CN111024397A - 基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法 - Google Patents

基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，利用振动传感器采集高频振动信号，同时利用键相传感器同步采集键相信号，通过希尔伯特变换得到原始信号的包络解调信号，再利用键相信息对包络解调信号进行线性等角度插值，通过设置窄带滤波器获得窄带冲击的包络信号，并计算其相位，利用窄带冲击包络信号的相位计算等价的参考轴相位与转速，利用等价的参考轴相位再次进行包络阶次谱分析，并且利用等价的参考轴转速计算轴承的打滑率，本发明既能够有效抑制打滑导致的阶次迁移与模糊现象，增强故障特征，又能估计轴承打滑率，且评估精度高。

Description

基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法
技术领域
本发明涉及机械故障诊断技术领域，特别涉及一种基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法。
背景技术
随着高铁以及高性能航空发动机的不断列装，高速、大过载滚动轴承的应用越来越多，由此产生的滚动轴承的打滑现象越来越严重，尤其是在变转速、变负载的复杂工况下。其中，动力学模型能够在考虑主要影响因素的情况下，通过对滚动轴承各主要配件运动方程的求解，估计轴承的打滑率，因此被广泛应用。然而评估精度一直是困扰动力学模型分析打滑率的一个主要因素，除此之外，针对已经服役的滚动轴承，是否会发生打滑以及打滑后的严重程度仍缺少一种有效的评估手段。
振动分析作为一种开展滚动轴承故障诊断的有效方法，被广泛关注。然而振动分析多利用故障冲击信号在时域或者角度域的周期性展开故障特征的增强和提取，如MCKD技术、阶次跟踪技术、Kurtogram等。当轴承在非平稳工况下发生打滑时，故障冲击信号在时域以及角度域均不具有良好的周期性，而且故障特征会明显衰减，使得基于周期性特征提取的故障诊断方法难以有效开展。
此外，滚动轴承保持架作为滚动轴承的重要组成部分，起到了隔开滚动体并保证滚动体正常滚动的作用，其动力来源于滚动体的公转。由于滚动轴承封闭的结构，滚动轴承保持架的运动过程难以直接测量，因此基于滚动轴承保持架转速定义的打滑率，也难以有效计算。轴承发生打滑后，保持架的转速会偏离理论转速，如何有效估计保持架的转速，成为了计算打滑率的主要难题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出了如下技术方案。
一种基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，将滚动轴承外圈固定且内圈随参考轴转动，利用振动传感器采集高频振动信号作为原始信号y(t)，同时利用键相传感器同步采集键相信号，利用键相信号计算参考轴的转速v(t)和相位θ(t)；
步骤S2，对原始信号y(t)进行解调得到包络信号yh(t)，基于参考轴的转速信号v(t)、相位信号θ(t)和包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)；
步骤S3，利用窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)计算等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000021
步骤S4，利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000022
计算等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000023
然后基于等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000024
和利用键相信号计算的参考轴转速v(t)计算轴承的打滑率Sc。
更进一步地，所述滚动轴承为机车滚动轴承。
更进一步地，所述机车滚动轴承为圆锥滚子轴承，轴承的节径为183.929mm，轴承滚子个数为19，轴承滚子半径为26mm以及接触角10°。
更进一步地，所述原始信号y(t)为连续采集20秒的振动信号。
更进一步地，所述基于参考轴的转速信号v(t)、相位信号θ(t)和包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)的操作为：
利用参考轴的转速信号v(t)与相位信号θ(t)对包络信号yh(t)开展阶次跟踪，得到线性等角度插值信号yphs(θ(t))，并对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行包络阶次谱分析；在故障特征阶次Ω0附近设置窄带滤波器，对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行窄带滤波，得到可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))，并且利用式(1)计算窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)；
Figure BDA0002327602380000031
其中
Figure BDA0002327602380000032
为ynb(θ(t))的Hilbert变换,unwrap[]是相位解卷积运算。
更进一步地，所述计算等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000033
的式(2)为：
Figure BDA0002327602380000034
利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000035
对线性插值信号yphs(θ(t))再次进行等角度重采样，并进行包络阶次谱分析。
更进一步地，所述基于等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000036
和利用键相信号计算的参考轴转速v(t)计算轴承的打滑率Sc的操作为：
利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000037
计算等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000038
根据式(3)计算轴承的打滑率Sc：
Figure BDA0002327602380000039
或者，利用基于键信号计算的参考轴转速v(t)计算保持架的理论转速vc(t)，同时利用等价参考轴转速计算等价的保持架转速
Figure BDA00023276023800000310
轴承打滑率Sc通过式(4)计算：
Figure BDA0002327602380000041
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
a)本发明在阶次跟踪的基础上，通过计算冲击包络信号的相位进行再次阶次跟踪，能够有效克服轴承打滑带来阶次偏离与模糊问题。
b)本发明能够根据冲击信号计算等价的参考轴转速，从而估计滚动轴承的打滑率。
c)本发明能够有效增强故障特征，实现故障特征的准确识别，具有鲁棒性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法的流程图；
图2为本发明实施例的原始振动信号示意图；
图3为本发明实施例的利用键相信号计算的参考轴转速信号示意图；
图4为本发明实施例的利用键相信号计算的参考轴相位示意图；
图5为本发明实施例利用参考相位开展的线性等角度插值信号；
图6为本发明实施例针对线性等角度插值信号的包络阶次谱分析结果；
图7为本发明实施例针对线性等角度插值信号的包络阶次谱分析结果在故障特征阶次附近的局部放大图；
图8为本发明实施例利用包络阶次谱分析结果设置的窄带滤波器得到的故障冲击的窄带滤波信号；
图9为本发明实施例基于故障冲击的窄带滤波信号所计算的瞬时相位；
图10为本发明实施例利用故障冲击的窄带滤波信号所对应的瞬时相位和轴承几何参数计算的等价参考轴相位；
图11为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位对图5中的线性等角度插值信号开展的包络阶次谱分析结果；
图12为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位对图5中的线性等角度插值信号开展的包络阶次谱分析结果在故障特征阶次附近的局部放大图；
图13为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位计算的等价的参考轴转速；
图14为本发明实施例利用键相信号计算的参考轴转速与图13中的等价参考轴转速计算的平均打滑率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的具体实施例以某车辆段的机车滚动轴承故障检测试验台为例，轴承故障位置在外圈/内圈处，故障类型为剥落。轴承具体参数：某型圆锥滚子轴承，轴承的节径为183.929mm，轴承滚子个数为19，轴承滚子半径为26mm，接触角10°，本发明的方法同样适合于其他滚动轴承的打滑率评估，比如航空发动机轴承等等。
图1为本发明基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法的流程图，图1示出了一种基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，将滚动轴承外圈固定且内圈随参考轴转动，利用振动传感器采集高频振动信号作为原始信号y(t)，同时利用键相传感器同步采集键相信号，利用键相信号计算参考轴的转速v(t)和相位θ(t)；为保证打滑造成的相位损失充分积累，截取20秒的振动信号作为原始信号y(t)，如图2所示，图2为本发明实施例的原始振动信号示意图；同时利用键相信号计算参考轴的转速v(t)和相位θ(t)，分别如图3，图3为本发明实施例的利用键相信号计算的参考轴转速信号示意图；和图4，图4为本发明实施例的利用键相信号计算的参考轴相位示意图所示。
步骤S2，对原始信号y(t)进行解调得到包络信号yh(t)，基于参考轴的转速信号v(t)、相位信号θ(t)和包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)，如图5，图5为本发明实施例利用参考相位开展的线性等角度插值信号所示。
在一个具体的实施例中，所述基于参考轴的转速信号v(t)、相位信号θ(t)和包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)的操作为：
利用参考轴的转速信号v(t)与相位信号θ(t)对包络信号yh(t)开展阶次跟踪，得到线性等角度插值信号yphs(θ(t))，如图5为本发明实施例利用参考相位开展的线性等角度插值信号所示，并对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行包络阶次谱分析，包络阶次谱分析结果如图6，为本发明实施例针对线性等角度插值信号的包络阶次谱分析结果所示；从包络阶次谱分析结果的局部放大图7，图7为本发明实施例针对线性等角度插值信号的包络阶次谱分析结果在故障特征阶次附近的局部放大图中可以看出，在故障特征阶次Ω0附近存在一个阶次模糊窄带区域，而且该区域偏离了外圈故障特征阶次Ω0，这里称之为阶次迁移和模糊现象；由于没有明显的谐波成分，仍需进一步分析其是否为故障导致的冲击，图8为本发明实施例利用包络阶次谱分析结果设置的窄带滤波器得到的故障冲击的窄带滤波信号；设置窄带滤波器如图7中两条对立的虚线所示，对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行窄带滤波，得到可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))，并且利用式(1)计算窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)如图9所示，图9为本发明实施例基于故障冲击的窄带滤波信号所计算的瞬时相位。
Figure BDA0002327602380000081
其中
Figure BDA0002327602380000082
为ynb(θ(t))的Hilbert变换,unwrap[]是相位解卷积运算。
步骤S3，利用窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)计算等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000083
在一个实施例中，利用可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)按照按式(2)计算等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000084
如图10所示，图10为本发明实施例利用故障冲击的窄带滤波信号所对应的瞬时相位和轴承几何参数计算的等价参考轴相位；
Figure BDA0002327602380000085
利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000086
对线性插值信号yphs(θ(t))再次进行等角度重采样，并再次进行包络阶次谱分析，分析结果如图11所示，图11为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位对图5中的线性等角度插值信号开展的包络阶次谱分析结果；局部放大图如图12所示，图12为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位对图5中的线性等角度插值信号开展的包络阶次谱分析结果在故障特征阶次附近的局部放大图；阶次偏离与模糊现象得到有效抑制，故障特征明显增强，在利用等价参考轴相位进行的包络阶次谱分析结果中，出现明显的外圈故障特征阶次及谐波，有力地证实了该可疑故障冲击信号即是外圈故障导致的冲击信号。
步骤S4，利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000091
计算等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000092
然后基于等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000093
和参考轴的转速v(t)计算轴承的打滑率Sc。
在一个实施例中，所述基于等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000094
和利用键相信号计算的参考轴的转速v(t)计算轴承的打滑率Sc的操作为：
利用等价的参考轴相位
Figure BDA0002327602380000095
计算等价参考轴转速
Figure BDA0002327602380000096
图13所示，图13为本发明实施例利用图10中的等价参考轴相位计算的等价的参考轴转速；根据式(3)计算轴承的打滑率Sc，图14所示，图14为本发明实施例利用键相信号计算的参考轴转速与图13中的等价参考轴转速计算的打滑率；
Figure BDA0002327602380000097
或者，利用基于键相信号计算的参考轴转速v(t)计算保持架的理论转速vc(t)，同时利用等价参考轴转速计算等价的保持架转速
Figure BDA0002327602380000098
轴承打滑率Sc也可通过式(4)计算，式(4)计算结果和式(3)计算结果相同；
Figure BDA0002327602380000099
通过本发明提出的基于振动信息解调分析的打滑率评估方法，由于打滑往往发生在变转速等复杂工况下，本发明提出的阶次跟踪被首先用于消除变转速的影响，其次，通过提取故障冲击的包络信号，并进行对应相位的计算，在此基础上计算参考轴的对应等价相位，再次开展阶次跟踪，不仅能够有效增强故障特征，还能够进一步用于计算轴承的打滑率，达到轴承打滑评估的目的，提高了轴承打滑评估的精度。即本发明的方法探究了滚动轴承打滑对包络阶次谱分析的影响，克服了传统阶次跟踪出现的阶次迁移与模糊现象，不仅增强了故障特征，而且通过对冲击信号的进一步解调分析，估计出了轴承的打滑率，具有良好的鲁棒性，这是本发明的重要发明点。
最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，将滚动轴承外圈固定且内圈随参考轴转动，利用振动传感器采集高频振动信号作为原始振动信号y(t)，同时利用键相传感器同步采集键相信号，利用键相信号计算参考轴的转速v(t)和相位θ(t)；
步骤S2，对原始信号y(t)进行解调得到包络信号yh(t)，基于参考轴的转速信号v(t)、相位信号θ(t)和包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)；
步骤S3，利用窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)计算等价的参考轴相位
Figure FDA0002327602370000011
步骤S4，利用等价的参考轴相位
Figure FDA0002327602370000012
计算等价参考轴转速
Figure FDA0002327602370000013
然后基于等价参考轴转速
Figure FDA0002327602370000014
和利用键相信号计算的参考轴转速v(t)计算轴承的打滑率Sc。
2.根据权利要求1所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述滚动轴承为机车滚动轴承。
3.根据权利要求2所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述机车滚动轴承为圆锥滚子轴承，轴承的节径为183.929mm，轴承滚子个数为19，轴承滚子半径为26mm以及接触角10°。
4.根据权利要求3所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述原始信号y(t)为连续采集20秒的振动信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述基于参考轴转速信号v(t)、相位信号θ(t)和原始振动信号的包络信号yh(t)计算可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))及其对应的瞬时相位θnb(t)的操作为：
利用参考轴的转速信号v(t)与相位信号θ(t)对原始振动信号的包络信号yh(t)开展阶次跟踪，得到线性等角度插值信号yphs(θ(t))，并对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行包络阶次谱分析；在故障特征阶次Ω0附近设置窄带滤波器，对线性等角度插值信号yphs(θ(t))进行窄带滤波，得到可疑故障冲击信号的窄带滤波信号ynb(θ(t))，并且利用式(1)计算窄带滤波信号ynb(θ(t))所对应的瞬时相位θnb(t)；
Figure FDA0002327602370000021
其中
Figure FDA0002327602370000022
为ynb(θ(t))的Hilbert变换,unwrap[]是相位解卷积运算。
6.根据权利要求5所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述计算等价的参考轴相位
Figure FDA0002327602370000023
的式(2)为：
Figure FDA0002327602370000024
利用等价的参考轴相位
Figure FDA0002327602370000025
对线性插值信号yphs(θ(t))再次进行等角度重采样，并进行包络阶次谱分析。
7.根据权利要求6所述的基于振动信息解调分析的滚动轴承打滑率评估方法，其特征在于，所述基于等价参考轴转速
Figure FDA0002327602370000031
和利用键相信号计算的参考轴转速v(t)计算轴承的打滑率Sc的操作为：
利用等价的参考轴相位
Figure FDA0002327602370000032
计算等价参考轴转速
Figure FDA0002327602370000033
根据式(3)计算轴承的打滑率Sc：
Figure FDA0002327602370000034
或者，利用基于键相信号计算的参考轴转速v(t)计算保持架的理论转速vc(t)，同时利用等价参考轴转速计算等价的保持架转速
Figure FDA0002327602370000035
轴承打滑率Sc通过式(4)计算：
Figure FDA0002327602370000036
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