一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法
技术领域
本发明属于旋转机械状态监测与故障诊断领域,特别涉及一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法。
背景技术
滚动轴承作为旋转机械中应用最广泛的关键零部件,其工作状态直接影响旋转机械系统的安全、运行效率及使用寿命。目前多种传统与现代的振动冲击信号处理方法被用于轴承的状态监测与故障诊断领域,如傅里叶变换、包络分析、短时傅里叶变换、经验模式分解、小波分析等。这些方法的技术路线是通过从振动冲击信号中提取轴承故障特征、建立故障模式识别模型、诊断输出报警以提供科学维修指导决策。
在实际工程应用中对于轴承的状态监测与故障诊断,通常把在轴承所在轴承座上安装的传感器的信号连接到相应仪表实现。鉴于成本及传感器可安装、可维护性的限制,不可能在轴承座上多个方向安装多个传感器,而只能在轴承的承载区对应的轴承座上安装1个传感器。旋转机械中轴承的运用状态大多是外环固定的工作状态,但也有内环固定的工作状态。因此在基于共振解调的旋转机械状态监测与故障诊断领域中,根据轴承各种故障信息的特征,存在“各周历经性故障”与“方位固定性故障”的定义:
各周历经性故障:所有相对传感器安装位置而言呈现周而复始地运动着的零件故障,例如外环固定的轴承的内环故障与滚子故障;例如内环固定的轴承的外环故障与滚子故障;各周历经性故障的共振解调信息的频域特征是存在边频谱与调制谱;
方位固定性故障:所有相对传感器安装位置而言相对固定的零件故障,例如外环固定的轴承的外环故障,例如内环固定的轴承的内环故障;方位固定性故障的共振解调信息的频域特征一般不存在边频谱与调制谱;
在经典的共振解调与包络分析方法中,在故障模式识别阶段,是通过基于轴承结构参数之理论分析所得到的轴承各零件在运转中的故障特征频率与检测得到的振动冲击信息频谱的对应关系来确认故障类型、性质等诊断结论的。但由于轴承总是存在游隙,存在径向载荷所致的承载区与非承载区,存在着转动零件的故障时而进入承载区、时而离开承载区,时而靠近传感器、时而远离传感器等客观现象,致使这类“各周历经性故障”的振动冲击信息幅度的特征呈现为大幅度地、周而复始地起伏,即呈现“深度调制”现象,在这种幅度调制故障冲击的频谱中,故障特征频谱的幅度相对没有调制时减小,致使仅仅根据特征频谱幅度进行的定量诊断往往漏诊,而调制所产生的调制谱的幅度(有时会大于故障特征频谱的幅度)则可能被误诊为故障特征频谱等于调制频谱的零件的故障。例如:实际故障为转动的内环故障;所产生的调制谱频率因为与轴承转动频率相同的、如齿轮、车轮等故障特征频谱相同,而造成齿轮、踏面的误诊及对轴承内环的漏诊。又例如:实际故障为滚子故障;所产生的调制谱频率因为与轴承保持架故障特征频谱相同,而造成保持架的误诊及对轴承滚子故障的漏诊。
为了解决上述的可能的漏诊和误诊问题,需要提出一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法,通过对共振解调信号的频谱独有的边频谱与调制谱的模式识别,实现对轴承的内环、滚子各周历经性故障或外环、滚子各周历经性故障的准确定性。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法,对于外环固定的轴承的具体实现步骤是:
步骤1a,对共振解调信号进行快速傅里叶变换,得到相应的冲击频谱;
步骤2a,根据检测对象的轴承参数计算轴承内环、滚子的故障特征频率及相应的边频频率与调制频率;
步骤3a,在步骤1a得到的冲击频谱中进行轴承内环、滚子故障的定性预判;
步骤4a,对步骤3a中定性预判为存在轴承内环、滚子故障的冲击频谱进行边频谱与调制谱识别,对预判结论完成确认或修正,防止漏诊、误诊。
进一步,所述步骤2a中,根据检测对象的轴承参数计算轴承内环、滚子的故障特征频率及相应边频频率与调制频率的方法为:
内环故障的边频频率与调制频率等于fn。
滚子故障的边频频率与调制频率等于轴承保持架碰外环的故障特征频率fBw:
式中:D0为轴承节径,d为滚动体的直径,Z为滚动体的数量,A为轴承的接触角;所述“边频频率”的涵义是:该边频谱线与其(即边频谱线)所从属故障特征谱线的频率之差的绝对值。
进一步,所述步骤3a中,对轴承内环、滚子故障定性预判的方法如下:
计算冲击频谱的所有非零频谱幅度的均值SS;
分别计算以fnei、fd、fs、fn、fBw之整倍数在冲击频谱中的、幅值大于SS的各阶频谱幅度之均值,得到Sfnei、Sfd、Sfs、Sfn、SfBw;
分别计算Sfnei/SS、Sfd/SS、Sfs/SS、Sfn/SS、SfBw/SS的值,所得结果中:
若Sfd/SS或Sfs/SS的值大于给定门限值,并且N1fd±N2fBw的幅值大于fd幅值的20%或N1fs±N2fBw的幅值大于fs幅值的20%,则表明在冲击频谱中存在轴承滚子故障特征谱线,定性预判为存在滚子故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2;
若Sfnei/SS的值大于给定门限值,并且N1fnei±N2fn的幅值大于fnei幅值的20%,则表明在冲击频谱中存在内环故障特征谱线,定性预判为存在内环故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2,
所述给定门限值的经验值大于3。
进一步,所述步骤4a中,对预判结论进行确认或修正,防止漏诊、误诊的方法如下:
对于预判结论为滚子故障的情形:若SfBw/SS的值大于给定门限值,并且SfBw大于Sfd或Sfs,则分别计算N1fBw/(N1fd±N2fBw)或N1fBw/(N1fs±N2fBw)的幅值比,如计算结果均小于2,则可确认为存在滚子故障;否则修正预判结论为存在保持架碰外环故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2;
对于预判结论为内环故障的情形:若Sfn/SS的值大于给定门限值,并且Sfn大于Sfnei,则分别计算N1fn/(N1fnei±N2fn)的幅值比,如计算结果均小于2,则可确认为存在内环故障;否则修正预判结论为存在频率特征等于fn的转轴或转轴上的齿轮故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2。
共振解调信号的获得可通过现有硬解调技术和现有软解调技术获得。如:共振解调信号可来源于机车走行部车载监测装置。所述机车走行部车载监测装置为现有装置(如北京唐智科技发展有限公司生产的机车走行部车载监测装置)。
一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法,对于内环固定的轴承的具体实现步骤是:
步骤1b,对共振解调信号进行快速傅里叶变换,得到相应的冲击频谱;
步骤2b,根据检测对象的轴承参数计算轴承外环、滚子的故障特征频率及相应的边频频率与调制频率;
步骤3b,在步骤1b得到的冲击频谱中进行轴承外环、滚子故障的定性预判;
步骤4b,对步骤3b中定性预判为存在轴承外环、滚子故障的冲击频谱进行边频谱与调制谱识别,对预判结论完成确认或修正,防止漏诊、误诊。
进一步,所述步骤2b中,根据检测对象的轴承参数计算轴承外环、滚子的故障特征频率及相应边频频率与调制频率的方法为:
外环故障的边频频率与调制频率等于fn。
滚子故障的边频频率与调制频率等于轴承保持架碰外环的故障特征频率fBn:
式中:D0为轴承节径,d为滚动体的直径,Z为滚动体的数量,A为轴承的接触角;所述“边频频率”的涵义是:该边频谱线与其(即边频谱线)所从属故障特征谱线的频率之差的绝对值;
进一步,所述步骤3b中,对轴承外环、滚子故障定性预判的方法如下:
计算冲击频谱的所有非零频谱幅度的均值SS;
分别计算以fwai、fd、fs、fn、fBn之整倍数在冲击频谱中的、幅值大于SS的各阶频谱幅度之均值,得到Sfwai、Sfd、Sfs、Sfn、SfBn;
分别计算Sfwai/SS、Sfd/SS、Sfs/SS、Sfn/SS、SfBn/SS的值,所得结果中,
若Sfd/SS或Sfs/SS的值大于给定门限值,并且N1fd±N2fBn的幅值大于fd幅值的20%或N1fs±N2fBn的幅值大于fs幅值的20%,则表明在冲击频谱中存在轴承滚子故障特征谱线,定性预判为存在滚子故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2;
若Sfwai/SS的值大于给定门限值,并且N1fwai±N2fn的幅值大于fwai幅值的20%,则表明在冲击频谱中存在外环故障特征谱线,定性预判为存在外环故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2。
所述给定门限值的经验值大于3。
进一步,所述步骤4b中,对预判结论进行确认或修正,防止漏诊、误诊的方法如下:
对于预判结论为滚子故障的情形:若SfBn/SS的值大于给定门限值,并且SfBn大于Sfd或Sfs,则分别计算N1fBn/(N1fd±N2fBn)或N1fBn/(N1fs±N2fBn)的幅值比,如计算结果均小于2,则可确认为存在滚子故障;否则修正预判结论为存在保持架碰内环故障,式中,N1=1、2、3;N2=1、2;
对于预判结论为外环故障的情形:若Sfn/SS的值大于给定门限值,并且Sfn大于Sfwai,则分别计算N1fn/(N1fwai±N2fn)的幅值比,如计算结果均小于2,则可确认为存在外环故障;否则修正预判结论为存在频率特征等于fn的转轴或转轴上的齿轮故障;式中,N1=1、2、3;N2=1、2。
共振解调信号的获得可通过现有硬解调技术和现有软解调技术获得。如:共振解调信号可来源于机车走行部车载监测装置。所述机车走行部车载监测装置为现有装置(如北京唐智科技发展有限公司生产的机车走行部车载监测装置)。
使用本发明的技术方案所产生的突出效果和优点:能有效防止外环固定轴承的内环、滚子等各周历经性故障或内环固定轴承的外环、滚子等各周历经性故障的漏诊,以及防止频率特征等于转轴频率的旋转部件故障、轴承保持架故障的漏诊、误诊。
附图说明
附图1为未实施本方法之前造成内环故障漏诊、误诊的实施例示意图;
附图2为在实施本方法之后防止内环故障漏诊、误诊的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和根据“一种防止轴承各周历经性故障漏诊、误诊的方法”所编制的自动化软件在轴承检测诊断的具体实施过程对本发明进行详细的描述。
如附图1所示,共振解调信号来源于机车走行部车载监测装置。该装置传感器安装于机车走行部轮对轴箱上,监测对象为轴箱轴承与轮对踏面。该装置使用专利《一种机械故障冲击的共振解调检测方法》(CN200910056925.7)与专利《变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法》(CN201010169783.8)的转速跟踪采样技术。以机车车辆走行部轮对旋转一圈采集200点,并且轮对旋转10.24圈所采集的数据为一个样本周期,样本长度为200×10.24=2048。所得共振解解调信号经快速傅里叶变换后得到冲击频谱,根据轴承参数计算的各故障冲击特征谱号见附图1中的“特征谱号”所示,内环的谱号的对应频率如附图1的中部所示,为37.28Hz。本实例经分解检查后所验证的实际故障为轴承内环故障。
在冲击频谱图存在明显的踏面故障特征频率与内环故障特征频率的多阶的、幅度突出的谱线,在内环故障特征频率(即所论故障特征谱线的频率)的两边还存在间距(即该谱线与其所从属内环故障特征谱线的频率之差的绝对值)为踏面故障特征频率的边频,踏面故障特征频率的谱线幅度明显要高于内环故障的特征频率谱线的幅度。在本实施例中,内环故障属于“各周历经性故障”,其边频谱频率(即该谱线与其所从属内环故障特征谱线的频率之差的绝对值)与调制谱频率为轮对旋转频率,即等于踏面故障特征频率。踏面故障特征频率的谱号为10.24,如附图1的“特征谱号”所示。
如不使用本发明所述方法,而仅仅通过特征谱线幅值的大小来进行诊断,则诊断结论如附图1所示,诊断结论误诊为“齿踏”(即齿轮或踏面)“一级报警”,而内环则没有报警,即发生例漏诊。更为严重的后果是对维修指导决策产生了误导:不是维修故障轴承,而是误修车轮踏面,不仅不能防止故障内环所可能导致的事故,而且还浪费了车轮的寿命及维修开支。
而使用本发明的实施步骤,通过采用对边频谱、调制谱的进一步识别判断方法,并将其集成到自动化软件中后,再次对样本数据进行自动诊断,诊断结论为“内环”“一级报警”,而踏面则诊断为“G”,即良好,如附图2所示。从而防止了内环故障的漏诊与踏面故障的误诊。