CN107665337A - 一种轴承滚动体故障增强诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承滚动体故障增强诊断方法，包括以下步骤：步骤S100：根据轴承运动关系为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出每一个滚动体的最强故障冲击；步骤S200：对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络；步骤S300：将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。能够提高轴承滚动体故障诊断的敏感性和有效性，同时减少轴承滚动体故障诊断的计算量。

Description

一种轴承滚动体故障增强诊断方法

技术领域

本发明涉及到健康监测与故障诊断领域，尤其涉及一种轴承滚动体故障增强诊断方法。

背景技术

滚动轴承故障若没有被及时发现并采取控制措施，将可能引起整个旋转机械失效。轴承的故障诊断可以为旋转机械的维修决策提供支持，预防失效。基于振动的轴承故障诊断方法，假设滚动体经过故障位置时，会造成冲击响应。在轴转速固定的情况下，故障引起的故障冲击是周期的。这些周期响应被称作滚动轴承的故障特征频率成分。滚动轴承的故障特征频率如下：

外环通过频率： （1）

内环通过频率： （2）

滚动体自转频率： （3）

其中，Z是滚动体个数，d是滚动体直径，D是节经，α是接触角，是轴的旋转频率。对于滚动体故障而言，滚动体每自转一圈，滚动体上的局部故障就会碰外环和内环各一次，生成两个脉冲。因此通常作为用来检测滚动体故障的基础频率。

滚动体故障和内环故障通常比外环故障更难检测，特别是在故障特征频率成分被噪声淹没的情况下。参见图1和图2，图1为轴承承载区示意图，图2为不同类型轴承故障的响应特征图。这里假设载荷垂直向下。外环固定，外环故障通常发生在承载区，冲击载荷没有调制。对比之下，内环和滚动体是运动部件，它们相对于承载区的位置随着转动不断地发生变化。因此，在故障点进入承载区和离开承载区时，其造成的冲击幅值会被调制。内环随轴转动，调制频率为。滚动体随保持架转动，其调制频率是保持架旋转频率。在故障大小相同的情况下，传感器能够检测到的外环故障冲击的幅值会比内环和滚动体故障冲击的幅值大。

时域同步平均法是一种广为人知的用于定轴齿轮的信号预处理方法。首先，齿轮振动信号被划分为一系列的信号段，信号段的长度等于目标频率成分对应的周期。然后对这些信号段求平均，那些频率不是目标频率整数倍的频率成分，以及噪声就会降低。同步平均信号的幅频特性表现为由一系列均匀分布的带通滤波器及他们的边带组成的梳齿滤波器。这些带通滤波器的中心频率就是轴的转频及其倍频分量，因此与转频不成整数倍关系的频率成分就会被梳齿滤波器滤掉。

时域同步平均法要求分割后的信号段必须严格时域同步，哪怕很小的相位误差也会引起很大的信息损失。因此在执行时域同步平均时，通常要使用到编码器或者转速器测量鉴相信号，然后使用鉴相信号对振动信号做角域重采样。即轴每转一周，等角度地采集整数个采样点。然后以转频为触发执行同步平均，转频的谐波分量就可以通过梳齿滤波器。定轴齿轮的故障特征频率通常是轴旋转频率的齿轮齿数倍，因此时域同步平均法可以成功的用于定轴齿轮的故障诊断。

但是，轴承的故障频率并不是轴的转频的整数倍，因此转频不能作为触发信号执行时域同步平均法。而且，由于存在转速波动和滚动体滑动，无法保证轴承的分离信号严格同步。综上，时域同步平均不能直接用于轴承的故障诊断。

因此如何能够提高轴承滚动体故障诊断的敏感性和有效性，同时减少轴承滚动体故障诊断的计算量是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

基于上述技术难题，本发明提供一种轴承滚动体故障增强诊断方法，能够提高轴承滚动体故障诊断的敏感性和有效性，同时减少轴承滚动体故障诊断的计算量。

本发明提供的一种轴承滚动体故障增强诊断方法，包括以下步骤：

步骤S100：根据轴承运动关系为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出每一个滚动体的最强故障冲击；

步骤S200：对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络；

步骤S300：将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。

优选地，所述步骤S100具体为：

步骤S101：按照滚动体通过轴承承载中心点的顺序，给依次通过承载中心点的滚动体编号为1～Z，Z为滚动体个数；

步骤S102：根据滚动体的直径d，外环滚道直径d _O，两个滚动体之间的夹角，计算滚动体自转一周在外环滚道上走过的弧长对应的中心角为，第1个滚动体的第j个自转周期的相位角，从而得到第i个滚动体的第j个自转周期的相位角；

步骤S103：基于长度为N的振动信号，针对每一个滚动体i都生成长度为J的渐进的周期相位角序列 ，将相位序列对2π取余，生成位于之间的相位序列，其中J是自转周期的个数，表示J维实向量全集；

步骤S104：在每一个滚动体取余后的相位序列中搜索满足预设条件的自转周期索引，生成每一个滚动体i的最强故障冲击序列，其中K是最强故障冲击周期的个数，表示K维自然数向量全集。

优选地，所述步骤S104中的预设条件具体为：

（7）。

优选地，根据步骤S104中所述每一个滚动体的最强故障冲击序列生成每一个滚动体的最强故障冲击矩阵具体为：

（8）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击序列，表示第i个滚动体第k个最强故障冲击周期的索引，表示振动信号序列的第个采样点，是最强故障冲击周期的取整长度，是采样频率。

优选地，所述步骤S200中每一个滚动体的最强故障冲击包络具体为：

（9）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击包络矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击序列的包络信号，即是的希尔伯特变换，表示包络信号序列的第个采样点。

优选地，所述步骤S300中所述包络总体平均信号为：

（10）

所述每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理具体为：

（11）。

该方法具有如下优点：（1）由于使用了信号分离、带通滤波、包络解调、总体平均等降噪处理技术，该方法的故障敏感性高；（2）由于用于诊断的信息是最强故障冲击的包络波形，而包络波形对相位误差不敏感，因此该方法对转速波动和滚动体滑动不敏感；（3）不需要使用转速计或光学编码器；（4）由于该方法的信号处理技术都是应用于分离后的最强故障冲击短信号，因此计算量小。由于具有这些优点，该方法可以方便地在线实现，有效性高。

附图说明

图1为轴承承载区示意图；

图2为不同类型轴承故障的响应特征图；

图3为本发明提供的第一种轴承滚动体故障增强诊断方法的流程图；

图4为本发明提供的第二种轴承滚动体故障增强诊断方法的流程图；

图5为轴承运动关系示意图；

图6为一种机械故障仿真试验平台结构示意图；

图7为在图6所属仿真实验平台上进行测试得到的一次径向振动信号及其频谱和包络谱；

图8为信号通过第二种轴承滚动体故障增强诊断方法处理结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图3，图3为本发明提供的第一种轴承滚动体故障增强诊断方法的流程图。

一种轴承滚动体故障增强诊断方法，包括以下步骤：

步骤S100：根据轴承运动关系为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出每一个滚动体的最强故障冲击，即分离出最强故障冲击短信号，作为原始最强故障冲击信号；

步骤S200：对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络；

步骤S300：将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。

故障滚动体每自转一周，将分别与外圈滚道和内圈滚道分别接触一次，引起两次故障冲击响应。当滚动体经过承载中心时，引起的故障冲击响应最强，称为最强故障冲击。基于这一特点，根据轴承运动关系，针对每一个滚动体，为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出每一个滚动体的最强故障冲击。对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络，将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。

该方法具有如下优点：（1）由于使用了信号分离、带通滤波、包络解调、总体平均等降噪处理技术，该方法的故障敏感性高；（2）由于用于诊断的信息是最强故障冲击的包络波形，而包络波形对相位误差不敏感，因此该方法对转速波动和滚动体滑动不敏感；（3）不需要使用转速计或光学编码器；（4）由于该方法的信号处理技术都是应用于分离后的最强故障冲击短信号，因此计算量小。由于具有这些优点，该方法可以方便地在线实现，有效性高。

参见图4和图5，图4为本发明提供的第二种轴承滚动体故障增强诊断方法的流程图，图5为轴承运动关系示意图。

本发明还提供一种轴承滚动体故障增强诊断方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S101：按照滚动体通过轴承承载中心点的顺序，给依次通过承载中心点的滚动体编号为1～Z，Z为滚动体个数。

步骤S102：根据滚动体的直径d，外环滚道直径，两个滚动体之间的夹角，计算滚动体自转一周在外环滚道上走过的弧长对应的中心角为，第1个滚动体的第j个自转周期的相位角，从而得到第i个滚动体的第j个自转周期的相位角。

根据图5所示轴承运动关系，滚动体以保持架旋转频率为速度绕轴公转，以频率为转速绕自身的中心自转。承载区中心点为P。根据轴承运动几何关系，相邻两个滚动体之间的夹角为，定义该夹角为滚动体分离中心角。定义第一个通过中心点的滚动体为第1个滚动体，将后续依次通过中心点P的滚动体分别定义为第2个,第3个, …,和第Z个滚动体。滚动体自转一周在外环滚道上走过的弧长为πd，其中d为滚动体直径。该段弧对应的中心角为：

（4）

其中为外环滚道直径，如图5所示，定义第1个滚动体的第1个自转周期的初始相位角为，则第1个滚动体的第j个自转周期的相位角可以表示为：

（5）

这样，第1个滚动体的前8个自转周期如图5所示。类似的，可以计算第i个滚动体的第j个自转周期的相位角为：

（6）

对于任意第i个滚动体，保持架每公转一周，滚动体都有一个自转周期穿过承载中心P。显然，在穿过承载中心P的自转周期里，滚动体承载最大，故障引起的冲击最强。因而，将这样的周期称作最强故障冲击周期。以第1个滚动体为例，如图5所示，第1个自转周期即是在第1个公转周期里的最强故障冲击周期，第7个自转周期即是在第2个公转周期里的最强故障冲击周期，以此类推。

步骤S103：基于长度为N的振动信号，针对每一个滚动体i都生成长度为J的渐进的周期相位角序列 ，将相位序列对2π取余，生成位于之间的相位序列，其中J是自转周期的个数，表示J维实向量全集；

步骤S104：在每一个滚动体取余后的相位序列中搜索满足预设条件的自转周期索引，生成每一个滚动体i的最强故障冲击索引序列，其中K是最强故障冲击周期的个数，表示K维自然数向量全集。

所述步骤S104中的预设条件具体为：

（7）

根据步骤S104中所述每一个滚动体的最强故障冲击序列生成每一个滚动体的最强故障冲击矩阵具体为：

（8）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击序列，表示第i个滚动体的第k个最强故障冲击周期的索引，表示振动信号序列的第个采样点，是最强故障冲击周期的取整长度，是采样频率。

如果忽略轴心与滚动体中心连线和故障点之间的夹角，如图5所示。第1个滚动体的初始相位是最强故障冲击提取方法中使用到的唯一一个未知变量。一旦确定，第i个滚动体的第j个自转周期的相位就可以根据式(6)~(7)确定。第1个滚动体的初始相位可以通过使用光学传感器测量保持架转速信号来确定，但是在轴承内部安装嵌入式的光学传感器在绝大多数情况下都是不可行的。但是轴承故障诊断的首要任务是确定滚动体有没有故障，而不是确定哪一个滚动体发生了故障，因此，第1个滚动体的初始相位可以设置成任意值。

步骤S200：对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络，所述每一个滚动体的最强故障冲击包络具体为：

（9）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击包络矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击包络，是最强故障冲击的希尔伯特变换，表示包络信号序列的第个采样点。

设计以固有频率为中心，频带内包含若干故障频率边带的带通滤波器，对最强故障冲击滤波，以增强故障信息特征。然后对滤波后的最强故障冲击解调，生成一个最强故障冲击包络矩阵。由于存在转速随机波动和滚动体滑动引起的相位误差，最强故障冲击并不是严格同步的，如果直接对最强故障冲击进行平均，故障冲击响应的波形会出现非常大的信息损失。因此，根据轴承运动关系为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出的最强故障冲击。针对提取的最强故障冲击的包络执行总体平均，相比于原始最强故障冲击，最强故障冲击的包络对相位误差不敏感。

步骤S300：将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。

所述包络总体平均信号为：

（10）

所述每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理具体为：

（11）。

最强故障冲击总体平均与归一化是本方法的最后一步，实现的是时域同步平均法的传统降噪思想。简单起见，将总体平均结果称作包络总体平均特征信号。为了便于比较，对包络总体平均特征信号特征做归一化处理。这样，归一化之后的有局部最小值0和全局最大值1。由于在最强故障冲击周期内，故障冲击的强度更大，故障滚动体的冲击峰值接近1，该峰值从故障滚动体到距离故障滚动体越来越远的滚动体逐渐减小。

参见图6至图8，图6为所示为一种机械故障仿真试验平台的结构示意图，图7为在图6所属仿真实验平台上进行测试得到的一次径向振动信号及其频谱和包络谱，图8为信号通过第二种轴承滚动体故障增强诊断方法处理结果。以下将进一步举例说明轴承滚动体故障增强诊断方法。

参见图6，使用从机械故障仿真测试平台上采集的实际振动信号对第二种轴承滚动体故障增强诊断方法进行验证。被测轴承(MB ER-10K)有8个滚动体。用于计算故障特征频率的几何参数包括滚动体直径inch，节经inch，接触角。滚动体自转频率，公转频率为。

图6为机械故障仿真试验平台结构示意图，带有局部滚动体故障的轴承安装在左侧轴承座上。轴上安装一个重量为5kg的惯性轮，借助惯性轮的重力提供竖直向下的径向载荷，以激发轴承故障响应。加速度传感器安装在轴承座上，用于测试径向的振动加速度信号。

图7所示为一次测试得到的径向振动信号，测试持续14秒。图7（a）为在图6所属仿真实验平台上进行测试得到的一次径向振动时域信号，图7（b）为图7（a）所述径向振动信号的频谱，图7（c）为图7（a）所述径向振动信号的包络谱。信号采样频率为25.6 kHz。由于滚动体是球形滚珠，滚动体上的故障点可能位于轴向，因此故障可能在有些自转周期内并不会接触滚道，信号中只有在部分时段才会产生故障冲击。从图7（a）所示的时域信号中可以看出，在0.7~3.8s和9.9~13.4s时段内，出现的故障冲击较大。使用信号中转频的高阶谐波分量估计得到轴的旋转频率是30.12 Hz，对应的故障频率是，故障周期是0.0083 s。保持架调制频率为。

从图7(b)所示的信号频谱中可以看出，有几个幅值较大的共振频带。带通滤波器的截止频率选定图中用红线标注的4797 Hz和5648 Hz。从图7(c)中信号的包络谱中可以看出，在故障频率及其2倍、4倍谐波分量处有峰值出现。但是由于在包络谱中有其它明显的频率分量和背景信号，可能会造成故障检测结果的不确定性。

图8所示为振动信号通过第二种轴承滚动体故障增强诊断方法的处理结果，从图中可以看出，在第1个至第8个滚动体的包络总体平均特征信号中，都有两个明显的间隔约为一个故障周期的脉冲。脉冲在第3个和第4个滚动体的包络总体平均特征信号中幅值最大，在第6个滚动体的包络总体平均特征信号中幅值最小。可以根据所有滚动体的包络总体平均特征信号中都有明显的两个冲击，明确地判断出有滚动体发生了故障。特别的，第3个和第4个号滚动体的包络总体平均特征信号中，脉冲最突出，可以确认这两个滚动体中的一个或两个发生了故障。

以上对本发明所提供的一种轴承滚动体故障增强诊断方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：根据轴承运动关系为轴承中每一个滚动体搜索最强故障冲击的索引序列，并利用所述索引序列提取出每一个滚动体的最强故障冲击；

步骤S200：对提取的每一个滚动体的最强故障冲击进行带通滤波和解调，生成每一个滚动体的最强故障冲击包络；

步骤S300：将每一个滚动体的最强故障冲击包络进行总体平均得到包络总体平均信号，并将每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理后用于诊断滚动体故障。

2.根据权利要求1所述的轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，所述步骤S100具体为：

步骤S101：按照滚动体通过轴承承载中心点的顺序，给依次通过承载中心点的滚动体编号为1～Z，Z为滚动体个数；

步骤S102：根据滚动体的直径d，外环滚道直径d _O，两个滚动体之间的夹角，计算滚动体自转一周在外环滚道上走过的弧长对应的中心角为，第1个滚动体的第j个自转周期的相位角，从而得到第i个滚动体的第j个自转周期的相位角；

步骤S103：基于长度为N的振动信号，针对每一个滚动体i都生成长度为J的渐进的周期相位角序列 ，将相位序列对2π取余，生成位于之间的相位序列，其中J是自转周期的个数，表示J维实向量全集；

步骤S104：在每一个滚动体取余后的相位序列中搜索满足预设条件的自转周期索引，生成每一个滚动体i的最强故障冲击索引序列 ，其中K是最强故障冲击周期的个数，表示K维自然数向量全集。

3.根据权利要求2所述的轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，所述步骤S104中的预设条件具体为：

（7）。

4.根据权利要求3所述的轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，根据步骤S104中所述每一个滚动体的最强故障冲击序列生成每一个滚动体的最强故障冲击矩阵具体为：

（8）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击序列，表示第i个滚动体第k个最强故障冲击周期的索引，表示振动信号序列的第个采样点，是最强故障冲击周期的取整长度，是采样频率。

5.根据权利要求4所述的轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，所述步骤S200中每一个滚动体的最强故障冲击包络具体为：

（9）

其中，是第i个滚动体的最强故障冲击包络矩阵，是第i个滚动体的第k个最强故障冲击序列的包络信号，即是的希尔伯特变换，表示包络信号序列的第个采样点。

6.根据权利要求5所述的轴承滚动体故障增强诊断方法，其特征在于，所述步骤S300中所述包络总体平均信号为：

（10）

所述每一个滚动体的包络总体平均信号进行归一化处理具体为：

（11）。