基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，包括：步驟S100：軸承滾動體振動信號分離：對于每一個給定滾動體，根據(jù)滾動體的自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期，提取滾動體的分離信號；步驟S100：分離信號特征提?。河?jì)算每一個滾動體的分離信號的包絡(luò)譜特征，根據(jù)包絡(luò)譜特征值的大小確定損傷滾動體，并使用損傷滾動體特征代替原始信號的特征，用于診斷滾動體損傷。本發(fā)明具有能夠提高損傷信號的信噪比、提高對滾動體損傷的故障診斷能力的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障増強(qiáng)診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明主要涉及到健康監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域，特指采用振動信號分離和分離信號 包絡(luò)譜特征提取所進(jìn)行的軸承滾動體損傷的增強(qiáng)診斷，其主要適用于各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動軸 承的故障診斷。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾動軸承故障若沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取控制措施，將可能引起整個旋轉(zhuǎn)機(jī)械失效。 滾動軸承的故障診斷可以為維修決策提供支持，幫助預(yù)防機(jī)械失效?；谡駝拥妮S承故障 診斷方法，假設(shè)滾動體經(jīng)過損傷位置時會造成沖擊響應(yīng)，該響應(yīng)的頻率為滾動軸承的特征 故障頻率。由于損傷滾動體在進(jìn)入承載區(qū)和離開承載區(qū)時造成的沖擊幅值會被調(diào)制，因此 滾動體損傷通常比外環(huán)損傷更難檢測。
[0003] 很多種振動信號處理方法被用于故障診斷領(lǐng)域，如傅里葉變換、短時傅里葉變換、 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?、小波分析、調(diào)制邊帶雙譜等。這些方法被用于從振動信號中提取數(shù)值特征， 這些數(shù)值特征可以作為模式識別模型的輸入，用于實(shí)現(xiàn)智能故障診斷。為了增加所提取特 征的可分離性，可以使用信號預(yù)處理方法提高原始采樣振動信號的信噪比。時域同步平均 (TSA)是一種廣為人知的提高信號信噪比的信號預(yù)處理方法（參考文獻(xiàn)："S. Braun. The extraction of periodic waveforms by time domain averaging. Acta Acustica united with Acustica 32 (2) (1975) 69-77(9) /布勞恩.使用時域平均提取周期波 形.聯(lián)合聲學(xué)學(xué)報(bào)，32 (2)(1975) 69-77(9)"）。該方法將齒輪振動信號劃分為一系列信號 段，信號段長度等于目標(biāo)信號的周期的整數(shù)倍;然后通過對分離出的信號段求平均來降低 隨機(jī)噪聲。定軸齒輪的故障特征頻率通常是軸轉(zhuǎn)速的Z倍，其中Z是齒輪齒數(shù)，因此TSA可以 成功的用于定軸齒輪的故障診斷。相比之下，行星輪系的故障特征頻率通常不是軸轉(zhuǎn)頻的 整數(shù)倍，因此TSA不能直接用于行星輪系。P.D. McFadden為行星輪系提出了一種改進(jìn)的 TSA，用于分離對應(yīng)于太陽輪和行星輪的振動信號。這種改進(jìn)的TSA被稱作振動分離(參考文 獻(xiàn)："P?D? Samuel, D.J. Pines , Vibration separation and diagnostics of planetary gears, in: Proceedings of the American Helicopter Society 56th Annual Forum, Virginia Beach, Va, 2000 /塞繆爾，帕恩斯?行星輪系的振動分離與 診斷.56屆美國直升機(jī)協(xié)會年度論壇論文集，維吉尼亞州，2000"）。行星輪系振動分離方 法根據(jù)齒的通過時序，提取出對應(yīng)于給定行星輪或太陽輪旋轉(zhuǎn)一圈的信號段。軸承與行星 輪類似，內(nèi)環(huán)對應(yīng)于太陽輪，滾動體對應(yīng)于行星輪，外環(huán)對應(yīng)于齒圈。但是軸承與行星輪系 不同的是，軸承中沒有齒，無法根據(jù)嚙合時序來定位不用運(yùn)動部件對應(yīng)的信號段。
[0004] 因此，如何能夠提高損傷信號的信噪比，識別出損傷滾動體，以提高對滾動體損傷 的故障診斷能力，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供基于 分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，該方法能夠提高損傷信號的信噪 比，可以識別出損傷滾動體提高對滾動體損傷的故障診斷能力。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，步驟為： 步驟S100:軸承滾動體振動信號分離:對于每一個給定滾動體，根據(jù)滾動體的自轉(zhuǎn)周 期Asf和公轉(zhuǎn)周期A，提取滾動體的分離信號； 步驟S200:分離信號特征提取:計(jì)算每一個滾動體的分離信號的包絡(luò)譜特征，根據(jù)包 絡(luò)譜特征值的大小，確定損傷滾動體的編號，并使用損傷滾動體特征代替原始信號的特征， 用于診斷滾動體損傷。
[0007] 優(yōu)選地，所述步驟步驟S100的具體為： 步驟S101:滾動體編號:按照滾動體通過軸承承載中心的順序，給依次通過承載中心的 滾動體編號為1~Z，Z為滾動體個數(shù)； 步驟S102:搜索滾動體的自轉(zhuǎn)周期:根據(jù)滾動體的直徑C/、軸承節(jié)經(jīng)從接觸角、軸的 轉(zhuǎn)速/r，計(jì)算第i個滾動體的自轉(zhuǎn)周期Asf，確定第i個滾動體的第J自轉(zhuǎn)周期的起始時間 和長度rs; 步驟S103:提取距離承載中心最近的自轉(zhuǎn)周期:計(jì)算每個自轉(zhuǎn)周期滾動體的行程，篩選 出行程穿過承載中心的自轉(zhuǎn)周期為最近自轉(zhuǎn)周期，即最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間滿足：
其中，rR= 1/A，A為滾動體的公轉(zhuǎn)周期； 步驟S104:合成分離信號:對于每個滾動體，按照其最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間和長度截 取信號段，將最近自轉(zhuǎn)周期對應(yīng)的所有振動信號段按順序拼接起來構(gòu)造每個滾動體的分離 信號。
[0008] 優(yōu)選地，所述步驟步驟S200的具體為： 步驟S201:計(jì)算分離信號的包絡(luò)譜特征:使用Hilbert變換和FFT得到分離信號的包絡(luò) 譜，計(jì)算包絡(luò)譜在故障特征頻率2/gSP及其諧波分量處的峰值和均方根值比，其中均方根值 比定義為故障特征頻率所在頻帶的均方根值與整個包絡(luò)譜的均方根值的比值； 步驟S202:確定損傷滾動體編號：比較不同滾動體分離信號包絡(luò)譜的故障特征幅值，選 擇故障特征幅值最大的滾動體為最可能發(fā)生損傷的滾動體； 步驟S203:選擇滾動體損傷特征:用損傷滾動體的分離信號代替原始信號，用于軸承滾 動體損傷的增強(qiáng)診斷。
[0009] 本發(fā)明公布基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，該方法根 據(jù)軸承運(yùn)動學(xué)規(guī)律為每個滾動體提取信號段序列，將對應(yīng)于給定滾動體的信號段序列依次 拼接形成對應(yīng)于該滾動體的分離信號。分別從分離信號和原始信號的包絡(luò)譜中提取特征， 并通過對比分離信號的特征確定損傷滾動體的編號。用損傷滾動體的分離信號代替原始信 號，用于軸承滾動體損傷的增強(qiáng)診斷。采用振動信號分離和分離信號包絡(luò)譜特征對比分析， 優(yōu)勢在于可以識別出損傷滾動體的編號，盡管識別損傷發(fā)生在哪個滾動體上在工程中并沒 有意義，但是損傷滾動體的分離信號比原始信號的信噪比更高，對滾動體損傷更敏感，可以 增強(qiáng)對滾動體損傷的診斷能力。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明提供的一種基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方 法的流程示意圖； 圖2是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中軸承故障仿真信號的時域波形和包絡(luò)譜； 圖3是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中8個滾動體的分離信號的時域波形和包絡(luò)譜； 圖4是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中原始信號的包絡(luò)譜特征和8個滾動體的分離信號 的包絡(luò)譜特征。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0012] 如圖1所示，圖1本發(fā)明提供的一種基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增 強(qiáng)診斷方法的流程示意圖； 本發(fā)明基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，其步驟為： 步驟S100:軸承滾動體振動信號分離:對于每一個給定滾動體，根據(jù)滾動體的自轉(zhuǎn)周 期Asf和公轉(zhuǎn)周期A，提取滾動體的分離信號； 步驟S200:分離信號特征提取:計(jì)算每一個滾動體的分離信號的包絡(luò)譜特征，根據(jù)包絡(luò) 譜特征值的大小，確定損傷滾動體的編號，并使用損傷滾動體特征代替原始信號的特征，用 于診斷滾動體損傷。
[0013] 在進(jìn)一步的方案中，上述步驟步驟S100的具體為： 步驟S101:滾動體編號:按照滾動體通過軸承承載中心的順序，給依次通過承載中心的 滾動體編號為1~Z，Z為滾動體個數(shù)，通過承載中心的滾動體即為給定滾動體;步驟S102:搜 索滾動體的自轉(zhuǎn)周期:根據(jù)滾動體的直徑c/、軸承節(jié)經(jīng)從接觸角a、軸的轉(zhuǎn)速A，計(jì)算第i個 滾動體的自轉(zhuǎn)周期Asf，確定第i個滾動體的第j自轉(zhuǎn)周期的起始時間和長度r s; 步驟S103:提取距離承載中心最近的自轉(zhuǎn)周期:計(jì)算每個自轉(zhuǎn)周期滾動體的行程，篩選 出行程穿過承載中心的自轉(zhuǎn)周期為最近自轉(zhuǎn)周期，即最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間滿足：
其中，rR= 1/A，A為滾動體的公轉(zhuǎn)周期； 步驟S104:合成分離信號:對于每個滾動體，按照其最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間和長度截 取信號段，將最近自轉(zhuǎn)周期對應(yīng)的所有振動信號段按順序拼接起來構(gòu)造每個滾動體的分離 信號。
[0014] 再更進(jìn)一步的方案中，上述步驟S200的具體流程為： 步驟S201:計(jì)算分離信號的包絡(luò)譜特征:使用Hilbert變換和FFT得到分離信號的包絡(luò) 譜，計(jì)算包絡(luò)譜在故障特征頻率2/B5P.及其諧波分量處的峰值和均方根值比； 步驟S202:確定損傷滾動體編號：比較不同滾動體分離信號包絡(luò)譜的故障特征幅值，選 擇故障特征幅值最大的滾動體為最可能發(fā)生損傷的滾動體； 步驟S203:選擇滾動體損傷特征:用損傷滾動體的分離信號代替原始信號，用于軸承滾 動體損傷的增強(qiáng)診斷。
[0015] 應(yīng)用實(shí)例 參見圖2-4,圖2是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中軸承故障仿真信號的時域波形和包絡(luò) 譜，圖3是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中8個滾動體的分離信號的時域波形和包絡(luò)譜，圖4是 本發(fā)明提供的一種應(yīng)用實(shí)例中原始信號的包絡(luò)譜特征和8個滾動體的分離信號的包絡(luò)譜特 征。
[0016] 下面以滾動軸承的故障仿真信號為例來說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。選擇MB ER-10K 型號軸承為例，軸承滾動體個數(shù)8:，滾動體直徑邊=教:3:1:2S英寸，軸承節(jié)經(jīng)嚴(yán)=M19英 寸，接觸角從.二?:。本例中軸的轉(zhuǎn)速i =3職，滾動體自轉(zhuǎn)頻率麵= t賴稱s歡， 公轉(zhuǎn)頻率為X = 姐.4銀扭。仿真信號的時域波形和包絡(luò)譜如圖2所示，圖中在故 障特征頻率2/bSF及其諧波分量:#海_ v6/bSF處，峰值清晰可見。另外，在故障特征頻率及其 諧波分量兩側(cè)存在土爲(wèi)的調(diào)制頻率。
[0017] 步驟S100:軸承滾動體振動信號分離，具體步驟如下。
[0018] 步驟S101:滾動體編號:按照滾動體通過軸承承載中心的順序，給依次通過承載中 心的滾動體編號為1~8，通過承載中心的滾動體即為給定滾動體； 步驟S102:搜索滾動體的自轉(zhuǎn)周期：根據(jù)滾動體的直徑c/、軸承節(jié)經(jīng)從接觸角獲、軸的 轉(zhuǎn)速A，計(jì)算第i個滾動體的自轉(zhuǎn)周期/sw = 1.992/丨，確定第i個滾動體的第J自轉(zhuǎn)周期的起 始時間和長度rs; 步驟S103:提取距離承載中心最近的自轉(zhuǎn)周期:計(jì)算每個自轉(zhuǎn)周期滾動體的行程，篩選 出行程穿過承載中心的自轉(zhuǎn)周期為最近自轉(zhuǎn)周期，即最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間滿足：
其中，rR= 1/A，A為滾動體的公轉(zhuǎn)周期； 步驟S104:合成分離信號:對于每個滾動體，按照其最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間和長度截 取信號段，將最近自轉(zhuǎn)周期對應(yīng)的所有振動信號段按順序拼接起來構(gòu)造每個滾動體的分離 信號，得到的8個滾動體的分離信號如圖3(a)所示。
[0019] 步驟S200:分離信號特征提取，具體步驟如下。
[0020] 步驟S201:計(jì)算分離信號的包絡(luò)譜特征:使用Hilbert變換和FFT得到分離信號的 包絡(luò)譜，如圖3(b)所示，計(jì)算包絡(luò)譜在故障特征頻率2f BSF及其諧波分量處的峰值和均方根 值比，得到結(jié)果如圖4所示;對比圖3(b)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，在分離信號的包絡(luò)譜中，故障特 征頻率及其諧波分量兩側(cè)沒有調(diào)制邊頻，這是因?yàn)閷τ诮o定滾動體，它每公轉(zhuǎn)一周，只有沖 擊最大的自轉(zhuǎn)周期被保留，這等價(jià)于對信號做了解調(diào)； 步驟S202:確定損傷滾動體編號：比較不同滾動體分離信號包絡(luò)譜的故障特征幅值，從 圖4中可以看出，5號滾動體的特征值比其它滾動體的特征值都大，距離5號滾動體越遠(yuǎn)的滾 動體，其特征值就越小，因此可以判定5號滾動體為最可能發(fā)生損傷的滾動體； 步驟S203:選擇滾動體損傷特征：用5號滾動體的分離信號代替原始信號，用于軸承滾 動體損傷的增強(qiáng)診斷。
[0021] 本發(fā)明公布基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，該方法根 據(jù)軸承運(yùn)動學(xué)規(guī)律為每個滾動體提取信號段序列，將對應(yīng)于給定滾動體的信號段序列依次 拼接形成對應(yīng)于該滾動體的分離信號。分別從分離信號和原始信號的包絡(luò)譜中提取特征， 并通過對比分離信號的特征確定損傷滾動體的編號。用損傷滾動體的分離信號代替原始信 號，用于軸承滾動體損傷的增強(qiáng)診斷。采用振動信號分離和分離信號包絡(luò)譜特征對比分析， 優(yōu)勢在于可以識別出損傷滾動體的編號，盡管識別損傷發(fā)生在哪個滾動體上在工程中并沒 有意義，但是損傷滾動體的分離信號比原始信號的信噪比更高，對滾動體損傷更敏感，可以 增強(qiáng)對滾動體損傷的診斷能力。
[0022] 以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例， 凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方法，其特征在于，包括： 步驟S100:軸承滾動體振動信號分離:對于每一個給定滾動體，根據(jù)滾動體的自轉(zhuǎn)周期 Asf和公轉(zhuǎn)周期A，提取滾動體的分離信號； 步驟S200:分離信號特征提取:計(jì)算每一個滾動體的分離信號的包絡(luò)譜特征，根據(jù)包絡(luò) 譜特征值的大小，確定損傷滾動體的編號，并使用損傷滾動體特征代替原始信號的特征，用 于診斷滾動體損傷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方 法，其特征在于，所述步驟步驟S100的具體為： 步驟S101:滾動體編號：按照滾動體通過軸承承載中心的順序，給依次通過承載中心的 滾動體編號為1~Z，Z為滾動體個數(shù)； 步驟S102:搜索滾動體的自轉(zhuǎn)周期:根據(jù)滾動體的直徑C/、軸承節(jié)經(jīng)從接觸角從、軸的轉(zhuǎn) 速心，計(jì)算第i個滾動體的自轉(zhuǎn)周期Asf，確定第i個滾動體的第J自轉(zhuǎn)周期的起始時間以_；和 長度rs; 步驟S103:提取距離承載中心最近的自轉(zhuǎn)周期:計(jì)算每個自轉(zhuǎn)周期滾動體的行程，篩選 出行程穿過承載中心的自轉(zhuǎn)周期為最近自轉(zhuǎn)周期，即最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間滿足：其中，rR=i//c，Zfc為滾動體的公轉(zhuǎn)周期； 步驟S104:合成分離信號:對于每個滾動體，按照其最近自轉(zhuǎn)周期的起始時間和長度截 取信號段，將最近自轉(zhuǎn)周期對應(yīng)的所有振動信號段按順序拼接起來構(gòu)造每個滾動體的分離 信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于分離信號包絡(luò)譜特征的軸承滾動體故障增強(qiáng)診斷方 法，其特征在于，所述步驟步驟S200的具體為： 步驟S201:計(jì)算分離信號的包絡(luò)譜特征:使用Hilbert變換和FFT得到分離信號的包絡(luò) 譜，計(jì)算包絡(luò)譜在故障特征頻率其諧波分量處的峰值和均方根值比，其中均方根值 比定義為故障特征頻率所在頻帶的均方根值與整個包絡(luò)譜的均方根值的比值； 步驟S202:確定損傷滾動體編號：比較不同滾動體分離信號包絡(luò)譜的故障特征幅值，選 擇故障特征幅值最大的滾動體為最可能發(fā)生損傷的滾動體； 步驟S203:選擇滾動體損傷特征：用損傷滾動體的分離信號代替原始信號，用于軸承滾 動體損傷的增強(qiáng)診斷。
【文檔編號】G01M13/04GK106053070SQ201610495754
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】胡雷, 胡蔦慶, 張倫, 程哲, 陳凌, 何林
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)