[發明專利]基于移動設備的變轉速工況下軸承故障診斷方法

在審

• 申請號: 202111068927.5
• 申請日: 2021-09-13
• 公開（公告）號: CN113702046A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 徐曉強;李偉明;胡宏偉;王向紅;何知義
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于移動設備的變轉速工況下軸承故障診斷方法，通過移動設備揚聲器發出載波，對麥克風采集的聲音信號進行幅值解調，然后通過極大值搜索和最小二乘多項式擬合還原軸承所在旋轉軸的瞬時相位信號，進而通過譜峭度方法提取故障沖擊包絡進行階次跟蹤，最后通過包絡階次譜分析判斷軸承故障，本發明無需使用移動設備外的測試硬件，降低了測試成本，軸承故障階次與轉速無關，包絡階次譜相比傳統包絡譜更易于判斷故障的發生和類型，該方法同時適用于定轉速工況下的軸承診斷，手機程序應用的形式有利于技術推廣和現場人員的使用。

技術領域

本發明涉及機械故障診斷技術和信號處理分析技術領域，特別涉及基于移動設備的變轉速工況下軸承故障診斷方法。

背景技術

軸承是一種廣泛使用的機械零部件，其健康監測對于旋轉機械裝備的安全穩定運行十分重要。振動和噪聲分析是進行軸承故障診斷的常用手段，振動和噪聲分析一般需要借助專業的數據采集卡和傳感器硬件，對于非關鍵裝備對象，價格過于高昂。另外，大量軸承工作在變轉速工況下，變轉速工況下的軸承故障診斷還依賴于測速硬件，如光電探頭、編碼器，這更增加了測試成本。

文獻[1]中作者通過移動手機的內置麥克風對軸承的輻射噪聲進行了采集，并通過對聲信號的分析處理實現了對軸承故障的診斷，該技術一定程度上有利于軸承故障診斷技術的普及應用，但該方法只適用于恒定轉速工況，且需要預先知道軸承的轉速參數。

專利申請號為201910416881.8的專利使用移動設備實現了對旋轉軸的轉速的測量，該發明創新性地利用了移動設備的內置揚聲器進行主動發聲，同時對內置麥克風采集的聲音信號進行信號處理以實現速度的估計，但該方法只適用于定轉速工況下的轉速估計。

[1]Orman M,Rzeszucinski P,Tkaczyk A,et al.Bearing fault detectionwith the use of acoustic signals recorded by a hand-held mobile phone[C]//2015International Conference on Condition Assessment Techniques in ElectricalSystems(CATCON).IEEE,2015:252-256.

發明內容

本發明的目的在于使現場的設備檢修人員可以使用移動設備(智能手機、平板電腦)，通過提出的發明方法方便地對軸承故障進行診斷，而無需額外的專用測試硬件。利用移動設備的內置揚聲器、麥克風硬件以及計算顯示能力，通過包絡解調、最小二乘擬合、譜峭度、階次跟蹤、包絡階次譜的信號處理方法，實現對變轉速工況下軸承故障的準確診斷。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

基于移動設備的變轉速工況下軸承故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟一：將移動設備的揚聲器近距離對準測試軸承所在的旋轉軸，通過揚聲器發出設定載波頻率f_c的正弦波，同時麥克風記錄接收到的聲音信號，記為x(t)；

步驟二：構建零相移帶通濾波器，帶通濾波器的中心頻率為載波頻率f_c，帶寬為被測軸承極限轉頻的2倍，對信號x(t)進行帶通濾波，得到濾波信號x_F(t)，濾波信號x_F(t)通過希爾伯特變換得到幅值調制信號x_E(t)；

步驟三：搜索調制信號x_E(t)中的極大值點作為鍵相信號中的過零點{x_E(t₁),x_E(t₂),…,x_E(t_n)}，每經歷一次過零點則說明旋轉軸轉過了一圈，為消除零點估計誤差，通過最小二乘多項式擬合得到軸承所在旋轉軸的瞬時相位信號θ_S(t)，將信號θ_S(t)微分還可以得到軸的瞬時轉速曲線S(t)；