故障诊断对于保障机械设备安全运行具有重大意义,滚动轴承作为旋转机械中最常见的通用零部件之一,它的运行状态直接影响着整个机械系统的运转。因此,对轴承的健康状态进行检测极为重要。轴承在故障激励下的振动往往以瞬态特征的形式存在,对其进行有效提取和研究能够准确评估轴承运行状况,是轴承故障诊断的关键。目前轴承故障瞬态特征提取研究主要针对定转速等恒工况运行状态,然而实际运行环境中,变速、变载荷等变工况往往是轴承运转的常态。和平稳工况相比,轴承在非平稳工况下尤其变转速状态下所受的应力更加复杂,也更易产生故障;此外转速波动及传递路径的变化等新的因素都会导致故障信号模式发生变化,使得信号征兆与故障机理之间的映射关系变得更为复杂。因此,开展变转速工况下滚动轴承瞬态特征提取研究具有实际意义的同时也极具挑战性。在国家自然科学基金项目“稀疏框架下信号瞬态成分提取及其机械故障预示研究”(项目批准号:51375322)资助下,本论文围绕变转速工况下旋转机械关键部件——轴承的故障诊断,以其微弱故障冲击特征提取为目标,深入开展了稀疏表示框架下的变转速轴承微弱故障冲击特征提取及故障诊断的理论方法与应用研究。具体内容如下。(1)首先分析了滚动轴承故障失效形式,推算不同失效形式下的特征频率,分析不同失效形式时轴承的振动信号表征;阐述了稀疏表示的基本理论、过完备字典的常规构造方法及稀疏优化算法的求解过程。针对轴承局部故障下产生的振动冲击具有“瞬态性”和“稀疏性”本质特点进行分析,引入稀疏表示对故障轴承振动信号进行特征提取。就应用的可行性及难点进行阐述,并给出了具体研究策略。(2)稀疏表示的关键问题之一是构造过完备字典。选取和瞬态冲击内在结构相似的字典原子是过完备字典构建的关键。针对字典原子最优选取问题,本论文对变转速工况下轴承故障瞬态冲击形态进行了深入研究,根据研究所得瞬态冲击形态变化规律建立基于Laplace小波原子的过完备字典,在此基础上引入分段正交匹配追踪算法实现故障信号的稀疏表示与重构,并通过对重构信号进行阶次重采样,获取故障轴承的特征阶次实现轴承故障类型的判断。(3)在对故障稀疏重构信号阶次分析以评判故障失效位置时,需要转速计提供转速信息,转速计的安装需求增加了本文诊断方法的硬件成本及实际应用的局限性。针对诊断过程中转速信息获取问题,本文首先采用幅值累加平方策略对时频分布特征进行增强,在此基础上,提出一种基于脊线概率分布和局部波动特征的瞬时转频估计算法,用以对瞬时转频进行准确提取。该方法实现了无转速计下利用稀疏表示对轴承进行故障诊断,降低了本论文诊断方法所需的硬件成本,增强了本文方法在工程应用中的适用性。综上,本文以信号稀疏表示理论为基础,研究了变转速下轴承故障瞬态冲击响应形态,提出了基于稀疏表示的变转速轴承故障诊断方法。包括:建立数学模型分析变转速下轴承故障瞬态冲击振动形态特点;构造接近故障冲击本征的最优Laplace小波字典;引入分段正交匹配追踪算法实现故障轴承信号的稀疏表示;通过对故障轴承的稀疏重构信号阶次分析实现故障类型判断。在此基础上,针对重构信号阶次分析时的转速信息获取问题,本文进一步提出了一种新型瞬时转频估计方法,使得本文方法在只需提供振动信息的前提下即可实现变转速下轴承瞬态特征的稀疏表示及故障诊断。转频估计算法的提出降低了本文所提稀疏表示方法应用复杂度的同时也增强了方法的工程适用性,对变转速工况下轴承故障诊断具有一定的理论和实际意义。