一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法与流程

1.本发明涉及滚动轴承故障诊断技术领域，具体涉及一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法。


背景技术：

2.滚动轴承元件的表面损伤通常会激起重复性的瞬态冲击，相应地，滚动轴承的振动信号中常表现为以一定特征频率周期性出现的瞬态脉冲。因此，周期性脉冲特征的提取是滚动轴承故障诊断的重要前提。滚动轴承故障引起的瞬态脉冲具有二阶循环平稳性，一种有效的分析方法是谱相干。由于谱相干是谱频率和循环频率的二维表示，因此应用中常沿谱频率轴对谱相干进行积分构造得到增强包络谱(enhanced envelope spectrum)，并通过分析增强包络谱实现滚动轴承的故障检测和诊断。然而，增强包络谱是由谱相干在整个谱频带范围(即零至奈奎斯特频率)积分得到且未考虑故障信息在整个频带内的分布差异，从而导致在强干扰噪声情况下，无法有效消除干扰成分对故障特征频率识别的影响。由谱相干在共振频带范围内积分得到的改进包络谱(improved envelope spectrum)能够提高基于谱相干的包络谱的故障检测能力，但是该方法通常只选择一个对故障敏感的共振频带进行积分而未考虑其他包含故障信息的共振频带，在分析具有多共振频带的轴承振动信号时无法有效提取轴承故障特征信息。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法，以解决现有的故障诊断方法在分析具有多共振频带的轴承振动信号时，无法有效提取轴承故障特征信息的问题。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
5.本发明提供一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法，所述诊断方法包括：
6.s1：获取滚动轴承的振动加速度信号；
7.s2：估算所述滚动轴承振动加速度信号的二维谱相干；
8.s3：构造所述二维谱相干的包络谱切片权重函数；
9.s4：根据所述二维谱相干和所述包络谱切片权重函数，得到振动加速度信号的加权组合包络谱；
10.s5：根据所述滚动轴承相关故障信息，分析所述加权组合包络谱，得到分析结果；
11.s6：根据所述分析结果，诊断滚动轴承故障。
12.可选择地，所述步骤s1中，利用振动加速度传感器和数据采集设备获取所述滚动轴承的振动加速度信号。
13.可选择地，所述步骤s2中，所述滚动轴承振动加速度信号的二维谱相干为：
[0014][0015]
其中，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，s
x
(α,f)为振动加速度信号的谱相关，α为循环频率，f为谱频率，s
x
(0,f)为振动加速度信号的谱相关在α＝0处的切片，s
x
(0,f
‑
α)为振动加速度信号的谱相关在α＝0处的切片沿谱频率平移α后的结果。
[0016]
可选择地，所述振动加速度信号的谱相关表示为：
[0017][0018]
其中，s
x
(α,f)为振动加速度信号的谱相关，α为循环频率，f为谱频率，n为所述振动加速度信号的采样长度，f
s
为所述振动加速度信号的采样频率，r
x
(t
n
,τ
m
)为所述振动加速度信号的瞬时自相关函数，且速度信号的瞬时自相关函数，且是期望算子，*表示复数共轭，t
n
＝n/f
s
，n＝0,1,2,
…
,n
‑
1，τ
m
＝m/f
s
，m＝0,1,2,
…
n
‑
1，t
n
和τ
m
分别表示采样时刻和时间延迟。
[0019]
可选择地，所述步骤s3中，所述二维谱相干的包络谱切片权重函数为：
[0020][0021]
其中，w(f)表示所述二维谱相干的包络谱切片权重函数，表示谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度，thres为阈值。
[0022]
可选择地，所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度表示为：
[0023][0024]
其中，fdsnrm(f)表示所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度，h和l分别是包络谱切片中故障特征频率的谐波数量和循环频率的数量，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，a
h
表示一个以频率hf
m
为中心的窄循环频率带且a
h
＝{α|(h
‑
δ)f
m
≤α≤(h δ)f
m
}，h＝1,2,
…
,h，δ是一个小的正数，f
m
是滚动轴承的故障特征频率，α和f分别表示循环频率和谱频率。
[0025]
可选择地，所述阈值表示为：
[0026]
thres＝μ(fdsnrm(f)) η
·
σ(fdsnrm(f))
[0027]
其中，μ(
·
)和σ(
·
)分别是均值算子和标准差算子，η是一个用于调整阈值的非负的系数，fdsnrm(f)表示所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度。
[0028]
可选择地，所述步骤s4中，所述振动加速度信号的加权组合包络谱表示为：
[0029][0030]
其中，wces(α)为振动加速度信号的加权组合包络谱，w(f)表示所述二维谱相干的
包络谱切片权重函数，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，f
s
为所述振动加速度信号的采样频率，α和f分别表示循环频率和谱频率，α
i
表示第i个离散循环频率且α
i
＝if
s
/n，n和f
s
分别为振动加速度信号的采样长度和采样频率。
[0031]
可选择地，所述滚动轴承相关故障信息包括：
[0032]
所述滚动轴承的尺寸参数和转速信息；和/或
[0033]
根据所述滚动轴承的尺寸参数和转速信息，得到所述滚动轴承各元件的故障特征频率。
[0034]
本发明具有以下有益效果：
[0035]
本发明所提的方法不需要对谱相干的谱频带进行划分，计算过程简便；采用频域信噪比测度评估故障特征信息在整个谱频带的分布差异，且引入信息阈值来辨识谱相干中故障信息丰富和干扰成分主导的包络谱切片；构造的权重函数能够增强故障相关成分的幅值和削弱干扰成分的影响。该方法能够有效揭示滚动轴承的故障特征信息，是一种有效的滚动轴承故障诊断方法。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例所提供的基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法的流程图；
[0037]
图2为本发明实施例所提供的基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法的外圈故障轴承的振动加速度信号及其谱相干、增强包络谱、频域信噪比测度和加权组合包络谱；
[0038]
图3为本发明实施例所提供的基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法的内圈故障轴承的振动加速度信号及其谱相干、增强包络谱、频域信噪比测度和加权组合包络谱.
具体实施方式
[0039]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0040]
实施例1
[0041]
本发明提出一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法，方法流程图如图1所示。该方法设计一个频域信噪比测度来量化评估谱相干的每一个包络谱切片中包含的轴承故障特征信息，并引入一个信息阈值来辨识谱相干中故障信息丰富和干扰成分主导的包络谱切片，然后由频域信噪比测度和信息阈值构造一个权重函数来增强基于谱相干的包络谱的故障特征提取和干扰噪声消除能力。
[0042]
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0043]
本发明提供一种基于加权组合包络谱的滚动轴承故障诊断方法，参考图1所示，所述诊断方法包括：
[0044]
s1：获取滚动轴承的振动加速度信号；
[0045]
s2：估算所述滚动轴承振动加速度信号的二维谱相干；
[0046]
s3：构造所述二维谱相干的包络谱切片权重函数；
[0047]
s4：根据所述二维谱相干和所述包络谱切片权重函数，得到振动加速度信号的加权组合包络谱；
[0048]
s5：根据所述滚动轴承相关故障信息，分析所述加权组合包络谱，得到分析结果；
[0049]
s6：根据所述分析结果，诊断滚动轴承故障。
[0050]
本发明具有以下有益效果：
[0051]
本发明所提的方法不需要对谱相干的谱频带进行划分，计算过程简便；采用频域信噪比测度评估故障特征信息在整个谱频带的分布差异，且引入信息阈值来辨识谱相干中故障信息丰富和干扰成分主导的包络谱切片；构造的权重函数能够增强故障相关成分的幅值和削弱干扰成分的影响。该方法能够有效揭示滚动轴承的故障特征信息，是一种有效的滚动轴承故障诊断方法。
[0052]
可选择地，所述步骤s1中，利用振动加速度传感器和数据采集设备获取所述滚动轴承的振动加速度信号。
[0053]
这里的数据采集设备指的是采集轴承振动加速度信号的仪器设备，包括数据采集卡、安装了数据采集软件的电脑等。
[0054]
具体地，振动加速度信号的数学符号为：x(t
n
)。
[0055]
其中，t
n
＝n/f
s
,n＝0,1,
…
,n
‑
1是采样时刻，f
s
是采样频率，n是信号采样长度。
[0056]
可选择地，所述步骤s2中，所述滚动轴承振动加速度信号的二维谱相干(spectral coherence)为：
[0057][0058]
其中，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，s
x
(α,f)为振动加速度信号的谱相关，α为循环频率，f为谱频率，s
x
(0,f)为振动加速度信号的谱相关在α＝0处的切片，s
x
(0,f
‑
α)为振动加速度信号的谱相关在α＝0处的切片沿谱频率平移α后的结果。
[0059]
可选择地，所述振动加速度信号的谱相关(spectral correlation)表示为：
[0060][0061]
其中，s
x
(α,f)为振动加速度信号的谱相关，α为循环频率，f为谱频率，n为所述振动加速度信号的采样长度，f
s
为所述振动加速度信号的采样频率，r
x
(t
n
,τ
m
)为所述振动加速度信号的瞬时自相关函数，且速度信号的瞬时自相关函数，且是期望算子，*表示复数共轭，t
n
＝n/f
s
，n＝0,1,2,
…
,n
‑
1，τ
m
＝m/f
s
，m＝0,1,2,
…
n
‑
1，t
n
和τ
m
分别表示采样时刻和时间延迟。
[0062]
可选择地，所述步骤s3中，所述二维谱相干的包络谱切片权重函数为：
[0063][0064]
其中，w(f)表示所述二维谱相干的包络谱切片权重函数，fdsnrm(f)表示谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度，thres为阈值。
[0065]
可选择地，所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度
(frequency domain signal
‑
to
‑
noise ratio measure,fdsnrm)表示为：
[0066][0067]
其中，fdsnrm(f)表示所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度，h和l分别是包络谱切片中故障特征频率的谐波数量和循环频率的数量，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，a
h
表示一个以频率hf
m
为中心的窄循环频率带且a
h
＝{α|(h
‑
δ)f
m
≤α≤(h δ)f
m
}，h＝1,2,
…
,h，δ是一个小的正数，f
m
是滚动轴承的故障特征频率，α和f分别表示循环频率和谱频率，α
i
表示第i个离散循环频率且α
i
＝if
s
/n，n和f
s
分别为振动加速度信号的采样长度和采样频率。
[0068]
可选择地，所述阈值表示为：
[0069]
thres＝μ(fdsnrm(f)) η
·
σ(fdsnrm(f))
[0070]
其中，μ(
·
)和σ(
·
)分别是均值算子和标准差算子，η是一个用于调整阈值的非负的系数，fdsnrm(f)表示所述谱相干在每一谱频率处的包络谱切片的频域信噪比测度。
[0071]
可选择地，所述步骤s4中，所述振动加速度信号的加权组合包络谱(weighted combined envelope spectrum,wces)表示为：
[0072][0073]
其中，wces(α)为振动加速度信号的加权组合包络谱，w(f)表示所述二维谱相干的包络谱切片权重函数，γ
x
(α,f)为所述加速度信号的二维谱相干，f
s
为所述振动加速度信号的采样频率，α和f分别表示循环频率和谱频率。
[0074]
可选择地，所述滚动轴承相关故障信息包括：
[0075]
所述滚动轴承的尺寸参数和转速信息；和/或
[0076]
根据所述滚动轴承的尺寸参数和转速信息，得到所述滚动轴承各元件的故障特征频率。
[0077]
具体地，根据待检测滚动轴承的尺寸参数和转速信息估计滚动轴承各元件的故障特征频率。根据滚动轴承的故障特征频率，判断加权组合包络谱中故障特征频率及其谐波成分处的谱线是否能够观测到。若某一元件的故障特征频率及其谐波成分处的谱线非常明显，即可判别滚动轴承存在故障及其故障类型。
[0078]
本发明提出的方法的参数包括窗函数的类型、窗长度、观测的最大循环频率、阈值系数η和故障特征频率f
m
。以下实施例中，窗函数为汉宁(hanning)窗、窗长度为128个采样点、阈值系数为1.5；实施例2中观测的最大循环频率为250hz，实施例3中观测的最大循环频率为1200hz；实施例2的故障特征频率为66.42hz，实施例3的故障特征频率为325.8hz。
[0079]
实施例2
[0080]
图2是具有外圈故障的滚动轴承的振动加速度信号及其谱相干、增强包络谱、频域信噪比测度和加权组合包络谱。轴承振动加速度信号的采样频率为150khz，分析的信号长度为4s。图2(b)和(c)所示的谱相干和增强包络谱中无法观测到轴承外圈故障特征频率f
o
及其谐波对应的谱线，无法识别滚动轴承的外圈故障。图2(d)所示的频域信噪比测度表明轴承外圈故障特征信息主要分布在47khz附近的谱频带内。图2(e)所示的轴承振动加速度信号的加权组合包络谱中能够清晰检测到轴承外圈故障特征频率f
o
及其前2阶谐波2f
o
和3f
o
处的谱线，可以判断为轴承外圈故障。因此，本发明提出的方法能够有效检测出滚动轴承的外圈故障。
[0081]
实施例3
[0082]
图3是具有内圈故障的滚动轴承的振动加速度信号及其谱相干、增强包络谱、频域信噪比测度和加权组合包络谱。轴承振动加速度信号的采样频率为51.2khz，分析的信号长度为4s。图3(b)所示的谱相干中无法清楚观测到轴承内圈故障特征频率f
i
及其谐波对应的谱线，无法识别滚动轴承的内圈故障。图3(c)所示的增强包络谱中能够观测到轴承内圈故障特征频率f
i
及其前2阶谐波2f
i
和3f
i
对应的谱线。图3(d)所示的频域信噪比测度表明轴承内圈故障特征信息主要分布在7khz、11khz和17.5khz附近的三个谱频带内。从图3(e)所示的轴承振动加速度信号的加权组合包络谱中能够清晰检测到轴承内圈故障特征频率f
i
及其前2阶谐波2f
i
和3f
i
处的谱线，可以判断为轴承内圈故障。因此，本发明提出的方法能够有效检测出滚动轴承的内圈故障。
[0083]
以上所述仅为本发明的部分实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。