CN114858453A - 一种轴承复合故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轴承故障诊断技术领域，具体涉及一种轴承复合故障诊断方法。该方法首先获取轴承的振动信号，然后进行谱相关计算，并依据谱相关计算结果进行改进谱相关计算，最后基于改进谱相关计算结果沿载频方向进行积分以进行增强谱相关计算，从而得到只反映调制频率特征的频谱结果，即得到忽略载频特征的时频谱结果，以更直观地反映故障特征提取结果，有效解决由于信号之间的耦合性以致传统包络谱分析方法无法有效提取滚动轴承复合故障特征的问题，只提取出滚动轴承发生故障时的目标特征频率‑调制频率，有效改进传统谱分析同时提取调制频率及载频造成时频分析结果中谱线分布复杂的缺点。

Description

一种轴承复合故障诊断方法

技术领域

本发明属于轴承故障诊断技术领域，具体涉及一种轴承复合故障诊断方法。

背景技术

作为旋转机械中应用最为广泛也是最容易发生故障的支撑部件之一——滚动轴承，其安全运行往往决定着整个设备的状态。对滚动轴承进行及时有效的故障判断，有着重要的经济及安全意义。然而，当滚动轴承发生复合故障时，由于各个单一故障信号之间的相互耦合性以及背景噪声的影响，常规分析方法如包络谱分析难以取得有效的特征提取效果。

基于二阶循环统计量的谱相关分析方法是一种有效的滚动轴承故障特征提取时频分析方法，可以取代包络谱分析对滚动轴承复合故障进行特征提取。但在实际应用中谱相关分析方法不仅提取出滚动轴承发生故障时的调制频率，而且还提取出载频，造成最终时频分析结果中谱线分布结构的复杂性，影响故障特征提取结果的直观反映，无法快速提取出复合故障特征频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴承复合故障诊断方法，用以解决利用现有技术的谱相关计算方法无法直观反映复合故障特征的问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明的一种轴承复合故障诊断方法，包括如下步骤：

1)获取轴承的振动信号；

2)对振动信号进行谱相关计算，得到谱相关计算结果；

3)根据谱相关计算结果，根据下式进行改进谱相关计算，得到改进谱相关计算结果：

式中，

表示改进谱相关计算结果，f表示载频，α表示故障特征频率，

表示谱相关计算结果，^*表示谱相关内积；

4)根据改进谱相关计算结果，沿载频方向进行积分进行增强谱相关计算，得到增强谱相关计算结果：

式中，f₁与f₂表示改进谱相关谱中能量分布集中处最小载频及最大载频，

表示增强谱相关计算结果；

5)根据增强谱相关计算结果，提取轴承的复合故障特征。

上述技术方案的有益效果为：面对采用现有技术中谱相关分析方法不仅提取出轴承发生故障时的调制频率，还提取出载频的现象，本发明首先使用改进谱相关分析方法对轴承复合故障进行时频分析，使分析结果相对于传统谱相关时频分析结果具有更优的时频特征提取效果及分辨率，在此基础上，计算相应的增强谱相关，从而得到只反映调制频率特征的频谱结果，即忽略载频特征的时频谱结果，以更直观地反映故障特征提取结果，有效解决由于信号之间的耦合性以致传统包络谱分析方法无法有效提取滚动轴承复合故障特征的问题，只提取出滚动轴承发生故障时的目标特征频率-调制频率，有效改进传统谱分析同时提取调制频率及载频造成时频分析结果中谱线分布复杂的缺点。

进一步地，为了提高轴承复合故障特征提取效率，步骤1)中，所述轴承的振动信号为发生报警时的振动信号。

进一步地，所述振动信号为加速度信号一次积分后的速度信号。

进一步地，为了有效减少误报率，采用如下方法确定发生报警时的振动信号：采集轴承各振动测点的原始加速度信号；对原始加速度信号进行一次积分得到速度信号，并根据原始加速度信号确定峭度值；若某原始加速度信号所对应的速度信号超过速度报警值且峭度值超过峭度报警值，则该原始加速度信号所对应的速度信号为发生报警的振动信号。

进一步地，为了提高轴承复合故障提取的计算效率，所述发生报警时的振动信号为原始加速度信号所对应的速度信号取值最大的信号。

进一步地，步骤2)中计算得到谱相关计算结果的过程包括：

①对轴承的振动信号进行自相关计算：

R_x(t,τ)＝E[x(t+τ/2)·x^*(t-τ/2)]＝E[x(t+nT₀+τ/2)·x^*(t+nT₀-τ/2)]

式中，R_x(t,τ)表示自相关计算结果，x(t)表示振动信号，^*表示谱相关内积，E[]表示均值运算符，T₀表示故障周期，τ表示随机滑动，n表示故障周期数

②用样本平均估计自相关计算结果的集总平均，公式为：

式中，

表示R_x(t,τ)的估计，N表示采样点数；

③根据如下公式确定自相关计算结果R_x(t,τ)的循环自相关函数：

式中，

表示循环自相关函数；

④根据如下公式计算振动信号x(t)的谱相关计算结果：

附图说明

图1是本发明的轴承复合故障诊断方法的流程图；

图2(a)是为滚动轴承复合故障(内圈外圈滚动体复合故障)时域图；

图2(b)是图2(a)所示信号的包络分析谱图；

图3是将图2(a)所示信号的传统谱相关时频分析结果图；

图4是将图2(a)所示信号的改进谱相关时频分析结果图；

图5是将图2(a)所示信号的增强谱相关时频分析结果图。

具体实施方式

本发明从多方面来改进滚动轴承复合故障诊断，第一方面为，使用改进谱相关分析方法对滚动轴承复合故障进行时频分析，分析结果相对于传统谱相关时频分析结果具有更优的时频特征提取效果及分辨率；第二方面为，在改进谱相关分析的计算结果基础之上，计算相应的增强谱相关，得到只反映调制频率特征(即故障频率)而忽略载频特征的时频谱结果，相对改进谱相关时频分析结果及谱相关时频分析结果，能更直观地反映故障特征提取结果。

下面结合附图和实施例，对本发明的一种轴承复合故障诊断方法进行详细说明。

方法实施例：

本发明的一种轴承复合故障诊断方法实施例，针对的轴承是滚动轴承，其整体流程如图1所示：

步骤一，对监测滚动轴承进行振动测点布置，并从中获取得到滚动轴承的报警振动信号。

具体的：

1、选择加速度传感器在滚动轴承各测点进行布置，并获取各加速度传感器采集的数据。

2、对各加速度传感器采集的数据进行处理，采用双指标报警方式判断是否出现报警：对加速度值进行积分得到速度值(监测振动幅值)，依据原始加速度信号的计算值确定峭度值；如果速度值超过速度报警值(根据国标设置)且峭度值超过峭度报警值(可设置为3.5)，则表明两个指标同时超标，判定该测点所对应的通道报警。采用双指标报警方式可以有效减少误报率。

3、若监测的滚动轴承有多个通道同时报警，则选择振动幅值最大的报警通道进行后续的谱相关计算。

步骤二，对步骤一中选取得到的振动信号x(t)(为呈现二阶循环平稳特性的滚动轴承复合故障信号)进行谱相关计算，具体计算过程如下：

1、计算振动信号x(t)的自相关函数，计算公式如下：

R_x(t,τ)＝E[x(t+τ/2)·x^*(t-τ/2)]＝E[x(t+nT₀+τ/2)·x^*(t+nT₀-τ/2)] (1)

式中，R_x(t,τ)表示自相关计算结果，x(t)表示振动信号，^*表示谱相关内积，E[]表示均值运算符，T₀表示故障周期，τ表示随机滑动，n表示故障周期数。

2、用样本平均估计式(1)的集总平均，公式如下：

式中，

表示R_x(t,τ)的估计，N表示采样点数。

3、由于R_x(t,τ)为周期函数，其Fourier系数可以表示为：

式中，

表示循环自相关函数，α表示循环频率。当滚动轴承发生故障时，故障特征频率即为循环频率。

4、计算振动信号x(t)的谱相关，如下式：

式中，f表示载频。

步骤三，为增强载频f以及故障特征频率α在谱相关时频图上的分辨率，在式(4)的基础上，根据如下公式进行改进谱相关计算，从而得到改进谱相关时频谱。计算公式如下：

式中，^*表示谱相关内积。

步骤四，基于步骤三得到的改进谱相关时频谱，沿载频方向进行能量积分，得到增强谱相关时频谱，即只提取故障频率而忽略载频，从而更清晰的表达故障特征提取结果。增强谱相关计算公式如下：

式中，f₁和f₂分别表示改进谱相关谱中能量分布集中处最小载频及最大载频，其值选取可根据改进谱相关结果进行人为选取。

步骤五，根据步骤四得到的增强谱相关时频谱，对复合故障进行特征提取，对复合故障进行分析。

至此，便可完成滚动轴承的复合故障诊断。下面将该方法应用于具体的实例中以说明其有效性。如图2(a)所示为滚动轴承复合故障(内圈外圈滚动体复合故障)时域图，图2(b)为图2(a)所示信号的包络谱，无法有效提取故障特征；图3是图2(a)所示信号的传统谱相关时频分析结果；图4是图2(a)所示信号的改进谱相关时频分析结果；图5是图2(a)所示信号的增强谱相关时频分析结果，可以看出，有效提取出滚动轴承符合故障特征频率。

综上，本发明采用增强谱相关时频分析方法对滚动轴承复合故障信号进行特征提取，有效解决由于信号之间的耦合性以致传统包络谱分析方法无法有效提取滚动轴承复合故障特征问题的同时，只提取出滚动轴承发生故障时的目标特征频率-调制频率，有效改进传统谱分析同时提取调制频率及载频造成时频分析结果中谱线分布复杂的缺点，具有更直观的特征提取效果。

Claims (6)

1.一种轴承复合故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取轴承的振动信号；

2)对振动信号进行谱相关计算，得到谱相关计算结果；

3)根据谱相关计算结果，根据下式进行改进谱相关计算，得到改进谱相关计算结果：

式中，

表示改进谱相关计算结果，f表示载频，α表示故障特征频率，

表示谱相关计算结果，^*表示谱相关内积；

4)根据改进谱相关计算结果，沿载频方向进行积分进行增强谱相关计算，得到增强谱相关计算结果：

式中，f₁与f₂表示改进谱相关谱中能量分布集中处最小载频及最大载频，

表示增强谱相关计算结果；

5)根据增强谱相关计算结果，提取轴承的复合故障特征。

2.根据权利要求1所述的轴承复合故障诊断方法，其特征在于，步骤1)中，所述轴承的振动信号为发生报警时的振动信号。

3.根据权利要求2所述的轴承复合故障诊断方法，其特征在于，所述振动信号为加速度信号一次积分后的速度信号。

4.根据权利要求2所述的轴承复合故障诊断方法，其特征在于，采用如下方法确定发生报警时的振动信号：

采集轴承各振动测点的原始加速度信号；

对原始加速度信号进行一次积分得到速度信号，并根据原始加速度信号确定峭度值；

若某原始加速度信号所对应的速度信号超过速度报警值且峭度值超过峭度报警值，则该原始加速度信号所对应的速度信号为发生报警的振动信号。

5.根据权利要求2所述的轴承复合故障诊断方法，其特征在于，所述发生报警时的振动信号为原始加速度信号所对应的速度信号取值最大的信号。

6.根据权利要求1～5任一项所述的轴承复合故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中计算得到谱相关计算结果的过程包括：

①对轴承的振动信号进行自相关计算：

R_x(t,τ)＝E[x(t+τ/2)·x^*(t-τ/2)]＝E[x(t+nT₀+τ/2)·x^*(t+nT₀-τ/2)]

式中，R_x(t,τ)表示自相关计算结果，x(t)表示振动信号，^*表示谱相关内积，E[]表示均值运算符，T₀表示故障周期，τ表示随机滑动，n表示故障周期数；

②用样本平均估计自相关计算结果的集总平均，公式为：

式中，

表示R_x(t,τ)的估计，N表示采样点数；

③根据如下公式确定自相关计算结果R_x(t,τ)的循环自相关函数：

式中，

表示循环自相关函数；

④根据如下公式计算振动信号x(t)的谱相关计算结果：

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