Page 256 - 《振动工程学报》2026年第2期

572 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

已成功应用于检测轴承、齿轮箱和涡轮机的故障。 出与故障信息相关的冲击特征频率切片。利用 Morlet
[8]
GUO 等 采用 Morlet 小波变换（Morlet wavelet transform， 小波变换方法固有的重构能力，从提取的频率切片
MWT）对柔性薄壁椭圆轴承进行故障诊断，成功地 重构出故障特征信号，实现故障脉冲的分离。

识别了故障类型。然而，MWT 引入了两个重要的参
数，即 Morlet 小波的中心频率和带宽，两个参数相互 1 柔 性 薄 壁 椭 圆 轴 承 振 动 特 性 分 析
耦合，影响着 MWT 结果的时频分辨率。确定合适的
参数需要投入大量的时间和精力。为了减小参数的 本文所使用的数据由图 1 所示的振动试验台采
影响，涌现出了一些基于 Morlet 小波变换的后处理 集得到，试验中所采用的柔性薄壁椭圆轴承如图 2
算法 [11-12] 。其中，重分配算法 [11] 通过在时间和频率 所示。轴承的型号为 SHF-32-120，具体参数详见表 1。
方向同时重新分配能量系数，提高了时频图的可读 将采样频率设置为 f s = 12800 Hz，旋转频率设置为 f i =
性。然而，该算法同时向时间和频率两个方向分配 33.60 Hz，采样点为 N = 8192个，得到健康的柔性薄
能量的过程使得它失去了重构原始信号的能力，从 壁椭圆轴承正常工作下的加速度信号，如图 3 所示。
而限制了重分配算法的实用性。有学者注意到这一
点，并提出了时间重分配多重同步压缩变换 [13-15] 。与
重分配算法不同，时间重分配多重同步压缩变换框
架下的算法在时间方向上选择性地压缩能量系数，
从而保留了信号重构的能力。
上述方法旨在从旋转分量和噪声中提取具有更
高能量的冲击分量。然而，柔性薄壁椭圆轴承存在

椭圆长短轴交替引起的正常周期性冲击 [16] ，在柔性 图 1 柔性薄壁椭圆轴承振动信号采集系统
薄壁椭圆轴承的振动中，故障冲击往往被正常冲击 Fig. 1 Vibration signal acquisition system for flexible thin-wall
掩盖。为了从这种类型的振动信号中分离出故障特 elliptical bearing

征频率，YU 等 [17] 设计了一种基于小波变换的时间
重分配多重提取变换，实现了对柔性薄壁椭圆轴承 r
故障特征频率的提取。由于算法将能量沿时间方向 b
a
重新压缩，在频率方向上不可避免地失去一些振动
信息，比如旋转频率。尽管前述方法能够减轻小波
参数的影响，但参数选择对故障特征提取结果仍然

非常重要。有学者使用奇异值分解 [18] 和谐波小波包
图 2 试验采用的柔性薄壁椭圆轴承
技术 [19] 有效地分离正常脉冲，并从剩下的振动信号 Fig. 2 The experimental flexible thin-wall elliptical bearing

中提取出故障特征频率，成功判断了故障的类型。
学者们对柔性薄壁椭圆轴承的故障诊断进行了 表 1 试验采用的柔性薄壁椭圆轴承的各项参数
许多研究，其进行故障诊断的侧重点是从振动信号 Tab. 1 Main parameters of the experimental flexible thin-wall
中提取故障特征频率。无论是通过选择能量最大的 elliptical bearing

频率切片或尺度来识别故障信息，抑或是通过消除 参数 物理意义 取值
因柔性薄壁椭圆轴承正常工作而产生的周期性冲击 z 滚动体数量 23
来识别故障信息，提取的频率通常仅由频谱表示，无 f i /Hz 旋转频率 33.60
法展示故障特征频率的时变性质，而故障特征频率 f o /Hz 柔性薄壁椭圆轴承外圈频率 0
的时变性是柔性薄壁椭圆轴承故障特征的一个重要 r/mm 滚动体半径 3.572
α/( ) 接触角 0
◦
特征。因此，本研究的目标是提出一种从正常背景
a/mm 内圈椭圆滚道长轴半径 30.231
周期性冲击中提取故障特征冲击，即将携带与故障
b/mm 内圈椭圆滚道短轴半径 29.101
类型及其时变性质有关的冲击从振动信号中分离出
来，从而为探索柔性薄壁椭圆轴承的故障振动特性 图 3 的振动信号显示，即使柔性薄壁椭圆轴承
提供一种途径。为了实现这一目标，本文分析 Morlet 在没有受损、正常工作的情况下，仍然会产生周期
小波变换在不同参数影响下表征振动信号时频特征 性冲击，为了便于区分，本文将这种周期性冲击称为
的能力，并提出一种参数选择方法，进而设计一个基 正常周期性冲击。从频谱中可以观察到正常周期性
于相关基尼指数的特征提取方法，用于识别和提取 冲 击 的 频 率 为 f 0 = 67.19 Hz， 恰 好 是 旋 转 频 率 的
f i