當分析機械故障類型、故障位置以及故障嚴重程度時，就需要對滾動軸承的振動信號進行頻譜分析，即根據頻譜圖中的頻率成分以及各有關頻率成分的幅值大小對滾動軸承進行進一步地診斷。
所謂頻域分析，即是把以時間為橫坐標的時域信號通過傅立葉變換轉為以頻率為橫坐標的頻域信號，從而求得關於原時域信號頻率成分的幅值和相位信息的一種分析方法。其數學運算式為
式中 x（t）————時域信號（振動加速度、速度或位移等一切以時間∶為自變量的函數）;
X（f）——信號的頻域表示，是以頻率為自變量的函數。
對於周期信號，經過傅立葉變換後得到的幅值譜|X（f）|是離散譜，即構成信號的頻率成分是基波及其各次諧波分量。而對於非周期信號，其幅值譜|X（f）|是連續譜，即信號連續地分布在一定的頻率範圍內。應該指出，通過快速傅立葉變換（FFT）數值計算所得的頻譜都是離散譜。
在滾動軸承振動信號分析中，常用到的頻域參數有重心頻率 FC、均方頻率MSF、均方根頻率RMSF、頻率方差VF、頻率標準差RVF等，對於滾動軸承其特徵頻率峰值也可以作為特徵參數診斷故障。由於滾動軸承振動信號中常常含有大量的噪聲，直接對振動信號進行頻譜分析，故障特徵頻率成分在頻譜圖上沒有突出顯示，為了能夠在頻譜圖上凸顯故障特徵頻率，常常需要對振動信號進行降噪處理，然後再進行頻譜分析。時域同步平均法是常用的信號降噪處理方法，它可以提取有用的周期信號，抑制噪聲與其他非周期信號。下圖為307型號故障軸承振動信號頻譜圖。
轉速約為660r/min 時，正常及幾種典型故障的滾動軸承信號的時域波形和頻譜圖，如下表所示。
從時域波形中可以看出，正常滾動軸承的振動信號基本是平穩的隨機波形，當軸承各元件出現不同類型的故障時，其振動幅值有不同程度的增加，波形也有所改變，即出現一些周期性或不規則的衝擊、毛刺。同時，從幅值譜中可以發現，正常及各種故障滾動軸承振動信號的能量在頻率軸上的分布有著相似性，主要分布在低頻段100Hz以下和高頻段2000~5000Hz兩個區域內。當軸承出現故障時，其各頻段的能量有不同程度的增大，能量聚集的中心位置也發生了相應變化。
以上分析說明，試驗採集的滾動軸承正常與各種故障信號之間無論時域波形還是幅值譜都存在差異，軸承的故障信息能夠在所採集的信號中反映出來。但是由於試驗臺電機等其他部件振動的影響和信號採集過程不可避免引入的幹擾，使滾動軸承的故障信息往往被淹沒在強大的背景噪聲之中，加上正常軸承與故障軸承信號之間的差異十分微小且不夠直觀，因此進行簡單的時域波形觀察和幅值譜分析並不能準確、有效地判定軸承的運行狀態、故障部位和故障模式，需要做進一步的分析與處理。
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