Page 194 - 《振动工程学报》2025年第9期

2124 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

集，但这些数据集还存在不足之处。首先，大部分数 转速和载荷下的振动信号。为了方便后续处理和分
据集只提供了特定转速下的轴承振动信号。例如， 析，将振动信号以.mat 文件格式进行保存。接下来，
在美国凯斯西储大学公开的 CWRU 数据集 [7] 中，轴 将详细介绍试验的数据采集方案和数据格式。

承振动信号的转速被固定在 1797 r/min 左右；在美国
1.1 数据采集方案
机 械 故 障 预 防 技 术 学 会 公 开的 MFPT 数 据 集 [8] 中 ，
轴承振动信号的转速被固定在 1500 r/min 左右；在美 在数据采集中，使用洛阳轴承研究所设计研制
国辛辛那提大学公开的 IMS 轴承数据集 [9] 中，轴承 的 SB25 轴承试验机开展轴承振动数据采集试验。
振动信号的转速被固定在 1990 r/min 左右。在实际
试验轴承是型号为 D276126NQ1U 的双半内圈三点
应用中，轴承的工作转速范围往往较宽，而以此类数
接触球轴承，它是某型号航空发动机中支撑高压压
据集作为训练集的模型无法处理其他转速下的数
气机的前支点止推轴承，具体尺寸及参数如表 1 所示。
据。因此，需要具有宽转速范围的轴承数据来进一

步验证现有算法的有效性。
表 1 轴承尺寸及参数
然而，现有的可变宽转速范围轴承数据存在转
Tab. 1 Size and parameters of bearing
速间隔较大的问题。例如，意大利-都灵理工大学公
内径/mm 外径/mm 宽度/mm 球数 球径/mm 节径/mm 接触角/（°）
开的 DIRG 轴承数据集 [10] 。该数据集专门用于测试
144.6 188.0 33 17 24.6 166 29.5
高速航空轴承，其转速范围为 6000~30000 r/min，而转
速的采集步长为 6000 r/min。这种数据集的转速间 航发轴承试验台如图 1 所示，试验轴承安装在
隔较大，导致训练出的故障诊断模型在检测其他转 设备机壳内的轴承座上，轴承内圈采用过盈配合与
速的轴承振动信号时存在困难。其次，目前公开的 主轴连接，轴承外圈则固定在轴承座上。高功率变频
数 据 集 中 大 多 数 的 载 荷 范 围 较 小 。 例 如， 2012 年 电机通过联轴器与主轴连接，可通过调节变频电机
IEEE PHM 比赛使用的 FEMTO-ST 数据集 [11] 中的轴 转速模拟主轴旋转，本试验中电机转速范围限定为
承载荷为 4~5 kN。然而，这种载荷范围的数据集无 1000~10000 r/min。两个直流振动电机用于模拟其他
法有效地被用于分析不同载荷对轴承故障的影响。 部 件 的 振 动 干 扰， 分 别 安 装 在 设 备 机 壳 顶 部 和 侧
因此需要具有宽载荷范围的轴承数据集，以便更全 面。通过液压装置，试验机可以对试验轴承施加径
面地研究和理解载荷对轴承故障的影响。此外，已
向和轴向载荷，试验中施加的径向载荷固定为 2.5 kN，
公开的数据集大多仅提供单一故障工况下的振动观
轴向载荷根据主轴转速在 4~9 kN 范围内变化。
测信号，而缺乏复合故障工况下的振动观测信号。
例如，加拿大渥太华大学公开的轴承诊断数据集 [12] 试验轴承位于设备 直流振动 高功率
机壳内部 电机 变频电机
包含了 3 种轴承的健康状况和 4 种轴承转速状况，
总共提供了 12 种工况下的观测信号。然而，该数据
集并未给出复合故障工况下的观测信号，因此难以
将其用于验证轴承复合故障的诊断算法。
为了解决现有公开数据集存在的问题，并提高
轴承故障诊断技术的可靠性和适用性，本文设计了 设备机壳
轴承振动数据采集试验，建立了一套宽转速范围轴
图 1 轴承试验机与高功率变频电机
承数据集，数据集可访问主页自由下载（https://zhwt-
Fig. 1 Bearing testing machine and high-power variable
x i d i a n . g i t h u b . i o / r e s o u r c e / h o m e p a g e / # O P E N -
frequency motor
RESOURCES）。相较于现有数据集，该数据集转速
采集间隔更小，转速采样率更高。此外，每种故障类 试验轴承共有 5 种状态：正常状态、内圈故障、
型都提供了不同载荷下的观测信号，且包含了轴承 外 圈 故 障、 滚 珠 故 障 和 保 持 架 故 障 。 图 2 展 示 了
复合故障的多通道观测信号。所提数据集有助于分 4 种故障状态下的具体故障位置，这些故障是通过电
析和验证轴承故障诊断算法的诊断效果，对于深度 火花工艺（EDM）在轴承的相应部位进行加工得到的。
模型的训练提供了大数据样本支撑。 为采集到能够真实反映轴承状态的振动信号，

在试验机外壳、轴承的轴向和径向共布置 8 个加速
1 宽 转 速 轴 承 振 动 数 据 集 信 息 度传感器。8 个传感器的具体布置位置如图 3 所示，

其中，AC0、AC1 和 AC7 安装在轴承座外壳上，用于
为完成轴承故障诊断分类任务，采集了一组数 采集不同载荷下的振动信号；其余 5 个传感器吸附
据集，该数据集包括无故障轴承和故障轴承在不同 在试验机外壳上，用于采集不同转速下的振动信号。