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本书共有5章。其中，第1章阐述了轴承状态监测技术现状及其声发射故障诊断目前面临的主要技术问题；第2章详细阐述了基于声发射感知的线性调频诊断方法与处理技术；第3章针对抗干扰高频窄带的轴承损伤响应，阐述了感知轴承损伤状态的声发射传感器设计与分析方法；第4章阐述了基于动力学的动态门槛机理，提出了轴承损伤响应的指纹特征，进而提出了轴承损伤状态监测的新方法与处理技术；第5章以高速列车滚动实验平台等为实验手段，验证了轴承损伤状态声发射监测理论与方法。本书创新地提出了基于声发射检测技术的轴承损伤状态快速识别方法与实现技术，能够为高速列车智能运维提供新的技术支撑。

目    录
第1章  轴承状态监测技术研究现状	1
1.1  背景及意义	1
1.2  列车轴承状态监测技术的研究现状	3
1.2.1  基于轨边声学的轴承状态监测技术	3
1.2.2  基于温度的轴承状态监测技术	4
1.2.3  基于振动的轴承状态监测技术	6
1.3  声发射技术在轴承状态监测领域的研究现状	10
1.3.1  声发射感知技术	10
1.3.2  轴承状态声发射机理研究	12
1.3.3  轴承状态声发射感知技术	13
1.3.4  基于时域特征的分析方法	13
1.3.5  基于频域特征的分析方法	14
1.3.6  基于智能诊断与预测的分析方法	15
1.4  基于声发射的高速列车轴承状态监测面临的挑战	16
第2章  轴承损伤声发射与振动响应	18
2.1  引言	18
2.2  基于反卷积和线性调频的轴承损伤诊断方法	18
2.2.1  最大二阶循环平稳盲反卷积	18
2.2.2  基于Z变换的线性调频解调	20
2.2.3  解卷积和线性调频相融合的诊断算法	22
2.3  基于损伤诊断算法仿真与实验比对的分析	24
2.3.1  诊断算法仿真分析	24
2.3.2  高速列车轴箱轴承振动与声发射比对实验	28
2.3.3  振动与声发射响应的损伤诊断比对与验证	31
2.4  小结	45
第3章  轴承损伤响应声发射传感技术	47
3.1  引言	47
3.2  声发射传感器结构及其模型分析	47
3.2.1  声发射传感器微机电系统结构	47
3.2.2  声发射传感器PZT参数分析模型	49
3.2.3  传感器PZT的机电耦合模型与特性分析	53
3.2.4  声发射传感器匹配层参数模型与特性分析	56
3.3  声发射传感器系统数值模拟与性能分析	60
3.3.1  声发射传感器有限元建模方法	60
3.3.2  声发射传感器PZT结构有限元分析	62
3.3.3  声发射传感器的声学特性	63
3.4  声发射传感器实验研究及性能分析	68
3.4.1  匹配层模拟实验研究与验证	68
3.4.2  声发射传感器的综合性能评价指标	71
3.4.3  轴承损伤的声发射响应实验研究	73
3.5  小结	77
第4章  基于轴承损伤状态动态门槛机理的指纹特征方法	79
4.1  引言	79
4.2  轴承损伤的声发射指纹特征概念	79
4.2.1  声发射撞击特征参数	79
4.2.2  基于撞击特征的指纹特征	80
4.3  基于动力学的动态门槛机理	83
4.3.1  损伤轴承的运动学模型	83
4.3.2  轴承损伤接触模型与冲击力分析	84
4.3.3  动态阈值特征模型	90
4.4  动态门槛机理实验研究与验证	91
4.4.1  恒速条件的实验分析与验证	94
4.4.2  变速条件的实验分析与验证	99
4.4.3  高速列车滚动实验实验条件分析与验证	100
4.5  小结	101
第5章  高速列车轴箱轴承状态声发射监测技术	103
5.1  引言	103
5.2  高速列车滚动实验平台及测试轴承	103
5.2.1  高速列车滚动实验平台	103
5.2.2  测试轴承损伤状态及动态门槛	105
5.3  指纹特征优化方法	108
5.3.1  聚类显著性指标及其性能验证	108
5.3.2  自适应最优动态阈值法及指纹特征优化功能	113
5.3.3  基于聚类显著性的定量判断	117
5.4  轴承损伤的撞击统计谱	119
5.4.1  动态撞击统计谱概念	119
5.4.2  基于故障撞击统计谱的轴承损伤识别方法	121
5.5  小结	124
参考文献	126

前  言
轴承作为机械设备中传动系统的关键部件之一，由于长时间受到复杂交变载荷作用，容易出现疲劳损伤（如点蚀、裂纹、烧灼等）。目前，基于动力学轴承故障损伤检测方法，损伤响应与动力学信号相比具有高带宽小幅特点，故障诊断的核心先进调制解调技术仅能识别故障类型，难以实现对轴承故障损伤状态的评估。声发射技术已经成为轴承损伤状态监测及定量化的有效技术之一。因此，轴承损伤状态声发射监测理论的研究具有重要的现实意义和工业应用价值。
笔者及其研究团队紧密围绕机械工程领域发展方向，尤其是轨道交通装备健康状态监测重大需求，重点解决机械装备关键结构部件运行状态安全监测的共性关键技术问题，在国际工业技术顶级期刊Mechanical Systems and Signal Processing中，以连载形式进行基于声发射感知技术的高速列车轴承故障诊断与预测的理论性系统成果论述，从损伤源激励与声发射响应之间的系统角度，重点研究轴承损伤激励机理与高频窄带传感技术，阐述声发射指纹特征及其撞击统计谱的概念，可为基于声发射的高速列车轴承损伤状态监测提供较为全面的解决方案。
本书强调理论联系实际，具有很强的实用性，不仅适合从事声发射轴承故障诊断技术相关的技术研究、系统研发工程技术人员阅读，而且可作为高等院校、科研机构相关专业师生、科研人员的教学与参考。本书共有个5个章节。其中，第1章阐述了轴承状态监测技术现状及其声发射故障诊断目前面临的主要技术问题；第2章详细阐述了基于声发射感知的线性调频诊断方法与处理技术；第3章针对抗干扰高频窄带的轴承损伤响应，阐述了感知轴承损伤状态的声发射传感器设计与分析方法；第4章阐述了基于动力学的动态门槛机理，提出了轴承损伤响应的指纹特征，进而提出了轴承损伤状态监测的新方法与处理技术；第5章以高速列车滚动实验平台等为实验手段，验证了轴承损伤状态声发射监测理论与方法。本书创新地提出了基于声发射检测技术的轴承损伤状态快速识别方法与实现技术，能够为高速列车智能运维提供新的技术支撑。
本书的出版得到北京物声科技有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司的大力支持，在此表示衷心的感谢。

著者   
2024年8月

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轴承损伤状态声发射监测理论及其高速列车应用