階段，算是比較嚴(yán)重的階段了，這個時候，可以安排軸承的更換了。

第四階段：全頻階段

       還是隨著軸承損傷的更一步加劇，沖擊能量更大，沖擊發(fā)生時間很密集，沖擊能量分布在全頻帶范圍內(nèi)，時域信號上完全看不出明顯的沖擊特性，表現(xiàn)為寬帶隨機振動。此時已經(jīng)無法從頻域內(nèi)提取到軸承故障特征，振動量級很大，在此階段耽誤了軸承更換，可能會釀成更大的事故。

       可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的視角是從頻域看軸承失效的四個階段。但從筆者的敘述中，也可以從沖擊的視角看，第一階段是微弱沖擊階段，第二階段是中等沖擊階段，第三階段是強烈沖擊階段，第四階段為全面沖擊階段。其實，不同階段的不同頻域表現(xiàn)正是不同程度的沖擊決定的，從沖擊角度看軸承失效是更本質(zhì)更深入的角度，所以也蘊含了更多的可能性，更多的方法以及更多的自由度！

02從沖擊角度診斷故障的局限

       如上文所述，因為從沖擊角度看待故障是更本質(zhì)的。所以既可以從頻域來研究沖擊特性，也可以從時域來研究沖擊特性。在頻域研究沖擊特性的局限在于，當(dāng)沖擊來源比較豐富，工況比較復(fù)雜（比如變負(fù)載變轉(zhuǎn)速），尤其是轉(zhuǎn)速很低的情況下，頻域方法（一般是指包絡(luò)法）往往無法有效識別故障，更加不能指示故障位置。在時域研究沖擊特性的局限在于，大部分情況下，即使是工況穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速不低，時域法也不能指示故障位置。

03從沖擊時域角度診斷故障的優(yōu)勢

       在沖擊頻域方法受限的情況下，沖擊時域方法依靠趨勢分析，能夠體現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨時間經(jīng)受沖擊不斷加劇的過程，當(dāng)無法明確鑒別沖擊來源的時候，索性就不區(qū)分沖擊來源，通過趨勢分析，輔助橫向和縱向統(tǒng)計分析，從沖擊量級和頻次上來把握結(jié)構(gòu)的總體狀態(tài)。從整體上把握結(jié)構(gòu)的故障狀態(tài)和發(fā)展趨勢，不能說是復(fù)雜工況和低轉(zhuǎn)速下診斷的最好方法，但可以是當(dāng)前最有效的方法，也是工業(yè)界需要的方法。

04沖擊時域故障診斷的可能方法

     撇開經(jīng)典的頻域方法，行業(yè)內(nèi)對沖擊時域研究似乎并不充分，筆者結(jié)合自己的知識積累，展望了時域研究的可能方法：

01時域波形的沖擊頻次和量級統(tǒng)計；

02將不同時段的沖擊特性聯(lián)合對比，在二維視角下，甚至是三維視角下研究沖擊特性；

03將特征提取和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，使用大數(shù)據(jù)背景下產(chǎn)生的新方法；

04對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ龋厔莘治觯约敖⒔Y(jié)構(gòu)整體運行狀態(tài)空間