CN114674563B - 一种单传感器轴承损伤故障定位方法 - Google Patents

一种单传感器轴承损伤故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单传感器轴承损伤故障定位方法，属机械设备状态监测及故障诊断领域。本发明包括步骤：首先针对故障轴承的材质，对lamb波频散方程进行求解，估计不同频段信号的传播速度。使用Akaike信息准则确定声发射源中不同频段信号到达传感器的时间差，再根据不同频带的信号到达传感器的时间差对声发射源定位。针对使用一个时间差定位产生的镜像位置问题，改变一次传感器的位置后对同一声发射源进行第二次位置计算，从而得到声发射源的唯一确定位置。本发明减少了轴承故障定位过程中传感器的使用数量，降低轴承声发射源故障检测成本，且解决了轴承声发射定位过程中无法满足布置多个传感器对声发射源定位的问题，具有更广泛的适用性。

Description

一种单传感器轴承损伤故障定位方法
技术领域
本发明涉及一种单传感器轴承损伤故障定位方法，属于机械设备状态监测及故障诊断技术领域。
背景技术
大型轴承逐步广泛应用于矿山设备、冶金设备、风力发电机主旋翼等低速重载设备中。对轴承零部件进行状态检测及故障诊断可有效保证设备正常运行，节约日常维护成本。
声发射检测主要包括三个方面:分析声发射源性质、评估声发射源的严重程度、准确确定声发射源位置，声发射技术的核心问题是声发射源定位。
对轴承进行声发射源定位过程中常受工作环境的影响而无法在轴承外侧布置多个传感器协同工作，使用更少传感器对轴承声发射源进行定位，不仅可以节约状态检测及故障诊断成本，还可以将传感器布置在轴承外侧任意位置对声发射源进行故障诊断。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单传感器轴承损伤故障定位方法，以用于解决轴承声发射定位过程中无法满足布置多个传感器对声发射源定位的问题，同时减少了定位过程中传感器的使用数量，降低轴承声发射源故障检测成本，且具有更广泛的适用性。
本发明的技术方案是：一种单传感器轴承损伤故障定位方法，使用一个传感器，通过对传感器在两个不同位置处采集的声发射信号进行处理，对轴承声发射源唯一定位，所述方法的具体步骤如下：
S1：通过对轴承材料频散方程的求解，得出轴承材料的截止频率，以及截止频率以下各频率信号的传播模式及传播速度；
S2：使用一个吸附在轴承外侧任意位置处的传感器采集轴承损伤声发射信号；
S3：对采集到的信号进行滤波处理，得到两个频率不同且低于截止频率的定位信号；
S4：使用Akaike信息准则求取定位信号到达传感器的时间；
S5：通过频散方程的求解，得到滤波后两个定位信号的传播速度；
S6：已知两个不同频率定位信号的传播速度及到达传感器的时间差能求出传感器与声发射源之间的距离并转换为角度差；
S7：由于声发射信号在环状结构的轴承中传播方式为线性传播，通过一次定位计算得到两个声发射源位置，需排除其中一个；
S8：改变一次传感器位置后重复步骤S2-S7，对声发射源进行第二次定位，得到两个定位结果；
S9：对两次定位得到的四个结果进行筛除，确定声发射源的唯一位置。
作为本发明的进一步方案，所述S1中，根据轴承材料的材质通过查取无损检测手册中标准的横波和纵波速度带入频散方程计算，得到轴承材料对应的频散曲线，通过频散曲线得到材料的截止频率以及各频率信号的传播模式及传播速度。
作为本发明的进一步方案，所述S2中，传感器吸附在轴承座圈外侧，使用声发射信号采集设备对轴承中的声发射信号进行第一次采集。
作为本发明的进一步方案，所述S3中，对采集到的信号进行滤波处理，得到两个频率不同且低于截止频率的定位信号：低频信号和高频信号。
作为本发明的进一步方案，所述S6中，若lamb波两个不同频段信号Y1和Y2的传播速度分别为V1和V2，两信号从声发射源P处到达传感器S所需的时间为T1和T2，轴承半径为R；
Y1从声发射源到达传感器所需时间：
Figure BDA0003567719820000021
Y2从声发射源到达传感器所需时间：
Figure BDA0003567719820000022
两式相减，得到声发射源与传感器之间的距离差:
Figure BDA0003567719820000023
转换为声发射源与传感器之间的角度：
Figure BDA0003567719820000024
作为本发明的进一步方案，所述S9中，对同一声发射源两次定位的四个定位结果中两个相同的结果即为声发射源的唯一位置。
所述S7中，由于声发射信号在轴承中的传播为线性传播，使用单传感器对线性材料中声发射源进行定位，确定声发射源与传感器之间的距离，但无法判断声发射波传播方向，因此通过一次计算得到两个声发射源位置。
所述S8中改变一次传感器在轴承外侧的布置位置，重复S2-S7，对声发射源进行第二次定位并得到两个定位结果，需要结合第一次定位结果确定声发射源的唯一位置。
本发明的有益效果是：本发明能通过仅仅使用一个传感器有效实现轴承损伤定位，解决轴承声发射定位过程中无法满足布置多个传感器对声发射源定位的问题，同时减少了定位过程中传感器的使用数量，降低轴承声发射源故障检测成本，且具有更广泛的适用性。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是Akaike信息准则原理示意图；
图3是声发射源定位原理示意图；
图4是轴承钢材料频散曲线图；
图5是实施例实验图；1-轴承座，2-轴圈轨道；
图6是实施例断铅信号频谱图；
图7是实施例定位信号到达时间图；
图8是实施例高频信号和低频信号传播模式为A0模式的定位结果图；
图9是实施例高频信号和低频信号传播模式分别为S0模式和A0模式的定位结果图；
图10是实施例改变传感器位置后高频信号和低频信号传播模式分别为S0模式和A0模式的定位结果图。
具体实施方式
实施例1：图1为本发明方法的流程图。如图1所示，一种单传感器轴承损伤故障定位方法，包括：步骤S1至步骤S9；
S1：通过对轴承钢材料频散方程的计算，得出轴承钢材料的截止频率，以及截止频率以下各频率信号的传播模式及传播速度；
具体的，lamb波的传播可用式(1)和式(2)来表示：
对称型：
Figure BDA0003567719820000031
反对称型：
Figure BDA0003567719820000032
式中：
Figure BDA0003567719820000033
其中：d为板厚，f为波的频率，cp为兰姆波相速度，cl为纵波速度,ct为横波速度。根据材料标号、材料密度及热处理工艺，按标准选取材料的纵波速度和横波波速度。带入式(1)和式(2)的频散方程中计算可得到对应材料的频散曲线。从频散曲线图中可看出在该材料的截至频率以下的信号仅有S0和A0两种传播模式。且低于截至频率以下的信号在传播过程中由于频率较低，容易出现S0模式和A0模式中某一模式占主要传播模式的情况，使整个信号具有的传播速度表现为该主要传播模式的速度。
S2：使用一个吸附在轴承外侧任意位置处的传感器采集轴承损伤声发射信号；
具体的，对于具有环状结构的大型轴承，声发射信号通常沿滚道传播。由于轴承尺寸较大而轴圈滚道厚度相对较小，将声发射信号在其间传播过程认定为信号在环形的薄板状结构中传播，轴承及轴承座圈简化为一个节圆。忽略传感器自身尺寸及安装位置的偏差，可认为传感器安装在节圆上。传感器直接布置在圆环外侧，任意位置处采集轴承损伤声发射信号。不考虑声发射信号在传播介质表面反射的情况下，声发射信号只沿轴承轴圈周向呈线性传播，声发射信号到达传感器的时间与声发射源距传感器最短距离成正比。
S3：对采集到的信号进行滤波处理，得到两个频率不同且低于截止频率的定位信号：低频信号和高频信号。
具体的，为了确定定位所需信号，将传感器在初始位置处采集到低于截止频率以下的部分信号对应的功率谱进行累加，选取低于截至频率且功率较大部分的信号作为定位信号。由于传播过程中的lamb波信号具有频散性，在保证截取后信号不失真的前提下减少频散现象对计算信号到达时间差的影响，信号处理过程中尽量选取较窄的频带对原始信号进行滤波。
S4：使用Akaike信息准则求滤波后信号到达传感器的时间；
具体的，轴承由于局部缺陷(如裂缝，凹坑，剥落等)，滚动原件与缺陷接触时会产生脉冲，从而引起突发的脉冲信号。这种突发的脉冲声发射信号，主要包含非信息部分(噪声)和信息部分(脉冲)，信号强脉冲与噪声之间的分界点可以认为是信号到达传感器的时间。使用Akaike信息准则(Akaike Information Criterion，AIC)可以准确识别声发射信号噪声和强脉冲之间分界点，来求解信号到达传感器的时间。通过选择合适窗宽T及引入特征函数的方法，可进一步提高轴承上声发射信号到达时间计算准确性。
AIC函数可以将声发射信号分为噪声和有效信息两个局部稳定的时间序列，最佳分界点可以视为信号到达传感器的时间。对于长度为T的时间序列x，Akaike信息准则可以定义为：
AIC(t)＝tlog_10(var{x(1:t)})+(T-t-1)log_10(var{(x(t:T))})
其中var表示时间序列x的方差，T是信号总持续时间。在最佳分界点t处，t之前的矢量为高熵不相关的噪声，t后的矢量是具有显著相关性的低熵信号，当Akaike信息准则函数将到达最小值时，最佳分界点就是信号到达时间。图2为Akaike信息准则原理示意图。
S5：通过频散方程的求解，得到滤波后的低频、高频信号传播速度；
具体的，根据步骤S3已经确定的定位信号频带及S1通过轴承钢频散方程计算得出的各信号传播速度，统计两个定位频带中心频率信号两种传播模式对应的传播速度。此时，两个定位信号各有两个可能的传播速度，可根据信号到达传感器的时间差初步排除一些不可能的传播速度，不能排除的则带入S6中进行多次计算。
S6：已知两个不同频率信号的传播速度及到达传感器的时间差可通过公式求解得到传感器与声发射源之间的距离并转换为角度差；
具体的，若lamb波两个不同频段信号Y1和Y2的传播速度分别为V1和V2，两信号从图2声发射源P处到达传感器S所需的时间为T1和T2，轴承半径为R。
Y1从声发射源到达传感器所需时间：
Figure BDA0003567719820000051
Y2从声发射源到达传感器所需时间：
Figure BDA0003567719820000052
两式相减，得到声发射源与传感器之间的距离差:
Figure BDA0003567719820000053
转换为声发射源与传感器之间的角度：
Figure BDA0003567719820000054
S7：由于声发射信号在环状结构的轴承中传播方式为线性传播，通过一次计算可得到两个声发射源位置，需排除其中一个；
具体的，通过S6可求出声发射源与传感器之间的角度。使用一个传感器对线性材料中声发射源定位时，可以确定声发射源与传感器之间的距离，并转换为声发射源于传感器之间的角度差α°，但无法判断声发射波传播方向，因此定位结果存在镜像位置问题。声发射源位置可能是传感器逆时针方向α°的位置处，也可能是传感器顺时针方向α°的位置，需要对两个声发射源中不正确定的定位结果进行筛除。其次，对于S5中无法确定传播速度的问题也可通过定位结果是否在0°-360°内排除不正确的传播速度。
S8：改变一次传感器位置后重复步骤S2-S7，对声发射源进行第二次定位，得到两个定位结果；
具体的，图3为声发射源唯一定位原理图，若传感器首先布置于S处，通过步骤S6可求出声发射源与传感器之间的角度差为α°，声发射源的位置可能是传感器逆时针方向α°的位置处，也可能是传感器顺时针方向α°的位置，若将传感器S移动一定角度至S′处，重复步骤S2-S7，同样可求出声发射源在与S′角度差为β°的Pa和Pb′位置处，两次定位的四个结果中重合点Pa即为真实声发射源位置。
S9：对两次定位得到的四个结果进行筛除，确定声发射源的唯一位置及轴承中定位信号的传播模式。
具体的，步骤S8中通过对同一声发射源位置的两次定位计算得到四个定位结果，若有两个定位结果相同，即可证明定位信号的传播速度选取正确且两次定位中相互重合的定位结果为声发射源位置，否则证明传播速度选取错误。
下面对本公开所提出的方法进行实例性描述。
1、使用型号为HRB811/500圆柱滚子轴承作为本实施例中的实验对象。按照材料标准取纵波速度cl＝5890m/s，横波波速ct＝3200m/s。带入(1)和式(2)的频散方程中计算可得到轴承钢材料频散曲线如图4。从图4中可看出截至频率为76kHz。
2、本实施例中，在轴圈滚道表面P点位置进行断铅实验模拟损伤信号，如图5。一个PACα15声发射传感器吸附在轴承座圈外侧，将传感器放置的初始位置S定义为0°，使用PAC-PCI2系统采集经过PAC 2/4/6放大器后的信号，声发射脉冲波形采样频率设置为2MHz，在轴圈滚道表面位置进行30次断铅实验模拟损伤信号。之后将传感器沿顺时针方向移动30°到S'，在同一声发射源位置P点处进行第二组30次断铅实验并采集信号。
3、将传感器在初始位置处采集的30次断铅信号功率谱中低于76kHz的部分累加，见图6。根据信号的频谱强度选择Lamb波两个定位频带，低频信号为22kHz-27kHz，高频信号为53kHz-58kHz。
4、使用Akaike信息准则确定传感器在初始位置处两个定位信号到达传感器的时间为图7，通过图7可知22kHz-27kHz的低频段信号传播速度低于53kHz-58kHz的高频段信号。
5、S1中通过频散曲线的求解，得到两个定位信号两种模式所对应的传播速度统计为表1。结合图7可推断22kHz-27kHz的低频信号在轴承中的传播模式为A0模式，传播速度为2984m/s，53kHz-58kHz的高频信号传播模式可能是A0模式，也可能是S0模式。
表1为两个定位信号两种模式所对应的传播速度
22kHz-27kHz 53kHz-58kHz
A<sub>0</sub>模式 2984m/s 3215m/s
S<sub>0</sub>模式 5321m/s 4888m/s
6、已知低频信号的传播模式为A0模式，若高频信号的传播模式为A0模式，通过步骤S6计算得到的定位结果为图8。若高频信号的传播模式为S0模式，通过步骤S6计算得到的定位结果为图9。
7、图8中高频信号的传播模式为A0模式，定位结果全部不在0°-360°范围内，由此可知在轴承中传播的高频信号并非A0模式。声发射源的位置在120°或是240°附近。
8、对传感器改变位置后采集到的数据使用相同方法分析。如图10，改变传感器位置后对同一发射源定位的结果在120°和180°附近。结合两次计算的定位结果可以判定声发射源的唯一位置为120°附近，与实际断铅位置基本一致。
综上，通过本公开设计的单传感器轴承损伤故障定位方法可以通过仅使用一个传感器有效实现轴承损伤定位。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：使用一个传感器，通过对传感器在两个不同位置处采集的声发射信号进行处理，对轴承声发射源唯一定位，所述方法的具体步骤如下：
S1：通过对轴承材料频散方程的求解，得出轴承材料的截止频率，以及截止频率以下各频率信号的传播模式及传播速度；
S2：使用一个吸附在轴承外侧任意位置处的传感器采集轴承损伤声发射信号；
S3：对采集到的信号进行滤波处理，得到两个频率不同且低于截止频率的定位信号；
S4：使用Akaike信息准则求取定位信号到达传感器的时间；
S5：通过频散方程的求解，得到滤波后两个定位信号的传播速度；
S6：已知两个不同频率定位信号的传播速度及到达传感器的时间差能求出传感器与声发射源之间的距离并转换为角度差；
S7：由于声发射信号在环状结构的轴承中传播方式为线性传播，通过一次定位计算得到两个声发射源位置，需排除其中一个；
S8：改变一次传感器位置后重复步骤S2-S7，对声发射源进行第二次定位，得到两个定位结果；
S9：对两次定位得到的四个结果进行筛除，确定声发射源的唯一位置。
2.根据权利要求1所述的单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：所述S1中，根据轴承材料的材质通过查取无损检测手册中标准的横波和纵波速度带入频散方程计算，得到轴承材料对应的频散曲线，通过频散曲线得到材料的截止频率以及各频率信号的传播模式及传播速度。
3.根据权利要求1所述的单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：所述S2中，传感器吸附在轴承座圈外侧，使用声发射信号采集设备对轴承中的声发射信号进行第一次采集。
4.根据权利要求1所述的单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：所述S3中，对采集到的信号进行滤波处理，得到两个频率不同且低于截止频率的定位信号：低频信号和高频信号。
5.根据权利要求1所述的单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：所述S6中，若lamb波两个不同频段信号Y1和Y2的传播速度分别为V1和V2，两信号从声发射源P处到达传感器S所需的时间为T1和T2，轴承半径为R；
Y1从声发射源到达传感器所需时间：
Figure FDA0003567719810000021
Y2从声发射源到达传感器所需时间：
Figure FDA0003567719810000022
两式相减，得到声发射源与传感器之间的距离差:
Figure FDA0003567719810000023
转换为声发射源与传感器之间的角度：
Figure FDA0003567719810000024
6.根据权利要求1所述的单传感器轴承损伤故障定位方法，其特征在于：所述S9中，对同一声发射源两次定位的四个定位结果中两个相同的结果即为声发射源的唯一位置。
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