CN109724802A - 一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法，包括：采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号进行频域内的频带划分；选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以特征指标值最大的频带作为最优频带；对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图；确定电机轴承故障类型。本公开还揭示了一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断装置，包括采集单元、频谱图评价和优选单元、故障确定单元。本公开相对现有技术能够自适应选择包含故障信息最多的频带，并进而生成优选频谱图，最大程度的凸显出故障频率的1、2倍频及更高倍频等，便于有效诊断电机轴承的早期故障。

Description

一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法

技术领域

本公开属于信号处理分析与故障诊断领域，具体涉及一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法。

背景技术

轴承故障诊断是确保电机运行安全的关键，目前电机轴承故障诊断方法非常多，在工程中应用效果好的方法主要包括包络分析方法、共振解调方法、小波分解方法、稀疏时频分析方法、循环谱方法、快速谱峭度方法等。其中，包络分析方法和共振解调方法的缺点是中心频率和频带的选择显著影响诊断效果；循环谱、小波分解方法和稀疏时频分析方法需要设置的参数过多，对于轴承早期故障的诊断有很好的效果，但是其使用复杂，频谱中主要体现了电磁干扰及转频等周期性成分，轴承故障冲击成分通常由于过于微弱，无法体现，对于电机故障诊断效果较差；快速谱峭度方法通过最大谱峭度确定最优频带与中心频率，效果好，使用简单，很适用于轴承早期故障诊断，但是当振动信号中存在噪声干扰或含有多个故障等情况下，会导致峭度最大的频带并非含有轴承故障，导致诊断失败。

此外，上述方法均过多的依赖故障诊断专业技术人员，故障诊断结果不稳定，误报率高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本公开的目的在于提供一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法，通过优选振动信号不同频带的包络频谱图，结合频谱图评价与优选算法，能够自动确定适用于提取微弱故障冲击信号的频谱图，实现微弱故障冲击的特征辨识，从而对电机轴承的微弱故障进行有效诊断。

本公开的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法，包括以下步骤：

S100：采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

S200：选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

S300：对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

优选的，步骤S100中，所述振动信号通过振动传感器获取。

优选的，步骤S100包括：

S101：对所采集的振动信号进行频带划分；

S102：对划分频带后的振动信号进行带通滤波，获得滤波后的包络频谱图。

优选的，步骤S101中，对振动信号进行频带划分，第i个频带通过下式得出：

其中，FC_i表示第i个频带的中心频率；B_w表示带宽；所有频带的总个数I为：

其中，floor表示向小取整运算；F_s表示采样频率；B_w表示带宽，W_f表示频带间距。

优选的，步骤S200中，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

优选的，步骤S300中，所述电机轴承的故障类型对应的故障频率为：

外圈故障频率：f_o＝r/60*1/2*n(1-d/D*cosα)，

内圈故障频率：f_i＝r/60*1/2*n(1+d/D*cosα)，

滚动体故障频率：f_b＝r/60*1/2*D/d*[1-(d/D)²*cos²α]，

保持架故障频率：f_c＝r/60*1/2*(1-d/D*cosα)，

其中，r表示轴承转速，单位为RPM；n表示滚珠个数；d表示滚动体直径；D表示轴承节径；α表示滚动体接触角，单位为弧度。

本公开还提供一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断装置，包括：

信号采集及处理单元，用于采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

频谱图评价和优选单元，用于选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

故障确定单元，用于对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

优选的，所述信号采集及处理单元对振动信号进行频带划分时，第i个频带通过下式得出：

其中，FC_i表示第i个频带的中心频率；B_w表示带宽；所有频带的总个数I为：

其中，floor表示向小取整运算；F_s表示采样频率；W_f表示频带间距。

优选的，所述频谱图评价和优选单元包括：

频谱图评价子单元，通过选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价；

频谱图优选子单元，选取频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

其中，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

优选的，所述故障类型包括如下任意一项：轴承外圈故障、轴承内圈故障、轴承滚动体故障和轴承保持架故障。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：本公开在故障特征提取过程中采用遍历方法以及频谱图评价优选方法以确定反应故障冲击信号的最佳频带及包络频谱，相比现有技术，本公开频带宽度恒定，而且通过提出的6个指标确定所有带宽下的最优频谱图，确保提取的信号含有清晰的故障1倍频、2倍频及更多的倍频，避免防止频带过窄及无效频率的干扰导致频谱图中无法看到故障的倍频，导致故障诊断失效。此外，本公开能有效避免不同故障冲击的干扰，提取最优频带进行频谱分析，能得到反应指定故障类型的最优频谱图，可有效的应用于电机轴承早期故障的诊断。

附图说明

图1是本公开示出的一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法流程图；

图2是本公开示出的电机轴承振动信号频带划分示意图；

图3是本公开示出的电机轴承振动信号的典型故障频谱图；

图4是本公开示出的电机轴承外圈故障的振动加速度仿真信号示意图；

图5是本公开示出的加入噪声后的电机轴承信号示意图；

图6是本公开示出的仿真的电机轴承信号的谱峭度图；

图7是本公开示出的峭度图计算得到峭度最大频段的仿真信号的频谱图；

图8(a)至图8(b)是本公开示出的仿真的轴承信号的复合频谱图及对应的指标；

图9是本公开示出的实测轴承信号示意图；

图10是本公开示出的实测轴承信号的谱峭度图；

图11是本公开示出的根据谱峭度图计算得到峭度最大频段的实测信号的频谱图；

图12(a)至图12(b)是本公开示出的实测轴承信号的复合频谱图及对应的指标。

具体实施方式

下面结合附图1至图12(b)详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参见图1，一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法，包括如下步骤：

S100：采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

该步骤中，在电机轴承附近布置振动加速度传感器及布置霍尔传感器，分别采集电机轴承的振动信号和转速信号。设定电机轴承在额定转速下运行，采集1-5秒转速平稳工况下的振动信号。设采样频率为F_s，采集时间为T，T时间内采集的振动信号的点数记为N，则有N＝T*F_s。

需要说明的是，为了保证信号采集质量，采样频率F_s需大于10KHz。

进一步需要说明的是，若T时间内通过转速信号计算的最大转速与最小转速的比值小于105％，则认为转速平稳，提取T时间内的振动信号作为有效振动数据。

信号采集完毕后，需要对所采集信号做进一步处理，具体包括如下过程：

S101：对所采集的振动信号进行频带划分；

根据奈奎斯特采样定理(采样频率必须大于被测信号频率的两倍)可知，所采集的振动信号的频率F_N<F_s/2,即所采集的振动信号的频率范围可表示为(0，F_s/2)。为了分析不同频率下的振动信号的信号特征，将振动信号的频率划分为I个频带，I的值可由下式计算得出：

其中，floor表示向小取整运算；B_w表示带宽；W_f表示频带间距。

如图2所示，I个频带中第i个频带的中心频率为FC_i＝i W_f，频率范围为

S202：对划分频带后的振动信号进行带通滤波，获得滤波后的包络频谱图。

根据第i个频带确定的频率范围对划分频带后的振动信号进行带通滤波，获得滤波后的振动信号频谱图，记为Env_i。其中，Env_i的横坐标表示为频率，记为(f₁，f₂，...，f_N}，频率分辨率为(F_s/2)/N，；纵坐标表示为幅值，记为{A₁，A₁，...，A_N}。

设定待检测的故障频率为DF_target，待检测的倍频个数为DH_num，则第j个倍频的故障频率为DF_target，j，j的取值范围为[1，DH_num]。频谱图Env_i的横坐标中与第j个倍频最接近的频率记为F_Nr(i，j)，其中，Nr(i，j)表示Env_i横坐标中与第j个倍频的故障频率DF_target，j最近的点的序号。

进一步的，为了判断第j个倍频的故障频率DF_target，j是否相对周围频率清晰易辨识，需要比对其与邻近频率的相对关系，设置用来比对相对幅值大小的邻近频率的带宽为DB_near，则带宽内的临近点个数可表示为将F_Nr(i，j)周围的临近点可表示为如下的集合：

{F_Nr(i，j)-k，F_{Nr(i，j)-k+1}，...F_Nr(i，j)，...，F_{Nr(i，j)+k-1}，F_Nr(i，j)+k}

上述临近点集合所对应频率的幅值记录为如下的集合：

M_i，j＝{A_Nr(i，j)-k，A_{Nr(i，j)-k+1}，...A_Nr(i，j)，...，A_{Nr(i，j)+k-1}，A_Nr(i，j)+k}

上述幅值集合中，将不包含第j个倍频的故障频率DF_target，j的对应的幅值A_Nr(i，j)排除在外，则有：

MO_i，j＝{A_Nr(i，j)-k，A_{Nr(i，j)-k+1}，...A_Nr(i，j)-1，A_Nr(i，j)+1...，A_{Nr(i，j)+k-1}，A_Nr(i，j)+k}

S200：选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带。

该步骤中，根据以上参数以及集合计算频谱图特征指标，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

根据上述6个特征指标对振动信号I个频带中的每个频带进行计算，选取其中特征指标值最大的频带作为最佳频带。

S300：对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

该步骤中，对上述步骤中6个特征指标最优的频带进行带通滤波，并进行包络解调运算，得到6个包络频谱图，合称复合频谱图。如果在该复合频谱图中的至少一幅频谱图中找出故障频率DF_target的N(1、2、3...)倍频，则说明该电机轴承存在相应类型的故障。其中，故障频率DF_target的计算公式如下：

其中，r表示轴承转速，单位为RPM；n表示滚珠个数；d表示滚动体直径；D表示轴承节径；α表示滚动体接触角，单位为弧度。

另一个实施例中，本公开还提供一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断装置，包括：

信号采集及处理单元，用于采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

频谱图评价和优选单元，用于选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

故障确定单元，用于对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

作为一种优选的实施方式，所述信号采集及处理单元对振动信号进行频带划分时，第i个频带通过下式得出：

其中，FC_i表示第i个频带的中心频率；B_w表示带宽；所有频带的总个数I为：

其中，floor表示向小取整运算；F_s表示采样频率；W_f表示频带间距。

作为一种优选的实施方式，所述频谱图评价和优选单元包括：

频谱图评价子单元，通过选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价；

频谱图优选子单元，选取频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

其中，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

作为一种优选的实施方式，所述故障类型包括如下任意一项：轴承外圈故障、轴承内圈故障、轴承滚动体故障和轴承保持架故障。

为了进一步理解本发明，下面通过具体实施例对现有技术和本公开技术方案进行对比说明。

一个实施例中，电机轴承外圈故障的振动加速度仿真信号如图4所示，其中转频25Hz，轴承外圈故障冲击频率83.33Hz，采样频率F_s＝10000Hz，分析频率为[0Hz,5000Hz]。

加入白噪声后，故障信号的信噪比显著降低，合成的仿真信号如图5所示，图中只能看到转频的周期性信号，轴承故障冲击信号淹没在噪声中完全不可见。

采用现有的快速谱峭度方法，计算得到的谱峭度图如图6所示，计算得到的最大峭度所在的带宽为625Hz，中心频谱为4687.5Hz。

以峭度最大的频带[4375Hz,5000Hz]对原始信号进行带通滤波，并计算包络谱，得到的频谱图如图7所示。

可以看到，故障冲击频率及其倍频不明显，诊断失败。

采用本公开的技术方案进行故障特征提取，故障频率DF_target＝83.3Hz，设定带宽B_w＝10*DF_target＝833.3Hz，频带间距为W_f＝10Hz，总共可将总分析频率范围划分为416个频带，划分的频带总数计算方法如下：

所有416个频带中，第i个频带的中心频率为FC_i＝i W_f，对应的频带范围可表示为：

按照第i个频带的范围对采集的振动信号进行带通滤波，将滤波后的信号的包络频谱图记录为Env_i。

指定检测的倍频个数DH_num＝3，第j个倍频记为DF_target，j，其中j的取值范围是[1，3]，设置周围频率检测带宽设置为DB_near为6，临近点个数为k＝floor(4NDB_near/F_s)＝3，计算F_i，j周围的临近点集合：

{F_Nr(i，j)-3，F_Nr(i，j)-2，...F_Nr(i，j)，...，F_Nr(i，j)+2，F_Nr(i，j)+3}

对应频率的幅值记录为：

M_i，j＝{A_Nr(i，j)-3，A_Nr(i，j)-2，A_Nr(i，j)-1，A_Nr(i，j)，A_Nr(i，j)+1，A_Nr(i，j)+2，A_Nr(i，j)+3}

上述幅值集合中，将不包含检测频率DF_target，j的对应的幅值A_Nr(p，j)排除在外，则不含检测频率及其倍频的临近点幅值集合为：

MO_i，j＝{A_Nr(i，j)-3，A_Nr(i，j)-2，A_Nr(i，j)-1，A_Nr(i，j)+1，A_Nr(i，j)+2，A_Nr(i，j)+3}

根据如下公式计算6个指标：

指标1：倍频凸显度总和指标：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标：

其中，Max表示求最大值运算。

指标3：倍频孤峰最大指标：

指标4：倍频孤峰总和指标：

指标5:倍频凸显度全局总和指标：

指标6:倍频总峭度指标：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

计算所有I个频带的6个指标，并分别以6个指标最大的频带作为最佳频带，绘制频谱图,如图8(a)所示，图8(b)代表不同中心频率的6个指标。

根据图8(a)至图8(b)中的6个包络谱组成的复合频谱图可知，在第1、3、5、6个包络谱(从上至下)中，均可观察到故障冲击频率83.33Hz的1倍频、3倍频、4倍频和6倍频，在第2个包络谱中，可观察到故障冲击频率83.33Hz的1倍频、3倍频和4倍频，表明轴承外圈故障冲击频率83.33Hz明显，诊断出存在外圈故障，与实际情况一致，诊断成功。

另一个实施例中，在轴承试验机上装载外圈故障轴承，故障尺寸0.3mm*0.6mm，故障轴承的型号为NTN 6311，在6311轴承垂直方向测量振动，转速为3048RPM，对应的转频为50.8Hz，采样频率F_s＝25600Hz，采集得到的振动信号如图9所示。

轴承参数如下：内圈尺寸55(-0.012～0)mm、外圈尺寸120(-0.013～0)mm、滚动体个数n＝8、滚动体直径d＝20.6375mm，节圆直径D＝87.5mm、接触角α＝0，径向游隙C4、精度等级P6。

根据如下公式计算故障频率：

计算得到的外圈轴承故障冲击频率为155.2Hz，其中，r表示轴承转速，单位为RPM；n表示滚珠个数；d表示滚动体直径；D表示轴承节径；α表示滚动体接触角，单位为弧度。

采用现有的快速谱峭度方法，计算得到的谱峭度图如图10所示，计算得到的最大峭度的带宽为800Hz，中心频谱为8400Hz，以频带[8000Hz，8800Hz]对原始信号进行带通滤波，并计算包络谱，得到的频谱图如图11所示。

可以看到，故障冲击155.2Hz的二倍频较明显，但是一倍频不明显，无法直接确定存在故障冲击，诊断失败。

采用本公开技术方案进行故障特征提取，设定DF_target＝155.2Hz,带宽B_w＝10*DF_target＝1552Hz，频带间距为W_f＝10Hz，总共可将总分析频率范围划分为1124个频带，划分的频带总数计算方法如下：

所有1124个频带中，第i个频带的中心频率为FC_i＝i W_f，频带范围可表示为：

按照第i个频带的范围对采集的振动信号进行带通滤波，将滤波后的信号的包络频谱图记录为Env_i。

指定检测的倍频个数DH_num＝3，第j个倍频记录为DF_targrt，j，其中j的取值范围是[1，3]，设置周围频率检测带宽设置为DB_near为6，则临近点个数为k＝floor(4N DB_near/F_s)＝3，计算F_i，j周围的临近点集合：

{F_Nr(i，j)-3，F_Nr(i，j)-2，...F_Nr(i，j)+2，F_Nr(i，j)+3}

对应频率的幅值记录为：

M_i，j＝{A_Nr(i，j)-3，A_Nr(i，j)-2，A_Nr(i，j)-1，A_Nr(i，j)，A_Nr(i，j)+1，A_Nr(i，j)+2，A_Nr(i，j)+3}

上述幅值集合中，将不包含检测频率DF_target，j的对应的幅值A_Nr(p，j)排除在外，则不含检测频率及其倍频的临近点幅值集合记录为：

MO_i，j＝{A_Nr(i，j)-3，A_Nr(i，j)-2，A_Nr(i，j)-1，A_Nr(i，j)+1，A_Nr(i，j)+2，A_Nr(i，j)+3}

根据如下公式计算6个指标：

指标1：倍频凸显度总和指标：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i，j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i，j表示从M_i，j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标：

指标4：倍频孤峰总和指标：

指标5：倍频凸显度全局总和指标：

指标6：倍频总峭度指标：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

计算所有I个频带的6个指标，并分别以6个指标最大的频带作为最佳频带，绘制频谱图，如图12(a)所示，图12(b)代表不同中心频率的6个指标。

根据图12(a)至图12(b)中的6个包络谱组成的复合频谱图可知，在第1、2个包络谱中，可观察到故障冲击频率155.2Hz的1倍频、2倍频、3倍频、4倍频、5倍频、6倍频和7倍频，在第3、4、6个包络谱中，可观察到故障冲击频率155.2Hz的1倍频、2倍频、3倍频、5倍频和6倍频，在第5个包络谱中，可观察到故障冲击频率155.2Hz的1倍频、2倍频、3倍频、4倍频和5倍频，表明轴承外圈故障冲击频率155.2Hz明显，诊断出存在外圈故障，与实际情况一致，诊断成功。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断方法，包括以下步骤：

S100：采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

S200：选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

S300：对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤S100中，所述振动信号通过振动传感器获取。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S100包括：

S101：对所采集的振动信号进行频带划分；

S102：对划分频带后的振动信号进行带通滤波，获得滤波后的包络频谱图。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S101中，对振动信号进行频带划分，第i个频带通过下式得出：

其中，FC_i表示第i个频带的中心频率；B_w表示带宽；所有频带的总个数I为：

其中，floor表示向小取整运算；F_s表示采样频率；W_f表示频带间距。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S200中，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

6.根据权利要求1述的方法，其特征在于，步骤S300中，所述电机轴承的故障类型对应的故障频率为：

外圈故障频率：f_o＝r/60*1/2*n(1-d/D*cosα)，

内圈故障频率：f_i＝r/60*1/2*n(1+d/D*cosα)，

滚动体故障频率：f_b＝r/60*1/2*D/d*[1-(d/D)²*cos²α]，

保持架故障频率：f_c＝r/60*1/2*(1-d/D*cosα)，

其中，r表示轴承转速，单位为RPM；n表示滚珠个数；d表示滚动体直径；D表示轴承节径；α表示滚动体接触角，单位为弧度。

7.一种基于频谱图评价与优选的电机轴承微弱故障诊断装置，包括：

信号采集及处理单元，用于采集电机轴承的振动信号，对所述振动信号划分频带后进行带通滤波,获得滤波后的包络频谱图；

频谱图评价和优选单元，用于选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价，并以频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

故障确定单元，用于对所述最优频带进行带通滤波并进行包络解调运算获得最优包络频谱图，若所述最优包络频谱图中存在故障频率的N倍频，则确定电机轴承存在相应类型的故障。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号采集及处理单元对振动信号进行频带划分时，第i个频带通过下式得出：

其中，FC_i表示第i个频带的中心频率；B_w表示带宽；所有频带的总个数I为：

其中，floor表示向小取整运算；F_s表示采样频率；W_f表示频带间距。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述频谱图评价和优选单元包括：

频谱图评价子单元，通过选取频谱图特征指标对振动信号所有频带的包络频谱图进行评价；

频谱图优选子单元，选取频谱图特征指标值最大的频带作为最优频带；

其中，所述频谱图特征指标包括：

指标1：倍频凸显度总和指标，计算公式如下：

其中，i表示频带的编号，j表示倍频的编号，DH_num表示待检测的总的倍频个数，Mean表示求平均值运算；A_Nr(i，j)表示在对第i个频带滤波后得到的包络频谱图横坐标中，与故障频率的第j个倍频最近的频率对应的纵坐标的幅值；指定M_i,j为第i个频带滤波后得到信号的包络频谱图中，故障频率的第j个倍频的临近频率所对应包络谱幅值的集合；MO_i,j表示从M_i,j中去除与故障频率的第j个倍频最接近的频率所对应的包络谱幅值；

指标2：倍频凸显度最大指标，计算公式如下：

其中，Max表示求最大值运算；

指标3：倍频孤峰最大指标，计算公式如下：

指标4：倍频孤峰总和指标，计算公式如下：

指标5：倍频凸显度全局总和指标，计算公式如下：

指标6：倍频总峭度指标，计算公式如下：

其中，Kurtosis表示求峭度运算。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述故障类型包括如下任意一项：轴承外圈故障、轴承内圈故障、轴承滚动体故障和轴承保持架故障。