CN111521399B - 一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，通过峭度指标与包络谱分析，评估空间轴承状态，实现在不拆解轴承情况下的轴承早期故障诊断，特别是通过对包络谱中轴承故障特征频率进行识别，可实现轴承故障定位。一方面，可及时识别并定位故障轴承，采取有效补救措施，避免不必要的轴系报废，另一方面，有效避免了存在轴承早期故障的产品交付整星发射，阻止了后续在轨运行后产品性能恶化、甚至航天器失效等严重事故的发生，具有重要的经济价值和社会价值。

Description

一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，属于故障诊断技术领域。

背景技术

以飞轮、控制力矩陀螺为代表的空间惯性执行机构是各类航天器姿态控制与精度保持的关键部件。轴承作为空间惯性执行机构的核心部件之一，提供稳固的回转支承，具有旋转精度高、精度等级高、稳定性高和寿命长等特点。轴承一旦出现故障，将严重影响空间惯性执行机构功能的实现，甚至造成航天器失效。因此，在空间惯性执行机构地面研制阶段，采取简易、有效的方法将具有早期故障的轴承识别出来，避免存在早期轴承故障的空间惯性执行机构交付整星总装发射，大幅降低在轨轴承故障加剧的可能性，具有重要的经济效益和社会效益。

目前，国内外对空间轴承故障的识别，通常采用监测电机电流幅值和波动量，分析其变化趋势，并结合人为感受振动或噪声的方式，根据经验综合分析判断轴系是否出现故障，对存疑轴承进行解剖最终定位故障。这种识别方法在地面试验时可实现在线监测分析，较为简单、直接，但存在以下缺点：

(1)电流对空间轴承早期故障的敏感度低。与地面轴承不同，空间轴承通常采用轻质复合材料保持架，预载小，早期故障以保持架磨损、内圈或外圈滚道轻微损伤为主要故障模式，实际监测与拆解情况表明，电流对空间轻载轴承此类早期故障不敏感，只有当故障积累至一定程度才能通过电流反映出来。如果将存在此类早期故障的轴系装入空间活动部件中，甚至交付总装最终发射，在轨运行后出现故障，将严重影响空间活动部件实现主要功能，甚至造成航天器失效报废，后果难以估量。

(2)空间惯性执行机构是复杂的机电系统，除轴承外还有一系列旋转及控制部件，引起电流变化的因素较为复杂，有时是多种因素综合作用的结果，因此仅靠电流对轴承故障进行识别，无法对轴承故障原因进行科学、合理的诊断。在地面研制阶段，通过电流推测轴承出现故障，只能通过对空间惯性执行机构及其轴承组件的一系列拆解工作，通过对轴承各部件进行检验、测试和分析，才能找到故障原因；轴承一旦拆解，就意味着部分零部件报废，前期组件级及整机级的各项检测和试验工作将付之东流。

因此，采用行之有效的方法对空间轴承的故障进行评判就尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法。该方法特别是能够实现不拆卸轴承下的故障定位。

本发明解决的技术方案为：一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，该方法包括如下步骤：

(1)、运转采样阶段：对由空间轴承支承转子部件的被检测产品，采用电机驱动被检测产品内转子部件在标称转速Ω下连续运转，通过加速度传感器采集包含空间轴承转动的被检测产品的振动时域信号；所述被检测产品为轴承组件或空间惯性执行机构；采样时间为t秒；

(2)、峭度判断阶段：计算振动时域信号每1秒的时域峭度指标K_s，s＝1,2,…，t，根据采样时间t秒内峭度指标K_s的最大值K_max是否大于预设峭度指标门限K_th，判断被检测产品内空间轴承状态是否不佳，如果大于，则进入步骤(3)；否则，结束该空间轴承的早期故障诊断；

(3)、包络谱分析阶段：采用Hilbert变换方法对每1秒的振动时域信号进行解调，得到每1秒振动时域信号所对应的包络谱，共得到t个包络谱，对这t个包络谱中相同频率点f_i所对应谱线峰值求均值A_i，得到以频率点f_i为横坐标、频率分辨率△f为间隔频率、每个频率点f_i对应谱线峰值的均值A_i为纵坐标的频谱平均包络谱，i＝1,2,…，M，M为谱线数；

(4)、故障定位阶段：基于频谱平均包络谱，识别幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率，根据幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率对轴承进行故障诊断与定位。

所述(2)中所述预设峭度指标门限K_th取值范围为3.3～4.0。

所述空间轴承的故障特征频率包括空间轴承保持架旋转频率f_c、空间轴承滚珠频率f_b、空间轴承保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c，n＝1,2，m＝1,2、空间轴承滚珠通过外圈频率f_out、空间轴承滚珠通过外圈频率的分频0.5f_out、空间轴承滚珠通过内圈频率f_in、空间轴承滚珠通过内圈频率的分频0.5f_in。

在频谱平均包络谱，将所有谱线的峰值按照由大至小排序，定义所有谱线中峰值最大的前一定比率的谱线峰值P_j的均值为谱峰阈值限Q。

所述一定比率为10％～15％。

所述步骤(4)按如下情况对轴承进行故障诊断与定位：

A.保持架磨损：保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c(n＝1,2；m＝1,2)幅值占优；

B.轴承内圈损伤：滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优；

C.轴承外圈损伤：滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

D.运转不良：无保持架与滚珠的耦合频率nf_b±mf_c幅值占优，n＝1或2，m＝1或2，且无滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优，且无滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

所述幅值占优是指所某特征频率幅值高于谱峰阈值限Q的一定倍数及以上。

所述一定倍数为1.2～2.0。

所述步骤(1)中的采样频率SF为不小于轴承零件最小固有频率的2.56倍，采样时间t为10秒～30秒。

所述步骤(3)频率分辨率△f为0.2Hz～0.5Hz，谱线数M＝f_in/△f。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过峭度判断阶段的步骤，可以识别具有早期故障或运转状态不佳的存疑产品，解决了传统电流方法对空间轴承早期故障不敏感的问题，避免了存在早期故障的轴承装入产品交付整星发射，造成难以挽回的损失。

(2)、本发明通过包络谱分析阶段的步骤，可以对存疑轴承进行故障定位，解决了传统电流方法无法定位故障这一故障诊断的瓶颈问题，提高了故障诊断的可靠性和准确性。

(3)、本发明所涉及的方法同样适用于空间活动部件以及各种转动件的故障诊断和识别，有助于提高产品的寿命、可靠性等综合性能。

附图说明

图1是本发明的基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法流程图；

图2是本发明中获得被测产品振动信号的系统框图；

图3是本发明中某一被测产品的振动时域信号；

图4是本发明中某一被测产品包络解调后的频谱；

图5是本发明中另一被测产品包络解调后的频谱。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的基本思路为：提供一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，针对空间轴承故障，在完成运转采样阶段后，通过峭度判断阶段评估轴承状态，再通过包络谱分析阶段、故障定位阶段，在不拆解轴承情况下，实现轴承故障定位。

空间轴承一般为角接触球轴承，包括：滚动体、内圈、外圈和保持架，滚动体(可以是滚珠)位于内圈和外圈之间的保持架的兜孔内。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1所示，一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，包括运转采样阶段、峭度判断阶段、包络谱分析阶段和故障定位阶段。

(1)、所述运转采样阶段如下：

对由空间轴承支承转子部件的被检测产品，采用电机驱动被检测产品内转子部件在标称转速Ω下连续运转，通过加速度传感器采集包含空间轴承转动的被检测产品的振动时域信号；所述被检测产品为轴承组件或空间惯性执行机构；采样时间为t秒；所述被检测产品可以是轴承组件或空间惯性执行机构。

如图2所示，被检测产品1与安装支架2固结，并放置于稳定的测试平台4上，加速度传感器3粘接于距被检测产品轴承最近的支架安装面上。采用驱动控制设备，使被测产品1中由轴承支承的转子系统以标称转速Ω稳速运转，标称转速Ω由实际产品决定；

所述采样频率SF为不小于轴承零件最小固有频率的2.56倍，一般范围为12.8kHz～51.2kHz，采样时间为t为10秒～30秒，图3给出某产品采样时间t内，0～0.01秒的振动时域曲线。

(2)、所述峭度判断阶段如下：

计算振动时域信号每1秒的时域峭度指标K_s，s＝1,2,…，t，根据采样时间t秒内峭度指标K_s的最大值K_max是否大于预设峭度指标门限K_th，如果大于，认为被检测产品内空间轴承状态不佳，需进入步骤(3)进行包络谱分析，进而实现故障定位；否则，结束该空间轴承的早期故障诊断；所述预设峭度指标门限K_th取值范围为3.3～4.0，由被测产品类型确定。

每1秒振动时域信号的峭度指标K_s(s＝1,2,…，t)，可由公式

计算得到，其中T为计算时长，x(t)为t时刻对应的加速度幅值，μ为x(t)的均值，σ为标准差，

获得采样时间t内的峭度指标K_s的最大值K_max。根据图3所示的振动时域信号，采样时间t内计算得到的峭度指标最大值K_max＝4.44。

(3)、所述包络谱分析阶段如下：

轴承零部件一旦出现故障，会在其运动过程中产生低频脉动，脉动激起的振动可扩展为渐进的无穷简谐级数，其基频即为脉动的特征频率。保持架旋转频率f_c、滚珠频率f_b、滚珠通过外圈频率f_out、滚珠通过内圈频率f_in的计算公式分别如下所示：

f_in＝zf_c

f_out＝z(1-f_c)

式中，d为滚珠直径，D为轴承节圆直径，α为轴承接触角，z为滚珠个数，f为转速Ω对应的工作频率，f＝Ω/60。

基于轴承的结构参数和转速Ω，可以计算轴承的故障特征频率，包括保持架旋转频率f_c、滚珠通过内圈频率f_in及分频0.5f_in、滚珠通过外圈频率f_out及分频0.5f_out、滚珠频率f_b，以及保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c(n＝1,2；m＝1,2)。

本步骤采用Hilbert变换方法对每1秒的振动时域信号进行解调，得到每1秒振动时域信号所对应的包络谱，共得到t个包络谱，对这t个包络谱中相同频率点f_i所对应谱线峰值求均值A_i，得到以频率点f_i为横坐标、频率分辨率△f为间隔频率、每个频率点f_i对应谱线峰值的均值A_i为纵坐标的频谱平均包络谱，i＝1,2,…，M，M为谱线数；所述分析频带为f_c～f_in，频率分辨率△f为0.2Hz～0.5Hz，谱线数M＝f_in/△f。

根据图3所示的振动时域信号，取t个包络谱中相同频率点f_i(f₁＝f_c，f₂＝f_c+△f，f₂＝f_c+(i-1)△f，…，f_M＝f_in)所对应的谱线峰值的平均值A_i，以f_i为横坐标，A_i为纵坐标，i＝1,2,…，M，绘制频谱平均后的包络谱，可得到频谱平均包络谱如图4所示。

(4)、所述故障定位阶段如下：

基于频谱平均包络谱，识别幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率，根据幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率对轴承进行故障诊断与定位。

所述空间轴承的故障特征频率包括空间轴承保持架旋转频率f_c、空间轴承滚珠频率f_b、空间轴承保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c，n＝1,2，m＝1,2、空间轴承滚珠通过外圈频率f_out、空间轴承滚珠通过外圈频率的分频0.5f_out、空间轴承滚珠通过内圈频率f_in、空间轴承滚珠通过内圈频率的分频0.5f_in。

在频谱平均包络谱，将所有谱线的峰值按照由大至小排序，定义所有谱线中峰值最大的前一定比率的谱线峰值P_j的均值为谱峰阈值限Q。所述一定比率为10％～15％。例如，定义所有谱线中峰值最大的前10％的谱线峰值P_j的均值为谱峰阈值限Q，即Q＝ΣP_j/(10％M)，其中j＝1,2,…,10％M，且P₁>P₂>…P_j…>P_10％M。

如图4中虚线即为该包络谱的谱峰阈值限Q，按如下情况对轴承进行故障诊断与定位：

A.保持架磨损：保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c(n＝1,2；m＝1,2)幅值占优；

B.轴承内圈损伤：滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优；

C.轴承外圈损伤：滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

D.运转不良：无保持架与滚珠的耦合频率nf_b±mf_c幅值占优，n＝1或2，m＝1或2，且无滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优，且无滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

所述幅值占优是指所某特征频率幅值高于谱峰阈值限Q的一定倍数及以上。所述一定倍数为1.2～2.0。

由图4可知，频谱平均后的包络谱中，保持架与滚珠耦合频率2f_b－2f_c幅值占优，因此可诊断轴承存在保持架磨损故障。该产品通过轴承拆解确认滚道内存在保持架磨屑，与定位结论一致。

实施例：

如图5所示，某一飞轮轴承的振动时域信号峭度指标为3.82，频谱平均后的包络谱，滚珠通过外圈频率f_out、分频0.5f_out的幅值占优，因此可诊断轴承外圈存在损伤。该产品通过轴承拆解确认外圈沟道存在损伤，与定位结论一致。

以上实施例充分说明了采用本发明所提出的故障诊断方法，不仅可以识别空间轴承早期故障，而且可以实现不拆解产品下的轴承故障定位。一方面，可及时识别并定位故障轴承，采取有效补救措施，避免不必要的轴系报废，另一方面，有效避免了存在轴承早期故障的产品交付整星发射，阻止了后续在轨运行后产品性能恶化、甚至航天器失效等严重事故的发生，具有重要的经济价值和社会价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (8)

1.一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、运转采样阶段：对由空间轴承支承转子部件的被检测产品，采用电机驱动被检测产品内转子部件在标称转速Ω下连续运转，通过加速度传感器采集包含空间轴承转动的被检测产品的振动时域信号；所述被检测产品为轴承组件或空间惯性执行机构；采样时间为t秒；

(2)、峭度判断阶段：计算振动时域信号每1秒的时域峭度指标K_s，s＝1,2,…，t，根据采样时间t秒内峭度指标K_s的最大值K_max是否大于预设峭度指标门限K_th，判断被检测产品内空间轴承状态是否不佳，如果大于，则进入步骤(3)；否则，结束该空间轴承的早期故障诊断；

(3)、包络谱分析阶段：采用Hilbert变换方法对每1秒的振动时域信号进行解调，得到每1秒振动时域信号所对应的包络谱，共得到t个包络谱，对这t个包络谱中相同频率点f_i所对应谱线峰值求均值A_i，得到以频率点f_i为横坐标、频率分辨率△f为间隔频率、每个频率点f_i对应谱线峰值的均值A_i为纵坐标的频谱平均包络谱，i＝1,2,…，M，M为谱线数；

(4)、故障定位阶段：基于频谱平均包络谱，识别幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率，根据幅值高于谱峰阈值限Q的特征频率对轴承进行故障诊断与定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于所述(2)中所述预设峭度指标门限K_th取值范围为3.3～4.0。

3.根据权利要求1所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于所述空间轴承的故障特征频率包括空间轴承保持架旋转频率f_c、空间轴承滚珠频率f_b、空间轴承保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c，n＝1,2，m＝1,2、空间轴承滚珠通过外圈频率f_out、空间轴承滚珠通过外圈频率的分频0.5f_out、空间轴承滚珠通过内圈频率f_in、空间轴承滚珠通过内圈频率的分频0.5f_in。

4.根据权利要求1所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于在频谱平均包络谱，将所有谱线的峰值按照由大至小排序，定义所有谱线中峰值最大的前一定比率的谱线峰值P_j的均值为谱峰阈值限Q。

5.根据权利要求4所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于所述一定比率为10％～15％。

6.根据权利要求1所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于步骤(4)按如下情况对轴承进行故障诊断与定位：

A.保持架磨损：保持架与滚珠耦合频率nf_b±mf_c，n＝1,2；m＝1,2，幅值占优；

B.轴承内圈损伤：滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优；

C.轴承外圈损伤：滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

D.运转不良：无保持架与滚珠的耦合频率nf_b±mf_c幅值占优，n＝1或2，m＝1或2，且无滚珠通过内圈频率f_in或分频0.5f_in幅值占优，且无滚珠通过外圈频率f_out或分频0.5f_out幅值占优；

所述幅值占优是指某特征频率幅值高于谱峰阈值限Q的一定倍数及以上。

7.根据权利要求6所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于所述一定倍数为1.2～2.0。

8.根据权利要求1所述的一种基于峭度指标与包络谱的空间轴承早期故障诊断方法，其特征在于所述步骤(1)中的采样频率SF为不小于轴承零件最小固有频率的2.56倍，采样时间t为10秒～30秒。

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