[發(fā)明專利]一種基于時頻切片分析的滾動軸承故障診斷方法

有效

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• 申請日: 2013-09-28
• 公開（公告）號: CN103499445A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段晨東;高鵬;張彥寧;徐先峰;高強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 長安大學(xué)
• 主分類號: G01M13/04
• 分類號: G01M13/04
• 代理公司: 西安恒泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 李婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于滾動軸承損傷故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時頻切片分析的滾動軸承故障診斷的方法。

背景技術(shù)

滾動軸承是機(jī)械設(shè)備中最常用的零件之一，它的損傷也是經(jīng)常造成設(shè)備故障停車的原因之一，因此，在設(shè)備工作過程中對其檢查和監(jiān)測非常重視，采用振動信號在線監(jiān)測是大型設(shè)備采用的方法之一。

滾動軸承由外圈、內(nèi)圈、滾動體、保持架組成，在工作過程中某一個部件出現(xiàn)損傷時，其特征頻率是已知的，因此，可以通過求取特征頻率來確定損傷部件。損傷特征頻率與滾動軸承結(jié)構(gòu)及其回轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。共振解調(diào)方法是提取損傷特征頻率的常用方法，這種方法通過對高頻振動信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，分離出與其損傷相關(guān)的特征分量，這種方法的關(guān)鍵是確定合適的帶通濾波帶寬及其中心頻率^[1，2]。在一些在線監(jiān)測系統(tǒng)中，通常采用一個事先給定的頻帶進(jìn)行信號濾波，然后再進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析。文獻(xiàn)^[3]采用一系列窗函數(shù)、以一定的帶寬對振動信號進(jìn)行短時傅立葉變換，然后在提取每個取濾波信號的包絡(luò)及其峭度，在此基礎(chǔ)上得到這些濾波信號包絡(luò)的峭度譜圖，提出了采用最大峭度確定最佳中心頻率和濾波帶寬的方法。文獻(xiàn)^[4]采用窄帶濾波的方法得到一系列頻帶的信號分量，然后，通過包絡(luò)解調(diào)分析提取各個信號分量包絡(luò)的頻譜，然后計算包絡(luò)譜幅值峭度，由包絡(luò)譜幅值峭度曲線確定最佳的中心頻率和濾波帶寬。文獻(xiàn)^[5]和文獻(xiàn)^[6]用小波包變換得到一系列等寬頻帶的信號分量，提出了基于小波包時域分量和小波包功率譜峭度圖的確定最佳中心頻率和最佳濾波帶寬方法。另外，文獻(xiàn)^[7]提出了一種峭度指標(biāo)來評價Morlet小波的時頻分解效果，用該峭度指標(biāo)最大為目標(biāo)來優(yōu)化時頻分解時Morlet小波的形狀和中心頻率，以獲得有效的、最佳的信號包絡(luò)信息。文獻(xiàn)^[8]采用最小shannon熵優(yōu)化Morlet小波形狀來選擇合適帶寬，采用奇異性分解方法來檢測周期性以選擇變換尺度確定中心頻率。

上述這些方法在應(yīng)用過程中存在以下問題：

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一個默認(rèn)的頻帶進(jìn)行包絡(luò)分析，這種方法實(shí)際應(yīng)用是并不有效，時常會出現(xiàn)誤診。這是由于通過振動傳感器獲取的信號是一種內(nèi)、外部激勵源施加于軸承、軸承座、機(jī)殼、相連的機(jī)構(gòu)等綜合響應(yīng)，其中包含了多個固有頻率振動響應(yīng)。理論上，當(dāng)固有頻率已知時，用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器把該固有振動分離出來，然后，通過包絡(luò)解調(diào)得到包含故障特征信息的包絡(luò)信號。然而，在工程應(yīng)用中，由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往無法得知各個零部件和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的固有頻率。

（2）不管是短時傅立葉變換濾波，還是采用窄帶濾波，都需要事先設(shè)置窗函數(shù)的帶寬和中心頻率，需要先驗(yàn)知識。另外，采用小波包分解的方法可以更有效地表示非平穩(wěn)特性，但其分解效果與小波基函數(shù)的選擇和分解的層數(shù)關(guān)系較大，小波基函數(shù)選擇影響分析結(jié)果。

（3）采用優(yōu)化方法提取包絡(luò)，在某些情況下會出現(xiàn)局部極值或無極值點(diǎn)的情況，影響包絡(luò)提取的有效性；另外，采用基于優(yōu)化的方法獲取信號包絡(luò)需要較多的時間。

（4）以上這些方法的重點(diǎn)是選擇濾波器的中心頻率，然后根據(jù)某種指標(biāo)選擇一個最優(yōu)的頻帶，在理論上選擇較窄的頻帶可以獲得干凈的解調(diào)信號，也就是信號僅包含所搜尋的頻率分量，但在實(shí)際工程中是不可能的。對于最優(yōu)頻帶選擇來說，原始信號帶寬越大、選擇的余地越大，帶寬擴(kuò)大，但會引入大量需要處理的數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)頻帶需要較多的運(yùn)算時間。

（5）滾動軸承振動信號是一種內(nèi)、外部激勵源施加于軸承、軸承座、機(jī)殼、相連的機(jī)構(gòu)等綜合響應(yīng)，其中包含了多個固有頻率的振動響應(yīng)，當(dāng)多種損傷同時出現(xiàn)時，它們激發(fā)這些固有頻率產(chǎn)生振動響應(yīng)的貢獻(xiàn)并非均勻，若選取一個頻帶進(jìn)行分析，則不能有效地提取所有損傷的特征頻率。

以下是申請人檢索的相關(guān)參考文獻(xiàn)：

[1]梅宏斌，滾動軸承振動監(jiān)測與診斷——理論、方法、系統(tǒng)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，1996。

[2]R.B.Randall,J.Antoni.Rolling?element?bearing?diagnostics—A?tutorial[J].Mechanical?Systems?and?Signal?Processing，2011，25:485–520。