[發明專利]一種基于聲振信號融合的滾動軸承故障檢測方法

有效

• 申請號: 202010552045.5
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111678698B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 石懷濤;李陽陽;白曉天;李獻文;李思慧
• 申請（專利權）人: 沈陽建筑大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

1.一種基于聲振信號融合的滾動軸承故障檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：采集待測滾動軸承的振動信號V'和聲信號S'，并分別存儲在計算機上；采集振動信號V'的傳感器Q₁安裝在待測滾動軸承的軸承座上，采集聲信號S'的傳感器Q₂安裝在距軸承端面距離值為d的平面上，且滿足傳感器Q₂的中心點位于軸承的軸線上；

步驟2：從振動信號V'中提取一段包含N_v個連續信號點的振動信號作為待檢測振動信號V，即V＝{V[u]|u＝1,2,…,N_v}；從聲信號S'中提取一段包含N_s個連續信號點的聲信號作為待檢測聲信號S，即S＝{S[v]|v＝1,2,…,N_s}，其中N_v表示待檢測振動信號V的總信號點數，N_s表示待檢測聲信號S的總信號點數；

步驟3：針對待檢測聲信號S建立滑動矩形窗函數，并設置矩形窗的寬和移動步長，其中矩形窗的寬取值為待測滾動軸承轉動頻率的正整數倍，定義所述矩形窗包含聲信號的信號點數為N_O；

步驟4：從待檢測振動信號V的第一個信號點V[1]開始，通過移動矩形窗建立待檢測振動信號V與待檢測聲信號S的融合信號；

步驟5：利用公式(1)計算融合信號F_j的均方根值RMS(F_j)，

式中，F_j表示聲信號S_j與振動信號V_j的融合信號，F_j[i]表示融合信號F_j上的第i個信號點，N_O表示矩形窗包含的信號點數；

步驟6：利用公式(2)～公式(3)計算融合信號F_j和聲信號S_j之間的均柔值SM(F_j,S_j)，

式中，V_j[i]表示振動信號V_j上的第i個信號點，S_j[i]表示聲信號S_j上的第i個信號點，表示融合信號F_j的平均值，表示聲信號S_j的平均值；

步驟7：利用公式(4)計算出融合信號F_j的均滑值RS_j，

RS_j＝RMS(F_j)×SM(F_j,S_j) (4)

步驟8：矩形窗經過n-1次移動后，計算得到n個均滑值，統計出n個均滑值中的最大值RS_max，將RS_max所對應的融合信號稱為最優融合信號F_max；

步驟9：求取最優融合信號F_max的時域信號；

步驟10：將時域信號進行傅里葉變換，得到最優融合信號F_max的頻域信號曲線；

步驟11：利用公式(5)計算待測滾動軸承的外圈故障特征頻率f_o，利用公式(6)計算待測滾動軸承的內圈故障特征頻率f_i，利用公式(7)計算待測滾動軸承的滾動體故障特征頻率f_b，利用公式(8)計算待測滾動軸承的保持架故障特征頻率f_f，

式中，z表示待測滾動軸承上的滾動體個數，d_b表示待測滾動軸承上的滾動體直徑，D_m表示待測滾動軸承的節圓直徑，α表示待測滾動軸承的接觸角，f_r表示待測滾動軸承的轉動頻率；

步驟12：在最優融合信號F_max的頻域信號曲線上，找出最大振幅所對應的頻率值f_max，則f_max即為待測滾動軸承的故障特征頻率；當頻率值f_max滿足λ₁f_o≤f_max≤λ₂f_o時，則判斷待測滾動軸承的故障出現在外圈上，其中[λ₁f_o,λ₂f_o]表示外圈的近似故障特征頻率的取值范圍；當頻率值f_max滿足λ₁f_i≤f_max≤λ₂f_i時，則判斷待測滾動軸承的故障出現在內圈上，其中[λ₁f_i,λ₂f_i]表示內圈的近似故障特征頻率的取值范圍；當頻率值f_max滿足λ₁f_b≤f_max≤λ₂f_b時，則判斷待測滾動軸承的故障出現在滾動體上，其中[λ₁f_b,λ₂f_b]表示滾動體的近似故障特征頻率的取值范圍；當頻率值f_max滿足λ₁f_f≤f_max≤λ₂f_f時，則判斷待測滾動軸承的故障出現在保持架上，其中[λ₁f_f,λ₂f_f]表示保持架的近似故障特征頻率的取值范圍；其中λ₁取值范圍為0.9≤λ₁≤0.95，λ₂取值范圍為1.05≤λ₂≤1.1；

所述步驟4具體為：從待檢測聲信號S的第一個信號點S[1]開始，按照移動步長將矩形窗在待檢測聲信號S上進行滑動，矩形窗每移動一次需要在待檢測振動信號V上依次截取N_O的信號點，直至矩形窗移動至最后一個移動步長，定義矩形窗第j次移動后截取的N_O個信號點組成的一段振動信號為V_j，V_j＝{V_j[i]|i＝1,2,…,N_O}，V_j[i]表示振動信號V_j上的第i個信號點，定義矩形窗第j次移動后所對應的一段聲信號為S_j，S_j＝{S_j[i]|i＝1,2,…,N_O}，S_j[i]表示聲信號S_j上的第i個信號點，j＝0,1,2,…,n-1,表示不超過比值的最大正整數，N_H表示預設移動步長的信號點數，定義聲信號S_j與振動信號V_j在矩形窗第j次移動后的一段融合信號為F_j，利用公式(9)計算聲信號S_j與振動信號V_j的融合信號F_j，F_j[i]表示融合信號F_j上的第i個信號點；

F_j[i]＝V_j[i]+S_j[i] i＝1,2,…,N_O (9)。