[發明專利]一種基于復合Q因子基算法的軸承故障診斷方法

有效

• 申請號: 201210515071.6
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN102998119A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 崔玲麗;莫代一;鄔娜;王婧;吳春光
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01M13/04
• 分類號: G01M13/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種軸承故障診斷方法，特別涉及一種基于復合Q因子基算法的軸承故障診斷方法。

背景技術

軸承是旋轉機械設備的重要組成部件，對其運轉狀態的檢測和故障診斷具有很重要的意義。軸承的故障振動信號是一類典型的非平穩信號，較平穩信號而言，其分布參數或者分布規律隨時間發生變化，工程實際中所接觸的信號往往也是非平穩信號，所以此類信號的研究對于工程應用具有極其重要的意義。

在傳統的對信號進行分析的方法中，基本上都是基于頻率不同對信號進行分析，例如經典的小波變換，Hilbert-Huang變換等，然而對于復雜的非平穩信號而言，其是由持續振蕩成分(高共振成分)和非持續振蕩的瞬態成分(低共振成分)混合而成的。圖1說明了信號共振的概念(其中，Q因子定義為中心頻率f_c和它帶寬的比值，即Q=f_c/BW)，脈沖1(高頻信號)和脈沖3(低頻信號)只包含一個周期的正弦波，我們將它們定義為低共振信號(Q因子值為1.15)，因為它們沒有表現持續振蕩的狀態，脈沖2(高頻信號)和脈沖4(低頻信號)包含五個周期的正弦波(Q因子值為4.6)，我們將它們定義為高共振信號，因為它們表現持續振蕩的狀態。即高共振信號既可以是高頻信號，也可以是低頻信號；低共振成分既可以是低頻信號，也可以是高頻信號，二者的區別不在于頻率的不同，而在于它們的持續振蕩程度的不同。

軸承故障振動信號結構成分復雜，且具有大量噪聲和瞬態特征，屬于上述的非平穩信號，其高共振成分和低共振成分存在頻率重疊，利用基于頻率不同的算法往往難以實現不同結構成分分離，進而提取故障特征。

發明內容

為了解決傳統的基于頻率的信號分析方法在軸承故障診斷中的上述技術問題，本發明提供了一種基于復合Q因子基的軸承故障診斷方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案包括利用Matlab編程構造合適的復合Q因子基、對軸承故障非平穩信號進行基于復合Q因子基的稀疏分解、提取故障沖擊分量信號、解調得到故障特征等步驟。

其中分解算法包括以下步驟：

（1）根據待分析信號的結構特點自適應地構造復合Q因子基；

（2）將原始信號x(t)在復合Q因子基上進行分解；

（3）利用相應的Q因子基提取出故障沖擊信號成分。

（4）對提取出的故障沖擊信號成分進行解調分析得到故障特征。

軸承振動信號主要由軸承的旋轉運動引起，故障軸承振動信號中還會出現沖擊和瞬態振動特征，其由高共振成分(軸承正常部分旋轉引起的隨機振動及強噪聲)和低共振成分(故障沖擊成分)組成，針對此特點，選擇由高Q因子基及低Q因子基組成復合Q因子基，利用高Q因子基匹配出其高共振成分，利用低Q因子基匹配出其低共振成分。

有效表示高共振成分和低共振成分需要構造兩組合適的基，高共振成分的有效表示需要一組全是包含高Q因子的基函數，這樣的基可以通過對單個高Q因子的脈沖進行平移和時間尺度變換得到，在這組基中，所有的基函數的Q因子都相同，類似地，低共振成分的有效表示需要一組全是包含低Q因子的基函數。即為了對軸承故障非平穩信號進行有效的分析，需要構造一組能夠有效匹配其持續振蕩成分(高共振成分)的高Q因子基和一組能夠匹配其非持續振蕩的瞬態成分(低共振成分)的低Q因子基。本發明中我們利用復合Q因子的小波變換產生相應的高Q因子基及低Q因子基。

利用復合Q因子的小波變換設計構造相應的高Q因子基及低Q因子基。復合Q因子的小波變換利用一系列兩通道濾波庫，一個高共振成分濾波庫，一個低共振成分濾波庫，通過Matlab編程實現濾波庫的構造；對非平穩信號進行處理，其中Q=?(2-β)/β，r=β/（1-α），α，β分別是低通濾波庫和高通濾波庫的尺度參數，r是濾波庫的冗余度系數；

選取調整濾波器的尺度參數α，β，其中α取值范圍為0-1，β取值范圍為0-1，使得匹配提取出的低共振沖擊成分的峭度指標和脈沖指標最大，從而設計構造出相應的高Q因子基及低Q因子基，匹配提取出非平穩信號的高共振成分和低共振成分。