Page 83 - 《振动工程学报》2026年第5期

轴承故障
频率
幅值 −2 −2 · · 幅值 健康轴承 外圈故障 轴承故障

频率
第 5 期 陈 阳，等：融合多模态转子振动特性的电机轴承故障定位与诊断方法 1287
外圈故障

承位置外壳的顶部和侧面。与壳体上传感（OHS）相 0.08
比，ORS 能够优化加速度传感器与故障轴承之间的振 0.06
动传递路径，降低电机壳体的背景噪声，ORS 系统的采
样率为 16 kHz，动态范围为±16g。 幅值 / (m·s −2 ) 0.04 f i 3f i
图 15 描述了 ORS 传感系统的数据传输过程：转 2f i
子振动信号首先由安装在旋转电机轴上的 MEMS 传 0.02
感器捕获，然后传输到微控制器对数据进行处理和 0
120 240 360 480
打包，最终通过蓝牙通信协议传输给主机。ORS 和 频率 / Hz
(c) 内圈故障0.2 mm
OHS 传感器的具体参数如表 3 所示。 (c) Inner race fault with 0.2 mm

0.12

ORS传ۋࢫׄ 主机界面
0.09
幅值 / (m·s −2 ) 0.06 f i 2f i 3f i

ICM-42688 nRF52840 0.03
MEMS 传感 微处理器 BLE 5.0 数据接收
处理、存储 0
电池 120 240 360 480
频率 / Hz

(d) 内圈故障0.5 mm
图 15 ORS 传感技术原理
(d) Inner race fault with 0.5 mm

Fig. 15 Schematic diagram of ORS sensing technology
图 16 ORS 振动信号包络谱
表 3 ORS 和 OHS 传感器参数 Fig. 16 Envelope spectra of ORS vibration signals
Tab. 3 Parameters of ORS and OHS sensors 位置，内、外圈的故障特征频率及其高次谐波都
B2
传感器型号 频响范围/kHz 灵敏度/(mV·g ) 被清晰地解调到包络谱中，尤其是一阶故障特征频
−1
ORS传感器 0~16 2048 率 f o 和 f i 均有较高的幅值，这证明了 ORS 所采集的
OHS传感器 0~10 1000 信号具有较高的信噪比，故障特征频率不易被背景

图 16 为试验采集的内、外圈故障下 ORS 振动信 噪声所干扰。无论故障轴承位于 B1 还是 B2 位置，
号的包络谱。结果表明，无论故障轴承位于 B1 还是 故障特征频率是相同的，因此实现故障轴承定位还
需要借助模态响应幅值这一信息。

健康轴承 B1轴承故障 B2轴承故障
0.04 图 17 为外圈故障轴承分别位于 B1 和 B2 位置
时 ORS 信号的瀑布图。首先 ORS 试验信号可以清
0.03 晰 地 表 征 转 子 的 模 态 振 动 响 应， 与 仿 真 结 果 的 前
幅值 / (m·s −2 ) 0.02 f o 2f o 4 B2 阶 模 态 频 率 高 度 一 致 ； 与 此 同 时 ， 第 4 阶 模 态 在

故障轴承的激励下响应幅值十分强烈，且振幅随
3f o
着故障程度的增加而迅速增大。
0.01
同样的工况下，安装在壳体上所采集的 OHS 信
0
100 200 300 号由于结构传递路径衰减和系统背景噪声的影响，
频率 / Hz
(a) 外圈故障0.2 mm 其 包 含 的 转 子 模 态 振 动 响 应 成 分 信 噪 比 不 足， 如
(a) Outer race fault with 0.2 mm
1阶模态
0.08 1.5 2阶模态

0.06 幅值 / (m·s −2 ) 1.0 3阶模态 4阶模态
幅值 / (m·s −2 ) 0.04 f o 2f o 3f o 0.5 0

1.0
0.02
0.5
0.2
0
0 0 500 1000 1500 2000
100 200 300
频率 / Hz
故障程度 / mm
频率 / Hz
(b) 外圈故障0.5 mm (a) B1轴承外圈故障
(b) Outer race fault with 0.5 mm (a) Fault at outer race of bearing B1

−2 阶模态
· 阶模态
−2 阶模态 阶模态
·
幅值
幅值 故障程度

频率 频率
内圈故障
轴承外圈故障

−2
·

幅值

频率
(d) 内圈故障0.5 mm