CN102007403A - 借助振动信号分析识别轴承损坏的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于识别一轴承(3)的轴承损坏情况的装置，所述轴承用于支承一以一旋转频率进行旋转的物体(4)，所述装置包括至少一个用于将由所述轴承(3)发出的一振动信号转换成一电信号的振动传感器(2)和一计算单元(8)，所述计算单元用于为所述振动信号的复数个窗进行一第一频率变换，以便产生复数个与所述各窗相对应的窗谱，以及用于为所述窗谱图的复数个频带进行一第二频率变换，以便产生一多频带调制频谱，因所述轴承(3)的轴承损坏而与所述旋转物体(4)的旋转频率有关的调制频率在所述多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，所述信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。

Description

借助振动信号分析识别轴承损坏的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种用于识别轴承损坏特别是滚动轴承损坏的方法和装置。
背景技术
球轴承或滚动轴承具有内圈和可进行运动的外圈，内圈和外圈被复数个滚动体隔开。内圈、外圈和滚动体(例如滚珠)之间出现最多的是滚动摩擦。由于传统滚动轴承内、外圈中的滚动体是在润滑条件经优化的硬化钢面上滑动，因此这些滚动轴承的滚动摩擦相当小。滚动轴承种类众多，例如球轴承或圆锥滚子轴承。球轴承或滚动轴承的使用寿命与轴承性能、轴承负荷及轴承保养有关。滚动轴承主要用于支承机器中的旋转物体，特别是旋转轴。滚动轴承会因磨损或机械负荷过高而损坏。例如，滚动轴承中的滚动体机械损坏。与功能完好的滚动轴承相比，机械受损的滚动轴承会产生额外的振动信号或噪声信号。传统装置即利用这一事实来识别滚动轴承有否损坏。
图1A和图1B展示的是传统方法在识别轴承损坏时的操作流程图。
先用振动传感器检测轴承产生的振动信号，并将其转换成电输入信号。接着用窄带带通滤波器对该输入信号进行滤波处理。使用者凭经验选择带通滤波器的频率下限和频率上限，并加以相应设定。随后对经带通滤波器滤波处理的窄带信号进行振幅解调。按图1A所示方式进行振幅解调时，先对经带通滤波处理的窄带信号进行整流，而后再进行低通滤波。另一种传统的振幅解调方法是先借助Hilbert变换测定经带通滤波处理的窄带信号的包络(envelop)，然后再求绝对值。下一步是对经振幅解调处理的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，以便计算调制频谱。接着由使用者或专家对获得的调制频谱进行目测鉴定，以此来确定是否存在轴承损坏情况。
但图1A和图1B所示的轴承损坏传统识别方法具有只能测定某一窄频谱带的调制频谱这一缺点，这个频谱带取决于所选带通滤波器的频率下限和频率上限。而使用者或专家是根据其在轴承损坏方面的经验来为带通滤波器设定极限频率的。如果带通滤波器的极限频率设置地不准确，就无法在生成的调制频谱中识别到可能存在的轴承损坏情况。对带通滤波器的手动设定也是建立在负责设定工作的使用者的经验基础上。这种手动设定相当耗时，而且只能由此前接受过专门培训的人员实施。如果带通滤波器的极限频率设定或阻尼设定出错，就无法识别到可能存在的轴承损坏情况。如果无法及时识别到轴承损坏情况，就有可能导致该轴承所在的整个机器发生故障。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以快速而可靠地识别轴承损坏的方法和装置。
根据本发明，这个目的通过一种具有如权利要求1所述特征的方法而达成。
本发明提供一种识别一轴承的轴承损坏情况的方法，包括下列步骤：
(a)为一振动信号的复数个窗进行第一频率变换，以便产生复数个与各窗相对应的窗谱，所述振动信号由一轴承发出，所述轴承用于支承以一旋转频率进行旋转的一物体；
(b)为所述窗谱的复数个频带进行第二频率变换，以便产生一多频带调制频谱，因轴承损坏而与所述旋转物体的旋转频率有关的调制频率在所述多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，所述信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。
根据本发明方法的一种实施方式，借助至少一个振动传感器检测所述轴承所产生的一振动信号。
根据本发明方法的一种实施方式，所述振动信号由一空气载声信号或一结构载声信号构成。
根据本发明方法的一种实施方式，所述振动信号由所述振动传感器转换成一电信号。
根据本发明方法的一种实施方式，由所述振动传感器发出的模拟电信号由一模/数转换器数字化。
根据本发明方法的一种实施方式，进行过所述第一频率变换后，求与所述各窗相对应的所述窗谱图的绝对值。
根据本发明方法的一种实施方式，对所述数字化后的信号进行带通滤波处理。
根据本发明方法的一种实施方式，所述频率变换为一FFT变换。
根据本发明方法的一种实施方式，所述频谱由一小波变换构成。
根据本发明方法的一种实施方式，对所述多频带调制频谱进行标准化处理。
根据本发明方法的一种实施方式，从所述多频带调制频谱中自动提取特征，以便对所述轴承进行分类。
本发明此外还提供一种具有如权利要求12所述特征的轴承损坏识别装置。
本发明提供一种用于识别一轴承的轴承损坏情况的装置，所述轴承用于支承以一旋转频率进行旋转的一物体，所述装置包括：
(a)至少一个用于将由所述轴承发出的一振动信号转换成一电信号的振动传感器；
(b)一计算单元，所述计算单元用于为所述振动信号的复数个窗进行第一频率变换，以便产生复数个与各窗相对应的窗谱，以及用于为所述窗谱的复数个频带进行第二频率变换，以便产生一多频带调制频谱，因所述轴承的轴承损坏而与所述旋转物体的旋转频率有关的调制频率在所述多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，所述信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。
根据本发明装置的一种实施方式，所述振动传感器是一传声器、加速度传感器、LVDT或振动计。
根据本发明装置的一种实施方式，所述轴承是一用于支承一旋转轴的滚动轴承。
根据本发明装置的一种实施方式，设有一用于显示所述多频带调制频谱的显示器。
下文将借助用于说明发明基本特征的附图对本发明轴承损坏识别方法及装置的优选实施方式进行说明。
附图说明
图1A和图1B为传统的轴承损坏识别方法的流程图；
图2为本发明轴承损坏识别装置一种可行实施方式的简图；
图3为本发明轴承损坏识别方法一种可行实施方式的流程图；
图4为实施本发明方法时所检测到的振动信号的信号图；以及
图5为实施本发明方法时所产生的多频带调制频谱图的示例。
具体实施方式
在图2所示的实施例中，本发明的轴承损坏识别装置1具有至少一个振动传感器2，这个振动传感器将轴承3发出的振动信号转换成电信号。在图2所示的实施例中，轴承3是一个滚动轴承。滚动轴承3用于支承一个以某一旋转频率转动特别是旋转的物体4。旋转物体4可以是如图2所示的旋转轴。根据一种可行实施方式，振动传感器2可直接安装在轴承3上，以便检测直接接触振动。振动传感器2可安装在包含有该轴承3的机器的外壳上。根据一种替代实施方式，振动传感器2与轴承3间隔一定距离布置，用于检测空气载声信号。振动传感器2可以是传声器、加速度传感器、LVDT或振动计。振动传感器2检测的是振动信号，特别是声学的空气载声信号或结构载声信号。这个振动信号被转换为电信号并由传输线5发送到模/数转换器6上。模/数转换器6以一采样频率将模拟电信号转换成数字信号。这个数字化信号由传输线7发送到计算单元8上。计算单元8例如由一微处理器构成。计算单元8为接收到的数字化信号的复数个窗进行第一频率变换。在此过程中为每个窗产生一个相应的窗谱和/或频谱图。第一频率变换例如是FFT变换或小波变换。求绝对值后，计算单元8为所产生的窗谱的复数个频带进行第二频率变换，以便产生多频带调制频谱。当轴承3出现轴承损坏时，与旋转物体4的旋转频率有关的调制频率在该多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，这些信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。图5展示的就是这样一个多频带调制频谱的示例。所产生的多频带调制频谱由传输线9发送到显示器10上。根据一种可行实施方式，数据处理单元8还会从所产生的多频带调制频谱中自动提取特征，以便对轴承3进行分类。例如可以设定阈值，当这些阈值被超过时，轴承3会被归到“损坏”一类。根据一种可行实施方式，当所述装置识别到轴承3损坏时，计算单元8可发出用于触发故障处理的控制信号。举例而言，计算单元8可自动断开旋转物体4的驱动装置。
图3展示的是本发明轴承损坏识别方法一种可行实施方式的流程图。振动传感器2发出的振动信号由模/数转换器6数字化，输入信号被传输给计算单元8。计算单元8对传输过来的时间信号进行加窗处理，而后在步骤S1中通过第一频率变换为每个窗计算一个相应的窗谱。这些窗优选具有一段规定的可调持续时间。作为产生频谱图或实施第一傅里叶变换的替代方案，也可采用小波变换。小波变换的优点是，小波中频谱带的时间分辨率各不相同。因此，对已解调信号的欠采样或低通滤波处理与载波频率有关，无需由使用者调节。接下来的步骤S2是为所产生的每个窗谱求绝对值。随后在步骤S3中将这个窗谱分割成复数个频带，其中，使用带通滤波器来实施这种分割处理。为经分割产生的各频带计算绝对值，这种处理相当于一次低通滤波及欠采样解调处理，其中，低通滤波器的极限频率与加窗(window)FFT的窗宽有关。为了测定调制频谱，在接下来的步骤S4中为每个频带实施第二频率变换。第二频率变换仍可以是快速傅里叶变换或小波变换。通过为所述窗谱的各个频带进行第二频率变换，可以产生如图5所示的多频带调制频谱。当轴承3出现轴承损坏时，与旋转物体4的旋转频率fRot有关的各种调制频率f0、f10、f20、f30、f40在这个多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，这些信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。这个多频带调制频谱的信号振幅表明了信号的能量或各个频率及频带的信噪比SNR。根据一种可行实施方式，进行过第二频率变换(例如FFT)后对所产生的频谱进行标准化处理。这种标准化处理可以通过用直流分量进行分割而实现，从而简化比较工作。接着用显示设备10将如图5所示的多频带调制频谱可视化。可以采用二维或三维可视化。二维显示是为各个调制频率和各个频带显示计算出来的振幅分布的等高线。
根据一种可行实施方式，先在步骤S4中为各个频带计算相应的频谱，在步骤S5中将其标准化，再在步骤S6中对这些频谱进行级联处理，以便产生多频带调制频谱。
根据本发明方法的另一实施方式，借助所产生的多频带调制频谱自动进行特征提取，以便对轴承3进行分类。举例而言，可将轴承3分为“故障”和“无故障”两类。
图4展示的是被传输给计算单元8的输入信号示例。先对这个时间信号进行加窗处理，通过第一频率变换为每个窗计算一个相应的窗谱。求绝对值后，在步骤S3中将这个窗谱分割成不同的频带，再为这些频带各进行一次频率变换。经标准化处理和级联处理后就会产生一个多频带调制频谱图。借此可同时测定复数个解调频谱来分析轴承损坏情况。本发明方法的优点是，不必再手动选择频带来分析轴承3。
本发明的方法同时对复数个频带进行分析。本发明的方法可以同时识别到轴承3显示在不同频带中的不同故障，从而可以更方便地对其进行区分。如果本发明的方法使用小波来解调，就可对所述信号的时间分割和频率相关分割进行自由规定。标准化处理使调制频谱间的比较得到简化。根据一种可行实施方式，接下来通过分类算法自动完成分类处理。
标准化处理使本发明的方法具有抗声道变化稳定性。举例而言，当在声学特性不同的空间中接收到两个相同信号时，经标准化处理的调制频谱几乎是相同的，因为不同的脉冲响应都集中在调制频谱的直流分量中。
根据本发明如图2所示的装置1的一种可行实施方式，振动传感器2、模/数转换器6和计算单元8整合在一个组件中。根据一种可行实施方式，当发生轴承损坏情况时，这种整合式振动传感器将会发出一个出错信号。

Claims (15)

1.一种识别一轴承(3)的轴承损坏情况的方法，包括下列步骤：
为一振动信号的复数个窗进行一第一频率变换，以便产生复数个与各窗相对应的窗谱，所述振动信号由一轴承(3)发出，所述轴承用于支承一物体(4)，所述物体以一旋转频率进行旋转；
为所述窗谱的复数个频带进行一第二频率变换，以便产生一多频带调制频谱，因轴承损坏而与所述旋转物体(4)的旋转频率有关的调制频率在所述多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，所述信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助至少一个振动传感器(2)检测所述轴承(3)所产生的一振动信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述振动信号由一空气载声信号或一结构载声信号构成。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述振动信号由所述振动传感器(2)转换成一电信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，由所述振动传感器(2)发出的所述模拟电信号由一模/数转换器(6)数字化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，进行过所述第一频率变换后，求与所述各窗相对应的所述窗谱的绝对值。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，对所述数字化后的信号进行带通滤波处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率变换为一FFT变换。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述频率变换为一小波变换。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述多频带调制频谱进行标准化处理。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述多频带调制频谱中自动提取特征，以便对所述轴承(3)进行分类。
12.一种用于识别一轴承(3)的轴承损坏情况的装置，所述轴承用于支承一物体(4)，所述物体以一旋转频率进行旋转，所述装置包括：
至少一个用于将由所述轴承(3)发出的一振动信号转换成一电信号的振动传感器(2)；
一计算单元(8)，所述计算单元用于为所述振动信号的复数个窗进行一第一频率变换，以便产生复数个与所述各窗相对应的窗谱，以及用于为所述窗谱的复数个频带进行一第二频率变换，以便产生一多频带调制频谱，因所述轴承(3)的轴承损坏而与所述旋转物体(4)的旋转频率有关的调制频率在所述多频带调制频谱中具有相应的信号振幅，所述信号振幅的大小表明了轴承损坏的程度。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述振动传感器(2)是一传声器、一加速度传感器、一LVDT或一振动计。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述轴承(3)是一用于支承一旋转轴的滚动轴承。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，设有一用于显示所述多频带调制频谱的显示器(10)。
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