CN110427708B - 基于振动信号的润滑状态确定方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents

基于振动信号的润滑状态确定方法、装置及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于振动信号的润滑状态确定方法，方法包括：获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号；获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号；获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数；获取所述自相关函数所对应的第一曲线；获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数；获取所述互相关函数所对应的第二曲线；获取所述第一曲线与第一预设曲线的第一相似度；获取所述第二曲线与第二预设曲线的第二相似度；根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态。此外，本发明还公开了一种基于振动信号的润滑状态确定装置及计算机存储介质。

Description

基于振动信号的润滑状态确定方法、装置及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及润滑状态检测技术领域，特别是涉及一种基于振动信号的润滑状态确定方法、装置及计算机存储介质。
背景技术
混合润滑状态是流体动压润滑、弹流润滑、薄膜润滑、边界润滑等的共同组合，其整体特性是各种润滑膜组成特性的综合表现，伴随着以黏着机制和接触疲劳为主要形式的表面磨损特征。
由于不同润滑状态下润滑膜厚度不同,因此科研工作者希望通过测量润滑膜厚度来区分润滑状态。但是仅仅由润滑膜厚度不能准确分辨出润滑状态，仍需与表面粗糙度进行比较。且润滑膜厚度和表面粗糙度都是微米级，膜厚和表面形状会随着载荷改变而改变，具有随机性和不确定性，很难准确测量。实际应用中，往往采用摩擦因数与工况参数间变化关系作为判断各种润滑状态的依据，如经典的Stribeck曲线。但是，Stribeck曲线是由大量实验测量数据得到，判断润滑状态必须进行多组实验，精度低，效率差，严重依赖于实验人员先验知识，不能进行实时识别。
因此，现有技术中缺少一种能够准确且简单的衡量混合润滑状态、流体润滑状态的方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于振动信号的润滑状态确定方法及装置，旨在通过计算摩擦副间产生的振动信号，以及关于信号的相关函数，通过信号波形进行润滑类型的判断，提高润滑状态确定的便利性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于振动信号的润滑状态确定方法，所述方法包括：
获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号；
获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号；
获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数；
获取所述自相关函数所对应的第一曲线；
获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数；
获取所述互相关函数所对应的第二曲线；
获取所述第一曲线与第一预设曲线的第一相似度；
获取所述第二曲线与第二预设曲线的第二相似度；
根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态；
其中，所述第一预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的自相关函数图；
所述第二预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的互相关函数图。
一种实现方式中，所述获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号的步骤，包括：
获取待检测点的在水平方向上的第一摩擦振动信号。
一种实现方式中，所述获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号的步骤，包括：
获取待检测点的在垂直方向上的第二摩擦振动信号。
一种实现方式中，所述获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数的具体表达为：
Figure BDA0002157274970000021
其中，rk是第一自相关函数，xt为t时刻的第一摩擦振动信号，
Figure BDA0002157274970000022
为预设时间段内所述第一摩擦振动信号的均值，σ2为信号方差，k为时间延迟，T第一为预设时间段。
一种实现方式中，所述获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数的具体表达公式为：
Figure BDA0002157274970000031
其中，RXY(k)是互相关函数，xn+k是n+k时刻的第一摩擦振动信号，yn是n时刻的第二摩擦振动信号，*表示取共轭。
一种实现方式中，所述根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态的步骤，包括：
判断所述第一相似度值是否不小于第一相似的阈值；
如果是，则判断第二相似度值是否不小于第二相似的阈值；
在判断第二相似度值不小于第二相似的阈值的情况下，确定当前的润滑状态为已知的润滑状态；否则，不为已知的润滑状态。
一种实现方式中，所述已知的润滑状态为流体润滑状态或混合润滑状态。
此外，还提供了一种基于振动信号的润滑状态确定装置，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储基于振动信号的润滑状态确定程序；
所述处理器，用于执行所述基于振动信号的润滑状态确定程序，以实现任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
以及一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
如上所述，本发明实施例提供的一种基于振动信号的润滑状态确定方法、装置及计算存储介质，旨在通过计算摩擦副间产生的振动信号，以及关于信号的相关函数，通过信号波形进行润滑类型的判断，提高润滑状态确定的便利性。
附图说明
图1是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的一种流程示意图。
图2是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的硬件示意图。
图3是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的第一种具体应用示意图。
图4是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的第二种具体应用示意图。
图5是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的第三种具体应用示意图。
图6是本发明实施例的一种基于振动信号的润滑状态确定方法的第四种具体应用示意图
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于振动信号的润滑状态确定方法，所述方法包括：
S101，获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号。
试验采用美国Bruker公司生产的UMT TriboLab摩擦磨损试验机，实验装置如图2所示。销试样由专用夹具固定于主轴的下端部，可通过上部加载装置设定施加力，加速度传感器固定在销试样上，盘试样通过电动机带动做旋转运动，设备自带摩擦力矩传感器。盘试样材质为E52100钢，成分主要有Fe、C、Si、Mn、P、Cr、Ni、Cu等，金相组织为回火马氏体，硬度63HRC；销试样材质为Q235A碳素钢，成分主要有Fe、C、Si、Mn、P、S等，金相组织为铁素体、珠光体，硬度37HRC。润滑剂选用长城L-CKT220润滑油，40℃下运动粘度为215.18mm2/s。
如图2所示，选用美国压电公司生产的356A16型三轴加速度传感器测量摩擦振动信号，应用德国M+P国际公司生产的VibPilot数据采集系统采集摩擦振动信号。通过CPU获取信号，并进行处理。
需要说明的是，三轴加速度传感器测量摩擦振动信号是xyz三个方向上的信号，衡量三个方向的振动，本发明实施例中，第一摩擦振动信号可以是一个预设的第一方向上的，那么第一方向可以是xyz中的任意一个。
S102，获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号。
如上述，本发明实施例中，第二摩擦振动信号可以是一个预设的第二方向上的，那么第二方向可以是xyz中与第一方向不同的任意一个。例如，第一方向是x轴，那么第二方向可以是y轴或者z轴；或者，第一方向是y轴，那么第二方向可以是x轴或者z轴；或者，第一方向是z轴，那么第二方向可以是x轴或者y轴。
S103，获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数。
需要说明的是，第一摩擦振动信号信号x(t)的自相关函数rk是其时域特性的平均度量，描述随机过程中不同时刻幅值间的依赖关系。它反映信号x(t)在不同时刻取值的相关程度，周期信号的自相关函数仍然是周期信号，k→∞时，rk不衰减且周期与原周期相同；对于随机信号，k→∞时，rk衰减到零。
因此，可根据信号自相关图的形状来判断信号的性质。为了更清晰表现信号不同时刻幅值间的相关程度，这里对其进行了归一化处理，计算公式为：
Figure BDA0002157274970000061
其中，rk是第一自相关函数，xt为t时刻的第一摩擦振动信号，
Figure BDA0002157274970000062
为预设时间段内所述第一摩擦振动信号的均值，σ2为信号方差，k为时间延迟，T第一为预设时间段。
S104，获取所述自相关函数所对应的第一曲线。
可以理解的是，针对T时间内的多个t，将所有的点连接成曲线，获得曲线图。
S105，获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数。
对于第一摩擦振动信号和第二摩擦振动信号，可以用互相关函数Rxy(k)来表示它们幅值在时域上的相互依赖关系，其峰值不一定在k＝0处，偏离零点的位置反映了两信号时移的大小，当其值在某一时刻取最大值时，说明两个信号在该时刻存在某种较强关系，同时反映了两信号间主传输通道的滞后时间。其计算公式为：
Figure BDA0002157274970000063
其中，Rxy(k)是互相关函数，xn+k是n+k时刻的第一摩擦振动信号，yn是n时刻的第二摩擦振动信号，*表示取共轭。
S106，获取所述互相关函数所对应的第二曲线。
可以理解的是，针对Rxy(k)，通过获取预设时间段内的多个采样值，将所有的点连接成曲线，获得曲线图。
S107，获取所述第一曲线与第一预设曲线的第一相似度。
可以理解的是，通过实验研究，可以获得检测点在某一润滑状态下，在第一方向上的摩擦振动信号，通过多个点的连线可以获得所对应的自相关曲线，即第一预设曲线，该部分可以通过多次试验进行精确获得。
第一曲线为检测到的曲线，通过将其与第一预设曲线进行对比，计算相似度，如果相似度越高表示两条曲线越相似，那么也代表当前的润滑状态情况越相同。
S108，获取所述第二曲线与第二预设曲线的第二相似度。
同上，可以通过实验获得该润滑状态下所获得第一方向和第二方向上的摩擦振动信号所对应的互相关函数，通过多个点的连线，可以获得互相关函数对应的曲线。
第二曲线为检测到的曲线，通过将其与第二预设曲线进行对比，计算相似度，如果相似度越高表示两条曲线越相似，那么也代表当前的润滑状态情况越相同。
S109，根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态。
本领域技术人员可以理解的是，计算两条曲线的相似度可以接用两个时间段内的曲线，按相同的间隔获取点，算出所有相邻点的斜率。比较斜率的相似度。通过斜率的变化判断曲线的走向，进而确定曲线的相似度，该部分为现有技术，本发明实施例在此不做具体限定。
本发明实施例中，所述第一预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的自相关函数图；所述第二预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的互相关函数图。该部分实际应用中，可以在产品未出厂时期，直接获得产品是混合润滑状态或者是流体润滑，进而获得这一时期的自相关函数图和互相关函数图，而将其作为未来润滑状态的比较依据，从而便于产品后期使用的观测。
又或是在研发阶段具体设计好的润滑状态下的第一预设曲线以及第二预设曲线，从而为后期设备的使用阶段进行检测提供依据。
综上，本发明实施例只需要获得一个研发或者规定的初始信号曲线图即可，而不需要在产品的使用中通过采用精密仪器去测量润滑膜厚度和表面粗糙度，又无法保证膜厚和表面形状会随着载荷改变而引起改变，所造成的随机性和不确定性，所以根据润滑膜厚度与表面粗糙度相比较鉴别润滑状态的方法虽然可靠，但测量上往往是很困难的。而采用摩擦因数与工况参数间变化关系作为判断各种润滑状态的依据，例如Stribeck曲线，又需要通过大量实验测量数据得到，判断润滑状态必须进行多组实验，但是又精度低，效率差，严重依赖于实验人员先验知识，而且不能进行实时识别。所以本发明实施例能够提高识别的准确性的同时又具有便利性，而且不需要大量的试验数据，减少人力劳动，仅仅依靠研发器件提供的曲线图就可以进行使用。
本领域技术人员可以理解的是，通过计算摩擦副间产生的振动信号的相关函数，提取淹没在噪声里的冲击信号来判别润滑状态。如测得信号中有冲击信号则为混合润滑状态，如测得信号中无冲击信号则为流体润滑状态。
通过曲线的相似度计算，可以计算当前状态与已知润滑状态的是否相近，具体的，判断所述第一相似度值是否不小于第一相似的阈值；如果是，则判断第二相似度值是否不小于第二相似的阈值；在判断第二相似度值不小于第二相似的阈值的情况下，确定当前的润滑状态为已知的润滑状态；否则，不为已知的润滑状态。
所以在自相关和互相关均不小于阈值相似度的情况下，则表示当前状态与已知润滑状态相似度较高，则可以视为与已知润滑状态相同。
当已知状态为流体润滑状态时，如图3和图4为流体润滑状态下振动信号自相关函数曲线(第一预设曲线)和互相关函数曲线(第二预设曲线)。
当已知状态为混合润滑状态时，如图5和图6为，混合润滑状态下振动信号自相关函数曲线(第一预设曲线)和互相关函数曲线(第二预设曲线)。
如图3和图4，在流体润滑状态下，摩擦副被润滑油粘性流体完全隔开，摩擦副间发生液体层流运动，测得信号相关函数变化趋势平滑。
如图5和图6，混合润滑状态下，由于摩擦副表面粗糙峰间接触碰撞，测得信号相关函数具有明显的冲击特性。
由于振动信号相关函数可以作为流体润滑和混合润滑两种状态的特征参数，因此可以通过计算振动信号相关函数识别流体润滑和混合润滑两种润滑状态所对应的曲线与已知曲线进行对比，从而获得当前的状态。相比较现有技术，能够在一次精确测量后(例如测量了流体润滑所对应的自相关函数和互相关函数，确定当前曲线对应的状态)，每次根据已知的曲线进行比较，从而将机械摩擦问题转换为曲线比较问题，简化了问题的同时便于操作实现，提高检测的效率和便捷性。
此外，还提供了一种基于振动信号的润滑状态确定装置，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储基于振动信号的润滑状态确定程序；
所述处理器，用于执行所述基于振动信号的润滑状态确定程序，以实现任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
以及一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号；
获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号；
获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数；
获取所述自相关函数所对应的第一曲线；
获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数；
获取所述互相关函数所对应的第二曲线；
获取所述第一曲线与第一预设曲线的第一相似度；
获取所述第二曲线与第二预设曲线的第二相似度；
根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态；
其中，所述第一预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的自相关函数图；
所述第二预设曲线为已知的润滑状态下振动信号的互相关函数图。
2.根据权利要求1所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述获取待检测点的在第一方向上的第一摩擦振动信号的步骤，包括：
获取待检测点的在水平方向上的第一摩擦振动信号。
3.根据权利要求2所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述获取待检测点的在第二方向上的第二摩擦振动信号的步骤，包括：
获取待检测点的在垂直方向上的第二摩擦振动信号。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号所对应的第一自相关函数的具体表达为：
Figure FDA0002157274960000011
其中，rk是第一自相关函数，xt为t时刻的第一摩擦振动信号，
Figure FDA0002157274960000012
为预设时间段内所述第一摩擦振动信号的均值，σ2为信号方差，k为时间延迟，T第一为预设时间段。
5.根据权利要求4所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述获取预设时间段内所述第一摩擦振动信号和所述第二摩擦振动信号的互相关函数的具体表达公式为：
Figure FDA0002157274960000021
其中，Rxy(k)是互相关函数，xn+k是n+k时刻的第一摩擦振动信号，yn是n时刻的第二摩擦振动信号，*表示取共轭。
6.根据权利要求1或5所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述根据所述第一相似度和所述第二相似度，确定当前的润滑状态的步骤，包括：
判断所述第一相似度值是否不小于第一相似的阈值；
如果是，则判断第二相似度值是否不小于第二相似的阈值；
在判断第二相似度值不小于第二相似的阈值的情况下，确定当前的润滑状态为已知的润滑状态；否则，不为已知的润滑状态。
7.根据权利要求6所述的基于振动信号的润滑状态确定方法，其特征在于，所述已知的润滑状态为流体润滑状态或混合润滑状态。
8.一种基于振动信号的润滑状态确定装置，其特征在于，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储基于振动信号的润滑状态确定程序；
所述处理器，用于执行所述基于振动信号的润滑状态确定程序，以实现如权利要求1至7中任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的基于振动信号的润滑状态确定方法步骤。
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