Page 269 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 2 期 陈 鑫，等：面向低转速及变转速复合工况下滚动轴承故障诊断研究 585

SAM）以扩展倒谱预白化技术在故障特征提取中的 IAD）信息 [φ 1 , φ 2 , …, φ i ] 和对应的上升沿的时间信息
应用，其有效性在轴承故障特征提取中得到验证。 [t 1 , t 2 , …, t i ]。采用时间法估计 IAS 信号，计算式为 [12] ：
此外，由于振动信号中滚动轴承故障周期具有二阶 ∆φ 2π
w i = = （1）
循环平稳特性，ANTONI 等 [5] 研究提出了循环平稳分 ∆t i N (t i −t i−1 )
析方法；进一步地，为解决循环平稳分析方法无法自 式中，w i 为第 i 次瞬时角速度，单位为 rad/s；N 为编码
适应确定优化解调频带的问题，MAURICIO 等 [6] 提 器每圈的光栅数；Δφ 为角位移之差，Δφ=φ i –φ i–1 ；Δt 为
出了抗干扰能力强的特征优化图改进包络谱方法， 时间信息之差，Δt=t i –t i–1 。
其有效性在滚动轴承故障诊断中得到验证。值得指
光栅盘 接收装置
出的是，变转速工况下，振动信号是非平稳信号，故 Δφ
障特征频率与转频呈正相关，增大了故障检测的难 0 幅值 / V 5
度；在极低转速工况下，滚动轴承故障可能无法激起
共振区，导致无法通过解调分析方法从振动信号中 光源 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5
时间 / s
提取滚动轴承故障特征；再者，由于振动信号往往受 (a)编码器的结构 (b) 输出电压
振动传感器频率下限限制，在低速工况下可能无法 (a) Structure of an encoder (b) Output voltage
获取丰富的故障信息。 图 1 编码器的结构与输出电压
编码器信号具有传递路径短、无需外置安装、 Fig. 1 Structure of an encoder and output voltage

无需定期校准、直接与动力学相关等优势，近年来
值得指出的是，IAS 信号是角度 Δφ 范围内的平
基于瞬时角速度信号的故障诊断技术得到快速发
均速度，若对 IAS 信号进行降采样处理分析，可一定
展。例如，文献 [7-8] 提出了一种改进自适应最大相
程度上抑制高阶循环平稳噪声分量的干扰。
关峭度反卷积方法和稀疏低秩分解模型的快速主成
分追踪算法，实现了轴承和齿轮故障检测；LI 等 [9] 基
于 瞬 时 角 速 度（ instantaneous angular speed, IAS） 2 低 转 速 及 变 转 速 工 况 下 干 扰 分 量
信号提出了一种经验模态分解和局部倒谱相关相结 分 析
合的齿轮故障特征增强方法；GOMEZ 等 [10] 构建了

基于编码器信号的轴承动力学模型，实现了风机轴 2.1 安装误差
承故障特征提取；MOUSTAFA 等 [11] 基于瞬时角速度
安装编码器时，存在编码盘中心和转轴旋转中
信号，实现了低转速工况下轴承故障尺寸估计。综
上所述，编码器信号中包含丰富的轴承故障信息，可 心不一致以及安装倾斜的误差，IAS 信号中存在安
用 于 轴 承 故 障 特 征 提 取 。 然 而， 在 变 转 速 工 况 下 装误差 w o （包含偏心误差 w e 和倾斜误差 w t ），可表示为：
IAS 信号中存在编码安装误差、刻蚀误差和速度趋 w o = w e +w t （2）
势分量等，这些干扰分量对滚动轴承的故障检测具 ρ −ρcosθ e
2
w e = w i （3）
有较大干扰。 (ρcosθ e −1) 2
2
为有效增强低转速及变转速复合工况下滚动轴 w cosβ
i
w t (θ) = −w i （4）
2
2
承弱故障特征，本文基于滚动轴承故障引起 IAS 信 (cosβcosθ t ) +sin θ t
号波动特性，结合多周期微分累计特性以及相关性 式中，ρ=Δr/r 和 β 分别为编码器偏心比和倾斜误差角
分析特性，提出了多周期累积互参考相关系数信号 度，其中，r 为编码盘半径，Δr 为编码器中心和旋转
重 构（ multi-period cumulative cross-reference correlation 中心的偏心距；θ e 和 θ t 为初始角度。可见，编码器安
coefficient signal reconstruction，MPCRCC）的故障特征 装误差 w o 随着转速的增加而增加。

增强方法，并通过仿真和实测数据验证所提方法的
2.2 刻蚀误差
有效性和优势。

随着衍射光波刻蚀技术的发展，编码器光栅盘
1 光 学 编 码 器 测 量 原 理 及 瞬 时 角 速 度 的刻蚀精度在逐步提升，但是编码盘上刻蚀的孔不

估 计 总是均匀的，而高速计数器高频采样率对光栅盘刻
蚀误差具有较大的敏感性。因此，光栅盘的刻蚀误

光学编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成， 差不可忽略。如图 2 所示，展示了编码器刻蚀误差
e
如图 1(a) 所示，轴旋转过程中，光栅盘对光束的通透 模型。刻蚀误差 w g 可表示为：
( )
和遮蔽产生方波电压，如图 1(b) 所示。接收装置输 ∆φ
w ge = 1− w i （5）
出离散瞬时角位移（instantaneous angular displacement, ∆φ±∆θ ge