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
