Matlab轴承故障信号仿真与故障分析

1.摘要

本文介绍了一个基于Matlab的轴承故障信号仿真与分析程序,旨在模拟和分析轴承内圈故障信号的特征。程序首先通过生成故障信号、共振信号和调制信号,添加噪声和离散化处理,构建模拟的振动信号,并保存相关数据。通过快速傅里叶变换(FFT)、短时傅里叶变换(STFT),提取信号的频谱特征和时频特性,为故障诊断提供基础。进一步,程序采用**自回归(AR)模型分离离散信号,优化模型阶数并计算残差信号,结合解调带宽选择和包络分析(Hilbert变换),实现故障特征的增强与提取。此外,程序还对凯斯西储大学(CWRU)和韩国航空航天大学(KAU)**的轴承内圈故障实验数据进行了验证分析,展示了其在实际故障诊断中的有效性。该程序为轴承故障信号的仿真与分析提供了一种系统化的方法,为故障诊断技术的研究和应用奠定了理论基础。

2.故障信号仿真

Matlab仿真轴承的内圈故障信号,包括:

(1) 生成故障信号、共振信号和调制信号

(2) 添加噪声和离散信号

(3) 保存模拟的振动信号和时间向量

(4) 对各信号进行快速傅里叶变换,故障信号的频谱、共振信号的频谱、调制信号的频谱、离散信号的频谱、噪声信号的频谱

(5) 提取特定频率对应的未归一化幅值

(6) 计算短时傅里叶变换

(7) 绘制信号和频谱图、绘制原始信号的3D图

具体生成的仿真信号如下图所示。

图1. 轴承内圈仿真信号

2.轴承仿真信号故障分析

  • 加载数据文件 'Simulation.mat'
  • 离散信号分离 (AR 模型)
  • 遍历 AR 模型阶数以找到最优阶数
  • 残差信号计算
  • 解调带宽选择
  • 对不同窗口长度执行短时傅里叶变换 (STFT)
  • 绘制 STFT 和频谱峰度结果
  • 生成 3D STFT 图形
  • 带通滤波器设计
  • 包络分析,使用 Hilbert 变换计算解析信号,计算信号的包络
  • 去除直流偏移并进一步转换为零均值信号
  • 包络信号减去均值以去除直流分量

具体的分析过程与结果如下:

图2. 轴承仿真信号故障分析结果

3.CWRU轴承内圈故障诊断

图3. CWRU轴承内圈故障分析结果

4.韩国航空航天大学轴承故障诊断

图4. 韩国航空航天大学轴承故障分析结果

5.程序文件

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