一種滾動軸承的故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種滾動軸承的故障診斷方法，包括如下步驟：S1、計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率；S2、獲取滾動軸承的待檢測加速度信號；S3、對待檢測加速度信號進(jìn)行希爾伯特變換，計(jì)算得到希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號；S4、對希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振處理，得到載波頻率和輸出信號；S5、對輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到輸出信號頻譜峰值，并根據(jù)載波頻率參數(shù)和輸出信號頻譜峰值得到待檢測加速度信號特征頻率；S6、將待檢測加速度信號特征頻率與故障特征頻率進(jìn)行比較，得到診斷結(jié)果。本發(fā)明能夠?qū)L動軸承的故障進(jìn)行診斷識別，特別是能夠?qū)?qiáng)噪聲背景下滾動軸承的早期故障進(jìn)行診斷識別。
【專利說明】
一種滾動軸承的故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及故障診斷領(lǐng)域。更具體地，涉及一種滾動軸承的故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾動軸承作為機(jī)械設(shè)備中重要的旋轉(zhuǎn)零件，也是機(jī)械設(shè)備的重要故障源之一，統(tǒng) 計(jì)表明：在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約有30%的機(jī)械故障是滾動軸承引起的，感應(yīng)電 機(jī)故障中的滾動軸承故障約占電機(jī)故障的40 %左右，齒輪箱各類故障中的滾動軸承故障率 僅次于齒輪而占20%。資料表明，我國現(xiàn)有的機(jī)車用滾動軸承，每年約有40%要經(jīng)過下車檢 驗(yàn)，而其中的33 %左右被更換，因此研究機(jī)車滾動軸承故障監(jiān)測和診斷，改定期維修為狀態(tài) 維修，有重要的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對機(jī)械設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù) 后，事故發(fā)生率可降低75%，維修費(fèi)用可減少25%-50%。滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 技術(shù)在了解滾動軸承的性能狀態(tài)和及早發(fā)現(xiàn)潛在故障等方面起著至關(guān)重要的作用，而且還 可以有效提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行管理水平及維修效能，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003] 滾動軸承的故障診斷在國外大概開始于20世紀(jì)60代。我國的設(shè)備故障診斷技術(shù)研 究的起步較晚，從1979年到1983年，設(shè)備故障診斷技術(shù)從初步認(rèn)識進(jìn)入到初步實(shí)踐階段，主 要是學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。對于滾動軸承的故障診斷，在國內(nèi)雖然起步較晚，在近年來 發(fā)展迅速。在幾十年的發(fā)展時(shí)間里，各種方法和技術(shù)不斷產(chǎn)生、發(fā)展和完善，應(yīng)用的領(lǐng)域不 斷擴(kuò)大，診斷的有效性不斷提高，總的來說，滾動軸承故障診斷的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)發(fā)展 階段：
[0004] 第一階段:利用通用的頻譜分析儀診斷滾動軸承故障。20世紀(jì)60年代中期，由于快 速傅立葉變換(FFT)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，故障信號的頻譜分析技術(shù)得到了很大的發(fā)展，人們 根據(jù)對滾動軸承元件有損傷時(shí)產(chǎn)生的故障信號特征頻率的計(jì)算和采用頻譜分析儀實(shí)際分 析得到的結(jié)果進(jìn)行比較來判斷滾動軸承是否存在故障。
[0005] 第二階段:利用沖擊脈沖技術(shù)診斷滾動軸承故障。在60年代末期，首先出現(xiàn)了沖擊 脈沖計(jì)，根據(jù)沖擊脈沖的最大幅值來診斷滾動軸承故障。這種方法能比較有效地檢測到滾 動軸承的早期損傷類故障。
[0006] 第三階段:利用共振解調(diào)技術(shù)診斷滾動軸承故障。共振解調(diào)技術(shù)與沖擊脈沖技術(shù) 相比，對滾動軸承早期損傷類故障更有效。共振解調(diào)技術(shù)不但能診斷出滾動軸承是否存在 故障，而且可以判斷出故障發(fā)生在哪個(gè)滾動軸承元件上，以及滾動軸承故障的大致嚴(yán)重程 度。
[0007] 第四階段:開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動軸承監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以 來，隨著微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，開發(fā)以微機(jī)為中心的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)引起了國內(nèi)外 研究者的重視。微機(jī)信號分析和故障診斷系統(tǒng)不但具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)和升 級的特點(diǎn)，而且易于推廣和應(yīng)用。
[0008] 國內(nèi)在滾動軸承故障診斷方面的研究也經(jīng)歷了和國外同樣的過程，20世紀(jì)70年代 末以前一些科研單位就開始了滾動軸承故障理論研究和小范圍內(nèi)的工程實(shí)際研究;70年代 末到80年代初主要是吸收國外先進(jìn)技術(shù);80年代初到現(xiàn)在，我國對滾動軸承診斷開展了全 方位理論研究及實(shí)踐，新的故障診斷方法得到了較大的發(fā)展和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能故 障診斷技術(shù)的發(fā)展也大大推進(jìn)了我國滾動軸承領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)生了一系列研究成果。 航天航空部608所唐德堯等人在1984年成功開發(fā)出JK8241齒輪軸承故障分析儀，該設(shè)備基 于共振解調(diào)原理，在1990年成功開發(fā)出了 JK86411自動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于輪對滾動軸承的故障 診斷，取得了良好的應(yīng)用效果。南京航空航空大學(xué)的MDS系列滾動軸承診斷系統(tǒng)、清華大學(xué) 的FS-I系統(tǒng)、南京汽輪機(jī)廠的CRAS系統(tǒng)等，也都得到了成功應(yīng)用。
[0009] 目前滾動軸承的故障診斷進(jìn)一步融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，向著診斷理念、診斷模型多元 化，診斷技術(shù)智能化發(fā)展。
[0010] 對于滾動軸承早期故障的診斷是個(gè)難題，科研人員已經(jīng)在這方面做了很多研究， 同時(shí)也應(yīng)經(jīng)取得了很多有價(jià)值的成果。在實(shí)際工程中，滾動軸承早期故障特征信號一般淹 沒在強(qiáng)噪聲中，同時(shí)傳感器獲得的振動信號一般是經(jīng)過齒輪箱調(diào)制后的振動信號，這導(dǎo)致 傳感器獲得的振動信號往往包含由軸箱高頻振動引起的高頻諧波信號。所以僅僅通過傳統(tǒng) 的傅里葉變換方法不能獲得理想的故障特診信號。幾乎所有傳統(tǒng)的信號處理方法都專注于 消噪，即減小采集信號中的噪聲。但消噪的同時(shí)會使有用信號減弱甚至被破壞。意大利學(xué)者 R.Benzi等人于1981年提出了隨機(jī)共振理論。與傳統(tǒng)消噪理論相反，隨機(jī)共振理論通過噪聲 來增強(qiáng)有用信號。
[0011] 如圖1所示，常規(guī)的隨機(jī)共振包括三個(gè)基本的組成要素：
[0012] (1)微弱的輸入信號s(t):該信號可以是各種類型的信號，如周期信號、非周期信 號、數(shù)字脈沖信號、確定性信號或隨機(jī)信號等。
[0013] (2)噪聲r(shí)(t):可以是系統(tǒng)固有的噪聲或者是外加的噪聲。噪聲信號實(shí)際上是滿 足一定統(tǒng)計(jì)特性要求的隨機(jī)信號，如白噪聲、有色噪聲、高斯噪聲或非高斯噪聲等。
[0014] (3)用于信號處理的非線性系統(tǒng)：以輸入信號與噪聲混合信號作為系統(tǒng)的輸入，經(jīng) 非線性系統(tǒng)處理以后得到輸出信號x(t)。
[0015] 具有雙勢阱性質(zhì)的朗之萬方程是典型的雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，即經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)， 隨機(jī)干擾力為高斯白噪聲時(shí)，朗之萬方程可以描述為：
[0016]
[0017]式中，s(t)為輸入信號;X代表輸出信號x(t);a、b均為大于零的實(shí)數(shù)，分別為結(jié)構(gòu) 參數(shù)；Γ (t)表示高斯分布白噪聲，δ(?：)為均值為0,方差為1的白噪聲，D為噪聲強(qiáng)度。
[0018]經(jīng)典隨機(jī)共振理論只能用于小參數(shù)信號（即信號的頻率和幅值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1的信 號），但是在實(shí)際工程中，信號的頻率和幅值往往會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。所以許多學(xué)者對大參數(shù)信號 應(yīng)用于隨機(jī)共振理論的方法進(jìn)行了研究?，F(xiàn)在有很多這方面的成果，比如歸一化尺度變換 法隨機(jī)共振(SNSR)、二次采樣法隨機(jī)共振(RFSR)、調(diào)制隨機(jī)共振(MSR)等。這些方法能夠在 一定程度上解決隨機(jī)共振理論在大參數(shù)信號上的應(yīng)用問題。但是歸一化尺度變換法隨機(jī)共 振方法、二次采樣法隨機(jī)共振方法需要非常高的采樣頻率(采樣頻率必須是目標(biāo)頻率的50 倍以上），調(diào)制隨機(jī)共振方法要求較長的數(shù)據(jù)長度。這些條件在一定程度上阻礙了隨機(jī)共振 理論在信號處理工程上的應(yīng)用。
[0019] 因此，需要提供一種適用于滾動軸承的故障診斷，特別是適用于滾動軸承的早期 故障診斷的基于標(biāo)準(zhǔn)化變換隨機(jī)共振效應(yīng)的滾動軸承的故障診斷方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明的目的在于提供一種滾動軸承的故障診斷方法，該方法基于標(biāo)準(zhǔn)化變換隨 機(jī)共振效應(yīng)，對滾動軸承的故障進(jìn)行診斷，特別是可用于對強(qiáng)噪聲背景下的滾動軸承的早 期微弱故障進(jìn)行診斷。
[0021 ]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0022] -種滾動軸承的故障診斷方法，該方法包括如下步驟：
[0023] Sl、計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率；
[0024] S2、獲取滾動軸承的待檢測加速度信號；
[0025] S3、對待檢測加速度信號進(jìn)行希爾伯特變換，計(jì)算得到希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號；
[0026] S4、對希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振處理，得到載波頻 率和輸出信號；
[0027] S5、對輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到輸出信號頻譜峰值，并根據(jù)載波頻率參 數(shù)和輸出信號頻譜峰值得到待檢測加速度信號特征頻率；
[0028] S6、將待檢測加速度信號特征頻率與故障特征頻率進(jìn)行比較，得到診斷結(jié)果。
[0029] 優(yōu)詵地，步驟Sl中計(jì)筧滾動軸承的故瞳特征頗率的公式為：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]其中，F(xiàn)ciut為滾動軸承外圈故障的特征頻率，F(xiàn)in為滾動軸承內(nèi)圈故障的特征頻率， Fb為滾動軸承滾動體故障的特征頻率，F(xiàn)。為滾動軸承保持架故障的特征頻率，fr為滾動軸承 的內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，D為滾動軸承的節(jié)徑，d為滾動軸承滾動體的直徑，β為接觸角，η為 滾動軸承滾動體的個(gè)數(shù)。
[0035] 優(yōu)選地，步驟S2進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0036] S2.1、通過軸箱上安裝的加速度信號傳感器測量得到滾動軸承的振動加速度信 號；
[0037] S2.2、對滾動軸承的振動加速度信號依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波后得到滾動軸 承的待檢測加速度信號u(t)。
[0038] 優(yōu)選地，步驟S3進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0039] S3.1、對待檢測加速度信號u(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到G(t)，公式如下：
[0040]
[0041] 其中，τ為時(shí)間參數(shù)；
[0042] S3.2、計(jì)算得到分析信號z(t)，公式如下：
[0043]
[0044] 其中，j為虛數(shù)單位；
[0045] SHi+笪徨剎鋯烚涮加逋麼佶馬u(t)的希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號I z(t) I :
[0046]
[0047] 優(yōu)選地，步驟S4進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0048] S4.1、將希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號|z(t)|作為目標(biāo)檢測信號s(t)，對目標(biāo)檢測信號 進(jìn)行頻率平移，所謂頻率平移，即對目標(biāo)檢測信號 s(t)進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制，是對目標(biāo)檢測信號的 處理，具體過程為：
[0049] 設(shè)目標(biāo)檢測信號為幅值為A且頻率為f的單一頻率余弦信號，即S(t)=AC〇S(23i ft)，設(shè)調(diào)制載波信號為Vc-cosUnfU)，使目標(biāo)檢測信號與載波信號相乘，并通過調(diào)節(jié)載波 頻率f。使f+f?！?gt; 1，得到頻率平移之后的目標(biāo)檢測信號為：
[0050] Sm(t) = A〇COs(23r(f-fc)t);
[0051] 其中，Aq = 〇.5A;
[0052] 記差頻為 Δ f = f-fc;
[0053] S4.2、對目標(biāo)檢測信號進(jìn)行頻率壓縮，即將數(shù)學(xué)變： 彳入經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系 統(tǒng)，得到的頻率壓縮處理后的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)表達(dá)式如下：
[0054]
[0055] 其中，y為輸出信號為頻率壓縮過程的輸入信號；τ為時(shí)間參數(shù);a、b均為大于 零的實(shí)數(shù)，分別為經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)；F (τ)表示高斯分布白噪聲；
[0056] S4.3、將進(jìn)行過頻率平移處理后的目標(biāo)檢測信號代入頻率壓縮處理后的雙穩(wěn)態(tài)系
統(tǒng)中，得到：
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]通過選取載波頻率參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)a使計(jì)算頻率滿足0<fr< <0.1，得到載波頻 率參數(shù)f。。
[0061] 優(yōu)選地，步驟S5進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0062] S5.1、對輸出信號y進(jìn)行快速傅里葉FFT變換，獲得信號頻譜峰值fo;
[0063] S5.2、進(jìn)行fg號恢復(fù)，得到待檢測加速度fg號特征頻率fh:
[0064] fh=fQ+fc。
[0065] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0066] 本發(fā)明所述技術(shù)方案能夠?qū)L動軸承的故障進(jìn)行診斷識別，特別是能夠?qū)?qiáng)噪聲 背景下滾動軸承的早期故障進(jìn)行診斷識別，可預(yù)防由于滾動軸承失效而導(dǎo)致的重大事故的 產(chǎn)生，能夠?qū)L動軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
【附圖說明】
[0067] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；
[0068]圖1不出隨機(jī)共振的一般結(jié)構(gòu)圖。
[0069] 圖2示出滾動軸承故障診斷過程示意圖。
[0070] 圖3示出基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0071] 為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說 明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體 描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0072] 如圖2所示，本實(shí)施例提供的滾動軸承的故障診斷方法包括如下步驟：
[0073] Sl、計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率；
[0074] S2、獲取滾動軸承的待檢測加速度信號；
[0075] S3、對待檢測加速度信號進(jìn)行希爾伯特變換，計(jì)算得到希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號； [0076] S4、對希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振處理，得到載波頻 率和輸出信號；
[0077] S5、對輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到輸出信號頻譜峰值，并根據(jù)載波頻率參 數(shù)和輸出信號頻譜峰值得到待檢測加速度信號特征頻率；
[0078] S6、將待檢測加速度信號特征頻率與故障特征頻率進(jìn)行比較，得到診斷結(jié)果。
[0079] 其中
[0080] 步驟sr計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率"的具體過程為：
[0081] 當(dāng)滾動軸承發(fā)生故障時(shí)，振動信號的特征會發(fā)生變化，這里的特征可以是振動頻 率的變化、幅值的變化、能量的變化等，而且對于不同故障類型，相應(yīng)的振動特征也是不同 的。由于振動信號便于采集和后續(xù)處理，因此振動分析是滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中 常用的最有效的方法。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過安置在滾動軸承座或外殼上的傳感器來獲得 振動加速度信號。通過對滾動軸承故障加速度信號的處理和分析，可以對滾動軸承的故障 進(jìn)行識別。
[0082] 滾動軸承在運(yùn)行過程中，當(dāng)滾動體和內(nèi)圈或外圈滾道處遇到一個(gè)局部缺陷時(shí)，通 過接觸碰撞，就有一個(gè)沖擊信號產(chǎn)生。在一定的轉(zhuǎn)速下，缺陷在不同軸承元件上，接觸點(diǎn)經(jīng) 過缺陷的頻率也有所不同，這種頻率稱為滾動軸承的故障特征頻率，它反映了滾動軸承缺 陷的發(fā)生部位。將滾動軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體及保持架故障的特征頻率分別定義為F。#、 Fin、Fb、F。，它們的值與滾動軸承的轉(zhuǎn)速、軸承零件的形狀和尺寸有關(guān)，可以由滾動軸承的運(yùn) 動關(guān)系分析得到。假定滾動軸承的外圈相對固定，內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為f r;滾動軸承的節(jié) 徑為D，滾動體的直徑為d，接觸角為β，滾動體的個(gè)數(shù)為了n，并假設(shè)滾動體與內(nèi)、外圈之間為 純滾動接觸，則滾動軸承不同元件上存在單一缺陷時(shí)振動信號特征頻率的計(jì)算公式如下：
[0083] 滾動軸承外圈故障的特征頻率為：
[0084] 滾動軸承內(nèi)圈故障的特征頻率為：
[0085] 滾動軸承滾動體故障的特征頻率）
[0086] 滾動軸承保持架故障的特征頻率）
[0087] 在流程最后一步對滾動軸承的振動信號進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)上述公式計(jì)算各元件的 故障特征頻率，當(dāng)振動信號頻譜的譜峰出現(xiàn)在故障特征頻率處時(shí)，就表示滾動軸承出現(xiàn)了 相應(yīng)的故障，根據(jù)故障程度的不同，在其倍頻處出也可能出現(xiàn)相應(yīng)的譜峰。
[0088] 步驟S2"獲取滾動軸承的待檢測加速度信號"進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0089] S2.1、通過軸箱上安裝的加速度信號傳感器測量得到滾動軸承的振動加速度信 號；
[0090] S2.2、對滾動軸承的振動加速度信號依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波后得到滾動軸 承的待檢測加速度信號u(t)。
[0091] 步驟S3"對待檢測加速度信號進(jìn)行希爾伯特變換，計(jì)算得到希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信 號"的具體過程為：
[0092] 滾動軸承的機(jī)械設(shè)備故障，一般有周期性的脈沖沖擊力，會產(chǎn)生振動信號的調(diào)制 現(xiàn)象，在頻譜上表現(xiàn)為在嚙合頻率或固有頻率兩側(cè)出現(xiàn)間隔均勻的調(diào)制邊頻帶。采用解調(diào) 分析方法，從信號中提取調(diào)制信息，分析其強(qiáng)度和頻次就可以判斷零件損傷的程度和部位， 是機(jī)械故障診斷中廣泛使用的一種分析零件損傷類故障的有效方法。
[0093]當(dāng)滾動軸承內(nèi)環(huán)的某個(gè)部位存在剝落、裂紋、壓痕、損傷等缺陷時(shí)，滾動軸承內(nèi)環(huán) 故障的特征頻率為f〇及其高次諧波頻率。由此可知:要實(shí)現(xiàn)滾動軸承內(nèi)環(huán)故障診斷，只需要 獲得滾動軸承的振動加速度信號，并對振動加速度信號進(jìn)行頻譜分析，就可以根據(jù)振動加 速度信號的頻譜特征進(jìn)行故障診斷。實(shí)際上，滾動軸承內(nèi)環(huán)發(fā)生故障時(shí)所測得的振動信號 通常是調(diào)制信號，其載波通常為高頻率的嚙合頻率，調(diào)制波為低頻率的沖擊頻率。若直接對 上述調(diào)制信號進(jìn)行頻譜分析，則獲得的頻譜圖將出現(xiàn)多條特征譜線，不利于故障的診斷和 識別。為此本實(shí)施例運(yùn)用基于希爾伯特變換的滾動軸承內(nèi)環(huán)故障診斷方法，通過希爾伯特 變換把調(diào)制信號分解成載波和調(diào)制波2部分，通過對調(diào)制波進(jìn)行頻譜分析實(shí)現(xiàn)滾動軸承故 障的診斷，有效提高了診斷結(jié)果的可靠性。
[0094] 步驟S3進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0095] S3.1、對待檢測加速度信號u(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到〇〇公式如下：
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100] 其中，j為虛數(shù)單位；
[0101] S3.3、計(jì)算得到待檢測加速度信號u(t)的希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號|z(t) I:
[0102]
[0103] 如圖3所示，步驟S4"對希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振處 理，得到載波頻率和輸出信號"進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0104] S4.1、將希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號|z(t)|作為目標(biāo)檢測信號s(t)，對目標(biāo)檢測信號 進(jìn)行頻率平移：
[0105] 設(shè)目標(biāo)檢測信號s(t)為幅值為A且頻率為f的單一頻率余弦信號，設(shè)調(diào)制載波信號 為Vc-cosUnfU)，進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制即使目標(biāo)檢測信號與載波信號相乘，BP
[0106] Sam(t) =Acos (2lTft) · COs(23Tfct)
[0107] =〇.5A cos(23i(f-fc)t)+0.5Acos(23i(f+fc)t) (9)
[0108] 由于通過調(diào)節(jié)載波頻率f。，可使f+f。> > I，這使得〇. 5A cos (2jt(f+f。））信號分量 在雙穩(wěn)態(tài)共振系統(tǒng)中被弱化。所以，頻率平移之后的目標(biāo)檢測信號為Sm(t)=A QC〇S(23i(f-fc)t)，其中 Α〇 = 0·5Α;
[0109] 記差頻為：
[0110] Af = f-fc (10)；
[0111] S4.2、對目標(biāo)檢測信號s (t)進(jìn)行頻率壓縮：
[0112] 選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)a、b，進(jìn)行頻率壓縮，是對經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振模型的處理。
[0113] 經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)如下：
[0114]
[0115] 式中，a、b均為大于零的實(shí)數(shù)，分別為結(jié)構(gòu)參數(shù)；r(t)表示高斯分布白噪聲，δ(〇 為均值為〇，方差為1的白噪聲;D為噪聲強(qiáng)度;s (t)為經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)輸入;X為經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài) 系統(tǒng)輸出；
[0116] 引入如下數(shù)學(xué)變換：
[0117]
[0118] 經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)頻率壓縮處理后得到：
[0119]
[0120] 其中，y為輸出信號，S 為頻率壓縮輸入信號，τ為時(shí)間參數(shù)。
[0121]進(jìn)行數(shù)學(xué)變換后，實(shí)為對目標(biāo)檢測信號s(t)朗之萬方程中的信號在時(shí)域上進(jìn)行了 a倍的拉伸或頻域上Ι/a倍的壓縮。由于白噪聲信號在所有頻率范圍內(nèi)為一個(gè)恒定值，所以 做上述變換并不會改變白噪聲的頻譜，所以式(13)可以寫為式(14):
[0122]
[0123] S4.3、通過雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對目標(biāo)檢測信號進(jìn)行加強(qiáng)，得到載波頻率和輸出信號：
[0124] 將進(jìn)行過頻率平移處理后的目標(biāo)檢測信號代入頻率壓縮處理后的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中， 得到：
[0125]
[0126]
[0127]
[0128] 通過頻率平移和頻率壓縮變換，目標(biāo)檢測信號的頻率由f變換為fr。通過選取適當(dāng) 載波頻率參數(shù)f。和結(jié)構(gòu)參數(shù)a，使計(jì)算頻率滿足〇<f r< <〇 . 1 (本實(shí)施例中優(yōu)選fr = 〇 . 01)， 將高頻大參數(shù)信號轉(zhuǎn)換為低頻小參數(shù)信號進(jìn)行經(jīng)典隨機(jī)共振，這個(gè)過程稱之為信號的標(biāo)準(zhǔn) 化變換隨機(jī)共振。這樣也就得到了載波頻率參數(shù)f。的取值。
[0129] 步驟S5"對輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到輸出信號頻譜峰值，并根據(jù)載波頻 率參數(shù)和輸出信號頻譜峰值得到待檢測加速度信號特征頻率"進(jìn)一步包括如下子步驟：
[0130] S5.1、對輸出信號y進(jìn)行快速傅里葉FFT變換，獲得信號頻譜峰值fo。
[0131] S5.2、進(jìn)行信號恢復(fù)，即信號后處理過程，對信號進(jìn)行逆變換以獲得待檢測加速度 信號特征頻率的過程。信號恢復(fù)方法如下：
[0132] fh=fo+fc (17)
[0133] fh即為待檢測加速度信號特征頻率。
[0134] 步驟S6"將待檢測加速度信號特征頻率與故障特征頻率進(jìn)行比較，得到診斷結(jié)果" 的具體過程為：
[0135] 將待檢測加速度信號特征頻率fh與故障特征頻率?^{。11*上{。比較，當(dāng)特征頻率 與故障特征頻率相符時(shí)說明出現(xiàn)相應(yīng)故障。
[0136] 顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可 以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā) 明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種滾動軸承的故障診斷方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： 51、 計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率； 52、 獲取滾動軸承的待檢測加速度信號； 53、 對待檢測加速度信號進(jìn)行希爾伯特變換，計(jì)算得到希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號； 54、 對希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)化變換的隨機(jī)共振處理，得到載波頻率和 輸出信號； 55、 對輸出信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到輸出信號頻譜峰值，并根據(jù)載波頻率參數(shù)和 輸出信號頻譜峰值得到待檢測加速度信號特征頻率； 56、 將待檢測加速度信號特征頻率與故障特征頻率進(jìn)行比較，得到診斷結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1中計(jì)算滾動軸承的故障特征頻率的 公式為：其中，F(xiàn)out為滾動軸承外圈故障的特征頻率，F(xiàn)in為滾動軸承內(nèi)圈故障的特征頻率，機(jī)為 滾動軸承滾動體故障的特征頻率，F(xiàn)。為滾動軸承保持架故障的特征頻率，fr為滾動軸承的內(nèi) 圈隨軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，D為滾動軸承的節(jié)徑，d為滾動軸承滾動體的直徑，β為接觸角，η為滾動 軸承滾動體的個(gè)數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2進(jìn)一步包括如下子步驟： 52.1、 通過軸箱上安裝的加速度信號傳感器測量得到滾動軸承的振動加速度信號； 52.2、 對滾動軸承的振動加速度信號依次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波后得到滾動軸承的 待檢測加速度信號u(t)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3進(jìn)一步包括如下子步驟： 53.1、 對待檢測加速度信號u(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到G(t)，公式如下： 其中，τ為時(shí)間參數(shù)；53.2、 計(jì)算得到分析信號Ζ(t)，公式如下： Z的二u〇:) +陽怕； 其中，j為虛數(shù)單位； 53.3、 計(jì)算得到待檢測加速度信號u(t)的希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號|z(t)|:5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S4進(jìn)一步包括如下子步驟： 54.1、 將希爾伯特包絡(luò)解調(diào)信號I z(t) I作為目標(biāo)檢測信號s(t)，對目標(biāo)檢測信號進(jìn)行 頻率平移，所謂頻率平移，即對目標(biāo)檢測信號s(t)進(jìn)行調(diào)幅調(diào)制，是對目標(biāo)檢測信號的處 理，具體過程為： 設(shè)目標(biāo)檢測信號為幅值為A且頻率為f的單一頻率余弦信號，即s(t)=Acos(2時(shí)t)，設(shè) 調(diào)制載波信號為Vc = C0S(2時(shí)ct)，使目標(biāo)檢測信號與載波信號相乘，并通過調(diào)節(jié)載波頻率fc 使f+f。> > 1，得到頻率平移之后的目標(biāo)檢測信號為： Sm(t) =A〇COS(化（f-fc)t); 其中，Ao = 0.5A; 記差頻為Af = f-fc; 54.2、 對目標(biāo)檢測信號進(jìn)行頻率壓縮，即將數(shù)學(xué)變換引入經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)， 得到的頻率壓縮處理后的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)表達(dá)式如下：其中，y為輸出信號;s 為頻率壓縮過程的輸入信號；τ為時(shí)間參數(shù);a、b均為大于零的 實(shí)數(shù)，分別為經(jīng)典雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)；Γ (τ)表示高斯分布白噪聲； 54.3、 將進(jìn)行過頻率平移處理后的目標(biāo)檢測信號代入頻率壓縮處理后的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng) 中，得到：通過頻率平移和平率壓縮之后，計(jì)算頻率為：通過選取載波頻率參數(shù)fc和結(jié)構(gòu)參數(shù)a使計(jì)算頻率滿足0<fr< <0.1，得到載波頻率參 數(shù)fc。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S5進(jìn)一步包括如下子步驟： 55.1、 對輸出信號y進(jìn)行快速傅里葉FFT變換，獲得信號頻譜峰值fo; 55.2、 進(jìn)行信號恢復(fù)，得到待檢測加速度信號特征頻率fh: fh = f〇+fc。
【文檔編號】G06F17/14GK105938468SQ201610397231
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】魏秀琨, 朱明 , 賈利民, 王騰騰, 張曉中, 閆冬
【申請人】北京交通大學(xué)