[發明專利]基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障診斷系統及診斷方法

有效

• 申請號: 201910567030.3
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN110160791B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 鞏曉赟;井云飛;杜文遼;王宏超;王輝;吳超
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業學院
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045;G06K9/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 謝萍

1.一種基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障的診斷方法，其特征在于：基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障診斷系統包括小波-譜峭度分析模塊，所述小波-譜峭度分析模塊包括信號輸入單元、參數設置單元、小波或小波包分解單元、譜峭度分析單元、濾波單元、Hilbert包絡解調分析單元、顯示單元；所述信號輸入單元，用于采集待測電機的振動信號；所述參數設置單元，用于對小波或小波包分解單元和/或譜峭度分析單元進行參數設定；所述小波或小波包分解單元，用于對輸入的信號進行分解并在顯示單元上顯示；所述譜峭度分析單元，用于對分解后的信號進行譜峭度分析并在顯示單元上顯示；所述濾波單元，用于對譜峭度分析后的信號進行濾波；所述Hilbert包絡解調分析單元，用于對濾波后的信號進行包絡分析得到故障類型和位置；

診斷方法的步驟為：

S1，采集在恒定轉速下的電機振動信號；

S2，對采集的電機振動信號進行小波分解或小波包分解，得到一組按照頻率由高到低順序排列的子頻帶；

S3，計算各個子頻帶的時域峭度值，并根據峭度最大原則，篩選細節分量；

具體步驟為：S3.1，計算子頻帶的時域峭度值公式為：

式中，N為采樣點數；n為1、2、3.......；x(n)為采樣數據；

S3.2，設定篩選閾值，篩選出峭度值大于篩選閾值的細節分量；

S4，對篩選后的細節分量進行譜峭度分析，并構造帶通濾波器進行信號預處理得到濾波信號；

具體步驟為：S4.1，計算每根譜線的峭度值，找到信號中的峭度值較大非平穩成分，并計算出非平穩成分所處位置的中心頻率和帶寬的大小；

S4.2，根據中心頻率與帶寬的大小，構造帶通濾波器進行信號預處理；

S5，對濾波信號進行Hilbert包絡解調分析，得到濾波信號的包絡解調頻譜；

具體步驟為：S5.1，對濾波信號進行卷積處理得到卷積信號，卷積信號作為解析信號的虛部x(t)'；

S5.2，構造解析信號，所述解析信號的實部x(t)為濾波信號，解析信號的虛部x(t)'為卷積信號；

S5.3，對解析信號提取包絡信號，公式為：

式中，a(t)為解析信號；t為時間；

S5.4，將解析信號的包絡信號進行快速傅里葉變換，得到濾波信號的包絡解調頻譜；

S6，根據步驟S5，從濾波信號的包絡解調頻譜中提取出電機軸承故障特征頻率，再與理論計算的軸承故障特征頻率進行對比分析，確定軸承故障的類型及其故障位置。

2.根據權利要求1所述的基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障的診斷方法，其特征在于：基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障診斷系統還包括時域參數分析模塊、頻譜分析模塊、Hilbert包絡解調分析模塊和譜峭度分析模塊；

所述時域參數分析模塊，用于獲得輸入的振動信號的時域參數并與設定閾值進行比對，若時域參數值超過設定閾值，則直接給出故障結果，否則選擇小波-譜峭度分析模塊、頻譜分析模塊、Hilbert包絡解調分析模塊和譜峭度分析模塊中任一進行故障分析；

所述小波-譜峭度分析模塊，用于對耦合信號進行故障識別；

所述頻譜分析模塊，用于對電機正常或異常振動信號進行補充分析，包括軸承故障特征頻率計算單元、FFT頻譜單元以及功率譜單元；

所述故障特征頻率計算單元，用于根據軸承參數計算出軸承內圈故障、外圈故障、滾動體故障以及保持架四種故障的故障特征頻率；

所述FFT頻譜單元，用于將感應電機軸承的時域信號轉化為頻域信號進行分析，實現軸承故障數據的頻譜顯示；

所述功率譜單元，用于計算并顯示電機振動信號中能量的頻率分布；

所述Hilbert包絡解調分析模塊，用于對電機軸承調制信號進行解調分析，通過利用包絡檢波和對包絡譜的分析得到振動信號的包絡譜，并根據包絡譜來識別故障；

所述譜峭度分析模塊，用于對強噪聲背景下的軸承故障振動信號進行診斷，通過計算信號譜線峭度值發現沖擊頻段，并尋找最佳窄帶中心頻率與帶寬，構造帶通濾波器進行信號預處理，對濾波后的信號獲取包絡譜，并在包絡譜中提取出故障特征頻率，然后與理論計算得到的故障頻率進行對比，確定故障類型及故障位置。

3.根據權利要求2所述的基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障的診斷方法，其特征在于：所述時域參數包括均值、峰值、有效值、峭度指標、脈沖指標。

4.根據權利要求2或3所述的基于小波-譜峭度的感應電機軸承故障的診斷方法，其特征在于，步驟如下：S1，獲取電機的振動信號；

S2，時域參數分析模塊對采集的振動信號進行處理，獲得振動信號的時域參數并與設定閾值進行比對，若時域參數值超過設定閾值，則直接給出故障結果，否則選擇故障分析模塊，對于軸承耦合故障信號選擇小波-譜峭度分析模塊，則進行步驟S3，對于電機正常或異常振動信號軸承調制信號選擇頻譜分析模塊則進行步驟S4，對于軸承調制信號選擇Hilbert包絡解調分析模塊，則進行步驟S5，對于軸承單一振動信號選擇譜峭度分析模塊，則進行步驟S6；

S3，小波-譜峭度分析模塊對接收到的振動信號進行故障診斷；

S4，頻譜分析模塊對接收到的振動信號進行故障診斷；

故障特征頻率計算單元，對接收到的振動信號根據軸承參數計算出軸承內圈故障、外圈故障、滾動體故障以及保持架四種故障的故障特征頻率；FFT頻譜單元，將接收到的時域振動信號轉化為頻域信號進行分析，并顯示軸承故障數據的頻譜，并根據在頻譜中提取處的故障特征頻率與故障特征頻率計算單元得到的不同故障的理論故障特征頻率對比分析，確定故障類型和故障位置；功率譜單元，計算并顯示接收到的振動信號中能量的頻率分布；

S5，Hilbert包絡解調分析模塊對接收到的振動信號進行故障診斷；

利用包絡檢波和對包絡譜的分析得到接收到的振動信號的包絡譜，并根據包絡譜來識別故障；

S6，譜峭度分析模塊對接收到的振動信號進行故障診斷；

通過計算接收到的振動信號的譜線峭度值發現沖擊頻段，并尋找最佳窄帶中心頻率與帶寬，構造帶通濾波器進行信號預處理，對濾波后的信號獲取包絡譜，并在包絡譜中提取出故障特征頻率，然后與理論計算得到的故障頻率進行對比，確定故障類型及故障位置。