Page 84 - 《振动工程学报》2026年第5期

阶模态
−2
阶模态
·
幅值
故障程度
频率 阶模态 阶模态
轴承外圈故障
1288 振 动 工 程 学 报 第 39 卷
1.5 1阶模态 −20 内圈故障0.2 mm 内圈故障0.5 mm
健康轴承
幅值 / (m·s −2 ) 1.0 2阶模态 3阶模态 4阶模态 −40

0.5
0
1.0 PSD / (dB·Hz −1 ) −60
0.5
0.2 −80
0
0 500 1000 1500 2000
故障程度 / mm
频率 / Hz −100
0 500 1000 1500 2000
(b) B2轴承外圈故障
频率 / Hz
(b) Fault at outer race of bearing B2
(a) B2轴承内圈故障下ORS信号

图 17 B1 和 B2 轴承外圈故障下 ORS 信号瀑布图 (a) ORS signals with B2 bearing inner race fault
−20
Fig. 17 Waterfall diagrams of ORS signals with B1 and B2
bearing outer defect −40
图 18 所示。更为关键的是，OHS 信号中轴承外壳和
支撑结构模态的耦合效应会完全掩盖转子的特征模 PSD / (dB·Hz −1 ) −60
态响应，这使得基于转子模态振动特性的故障轴承 −80
定位方法在壳体振动信号上难以有效实施。
传递路径复杂 −100 0 500 1000 1500 2000
幅值 / (m·s −2 ) 1.0 模态混叠 (b) OHS signals with B2 bearing inner race fault
频率 / Hz
(b) B2轴承内圈故障下OHS信号
0.5
0
1.0 图 19 B2 轴承内圈故障下 ORS 和 OHS 信号功率谱密度
0.5 Fig. 19 PSD of ORS and OHS signals with B2 bearing inner
0.2 race fault
0 1500 2000
0 500 1000 为 了 评 估 所 提 轴 承 故 障 定 位 方 法 的 鲁 棒 性，
频率 / Hz
故障程度 / mm
图 20 给出了 5 种不同外载荷情况下健康轴承、B1 故
(a) B1轴承外圈故障
(a) Fault at outer race of bearing B1 障轴承、B2 故障轴承的第 4 阶模态振动能量的柱状
图。可以看出，当外圈或内圈故障程度为 0.5 mm 时，
1.0
幅值 / (m·s −2 ) 0.5 模态响应微弱 振动幅值远远高于故障轴承位于 4 B1 阶模态响应平均
阶模态
在所有载荷下，故障轴承位于
位置时第
B2
4
背景噪声高
位置的情况。
故障轴承的第
分析结果表明，B2
2
0 幅值约为 0.07 m/s ，较健康状态升高约 28 倍，较 B1
1.0
故障轴承状态升高约 7 倍，这一差异源于 B2 位置更
0.5 靠近转子振型的波峰（参见图 7），因此 位置故障
0.2 B2
0 0 500 1000 1500 2000 激励作用下的转子模态响应更强。
频率 / Hz
故障程度 / mm
图 21 给出了故障程度为 0.2 mm 时的第 4 阶模
(b) B2轴承外圈故障 态振幅对比，结果表明，所提方法对轻微故障依然具
(b) Fault at outer race of bearing B2
有较高的精度和有效性。图 22 通过添加不同强度

图 18 B1 和 B2 轴承外圈故障下 OHS 信号瀑布图

健康轴承 B1轴承故障 B2轴承故障
Fig. 18 Waterfall diagrams of OHS signals with B1 and B2
bearing outer defect
0.10
图 19 展示了 B2 轴承内圈故障下的 ORS 和 OHS
所采集振动信号的功率谱密度（PSD），PSD 表现了信 幅值 / (m·s −2 )
号在频域的能量分布，在模态共振带附近呈现能量 0.05
聚集。当故障轴承处于 B2 位置时，ORS 信号能够有
效反映转子的模态振动信息，前 4 阶模态共振响应
0
幅值均随着故障程度的加深而增大，反观 OHS 信号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415
不同载荷情况
多是背景噪声信息，无法有效反映故障造成的转子 (a) 外圈故障下第4阶模态振幅
模态频率附近的能量变化。 (a) The 4th order modal amplitude under outer race fault

−2
·

幅值

不同载荷情况
内圈故障下第 阶模态振幅