CN106053871A - 一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，属于故障诊断技术与信号处理分析技术领域。本发明使用电荷放大器对加速度传感器采集的故障滚动轴承原始振动信号进行放大处理；对放大处理后的原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号；对故障冲击特征明显的振动信号进行Hillbert变换，构建包络信号；提取大于阈值的包络信号中的冲击特征位置信息；计算保持架转速；根据保持架转速，计算转轴的转速。本发明比其他转速提取方法更加简单，有效；既避免了工况条件对转速采集设备安装的限制，又节约了转速提取成本。

Description

一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的 方法

技术领域

本发明涉及一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，属于故障诊断技术与信号处理分析技术领域。

背景技术

受电压波动和载荷变化等因素的影响，运行中的旋转机械会出现转速变化，准确有效的转速测量，有利于旋转机械设备的状态监测和后续的故障诊断分析。

阶比分析是处理旋转机械不平稳信号的一种重要手段。阶比采样作为阶比分析中的一个重要环节，对升、降速阶段的旋转机械振动信号需要进行跟踪滤波。目前，常用的跟踪滤波方法有基于硬件的滤波方法和基于软件的滤波方法(如基于Garbor变换的方法)。前者不仅需要专用的转速计完成转速的监测，而且需要相应的数据采集装置，但实际工况条件下，许多设备难以安装转速计，不能直接获取转速信号，对该方法的应用造成了极大的不便；后者克服了硬件不便安装这一不足，使用时频分布的瞬时频率得到所需要轴的转速信息，在频率分辨率较高的情况下具有很高的精度，但在频率分辨率低的情况下，分析精度受限，且分析过程复杂，易受干扰。

本发明所提出的方法通过滚动轴承故障冲击特征提取转速，在滚动轴承故障状态下，为阶比分析中的跟踪滤波提供了一种简单有效的转速提取方法，也为旋转机械设备故障状态下的转速监测提供了一个不错的选择。

发明内容

本发明提供了一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，在滚动轴承故障状态下，不需要通过转速计获取转速信息，也不需要运用复杂的时频分析方法，仅通过故障冲击特征的位置信息即可有效提取转速信息。

本发明的技术方案是：一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、使用电荷放大器对加速度传感器采集的故障滚动轴承原始振动信号进行放大处理；

Step2、对放大处理后的原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号；

Step3、对步骤Step2所得信号进行Hillbert变换，构建包络信号；

Step4、提取大于阈值的包络信号中的冲击特征位置信息；

Step5、首先确定滚动轴承旋转一圈产生的冲击特征个数为N，然后任意选取其中任一冲击特征i，并记录其冲击特征位置信息T_i，接下来找出第i+N次冲击特征位置信息T_i+N，最后运用以下公式计算保持架转速f_c：

f_c＝f_s/(T_i+N-T_i)

式中，f_s为采样频率；

Step6、根据保持架转速，计算转轴的转速f_r：

$f_r=2f_c/\[1-\left(\frac{d}{D}cos\mathrm{\α}\right)\];$

式中，d为滚动体直径，D为滚动轴承节径，α为接触角。

所述步骤Step1中，原始振动信号为时域信号。

所述步骤Step4中，冲击特征位置信息是指冲击特征对应的采样点数(在对应的采样时间上，结合采样频率确定的采样点数)。

本发明的有益效果是：

1、滚动轴承故障状态下，本发明所提出的转速提取方法比其他转速提取方法更加简单，有效。

2、本发明从故障滚动轴承振动信号中直接提取转速信息，对于转速波动较大的场合，可运用于阶比跟踪滤波，通过相关信号分析完成故障特征的提取。

3、本发明所述转速提取方法，不需要安装转速计等转速采集设备，既避免了工况条件对转速采集设备安装的限制，又节约了转速提取成本。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图；

图2是本发明实施例3中放大后的滚动轴承外圈故障原始振动信号；

图3是本发明图2降噪后截取的降噪信号；

图4是本发明图3经包络变换后提取的包络信号。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、使用电荷放大器对加速度传感器采集的故障滚动轴承原始振动信号进行放大处理；

Step2、对放大处理后的原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号；

Step3、对步骤Step2所得信号进行Hillbert变换，构建包络信号；

Step4、提取大于阈值的包络信号中的冲击特征位置信息；

Step5、首先确定滚动轴承旋转一圈产生的冲击特征个数为N，然后任意选取其中任一冲击特征i，并记录其冲击特征位置信息T_i，接下来找出第i+N次冲击特征位置信息T_i+N，最后运用以下公式计算保持架转速f_c：

f_c＝f_s/(T_i+N-T_i)

式中，f_s为采样频率；

Step6、根据保持架转速，计算转轴的转速f_r：

$f_r=2f_c/\[1-\left(\frac{d}{D}cos\mathrm{\α}\right)\];$

式中，d为滚动体直径，D为滚动轴承节径，α为接触角。

所述步骤Step1中，原始振动信号为时域信号。

所述步骤Step4中，冲击特征位置信息是指冲击特征对应的采样点数。

实施例2：如图1-4所示，一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，所述方法的具体步骤如下：

Step1、使用电荷放大器对加速度传感器采集的故障滚动轴承原始振动信号进行放大处理；

Step2、对放大处理后的原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号；

Step3、对步骤Step2所得信号进行Hillbert变换，构建包络信号；

Step4、提取大于阈值的包络信号中的冲击特征位置信息；

Step5、首先确定滚动轴承旋转一圈产生的冲击特征个数为N，然后任意选取其中任一冲击特征i，并记录其冲击特征位置信息T_i，接下来找出第i+N次冲击特征位置信息T_i+N，最后运用以下公式计算保持架转速f_c：

f_c＝f_s/(T_i+N-T_i)

式中，f_s为采样频率；

Step6、根据保持架转速，计算转轴的转速f_r：

$f_r=2f_c/\[1-\left(\frac{d}{D}cos\mathrm{\α}\right)\];$

式中，d为滚动体直径，D为滚动轴承节径，α为接触角。

实施例3：如图1-4所示，一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，所述方法的具体步骤如下：

具体参数如下：1)选用6205型滚动球轴承，节径大小为38.5mm，滚动体直径为7.938mm，滚动体数目为9个，接触角为0°；2)故障类型为外圈剥落故障；3)使用NI USB9215数据采集卡和DH-5853电荷放大器进行高频采样，设定转速为9.77Hz；4)采集实施例中选用的传感器为压电式加速度传感器。

Step1、使用加速度传感器和电荷放大器采集外圈剥落故障滚动轴承的时域原始振动信号，如图2所示；

Step2、对原始振动信号进行降噪处理：本发明首先对原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号，如图3所示；

Step3、对步骤Step2所得信号进行Hillbert变换，构建包络信号，所得包络信号中故障冲击特征十分明显，如图4所示；

Step4、选取阈值0.1对包络信号中的故障冲击特征信息进行提取。滚动轴承中任意滚动体沿外滚道滚过一圈的时间为其对应的第一次冲击特征和第二次冲击特征之间的时间间隔。因为这里使用到的滚动轴承，滚动体个数为9个，外圈剥落故障且静止不动，故滚动轴承随转轴旋转一圈时，同一滚动体产生的第一次冲击特征和第二次冲击特征之间还会出现另外8个滚动体产生的冲击特征，也就是任意选取10个冲击特征就可以计算出滚动轴承旋转一圈所用时间。从提取所得的23个故障冲击特征中任意选择10个故障冲击特征即可求出滚动轴承保持架的转速。这里选取第1，2，10个故障冲击特征进行展示，如表1所示。

表1双冲击特征信息提取

Step5、求取第1次冲击特征与第10次冲击特征之间的时间间隔，计算结果为26206.63点，由间隔时间计算滚动轴承的保持架速度，计算过程如下：

f_c＝f_s/(T_i+N-T_i)＝102433/26206.63＝3.909(Hz)

Step6、由步骤Step5可得，保持架转速f_c为3.909Hz，又根据已知条件可得，接触角(滚动体与滚道之间的夹角)α为0°，滚动体直径d为7.938mm，滚动轴承节径D为38.5mm，计算得转轴旋转速度f_r为9.84Hz，与设定转速9.77Hz相比有误差，这是由于设定转速为平均速度，而转轴旋转时受载荷变化，电压变化等因素会造成局部转速波动，故该结果是可靠的。该步骤计算过程表示如下。

$f_r=2f_c/\[1-\left(\frac{d}{D}cos\mathrm{\α}\right)\]=2\×3.909/\[1-\left(\frac{7.938}{38.5}cos0\right)\]=9.849\left(Hz\right)$

滚动轴承滚道剥落故障状态下，本发明所提出的转速提取方法比其他转速提取方法更加简单、有效。本发明从故障滚动轴承振动信号中直接提取转速信息，对于转速波动较大的场合，可运用于阶比跟踪滤波，通过相关信号分析完成故障特征的提取。本发明所述转速提取方法，不需要安装转速计等转速采集设备，既避免了工况条件对转速采集设备安装的限制，又节约了转速提取成本。

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 (3)

1.一种通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

Step1、使用电荷放大器对加速度传感器采集的故障滚动轴承原始振动信号进行放大处理；

Step2、对放大处理后的原始振动信号进行AR预白化处理，然后再利用结合谱峭度的MED滤波方法对预白化信号中的故障冲击特征进行增强，获取故障冲击特征明显的振动信号；

Step3、对步骤Step2所得信号进行Hillbert变换，构建包络信号；

Step4、提取大于阈值的包络信号中的冲击特征位置信息；

Step5、首先确定滚动轴承旋转一圈产生的冲击特征个数为N，然后任意选取其中任一冲击特征i，并记录其冲击特征位置信息T_i，接下来找出第i+N次冲击特征位置信息T_i+N，最后运用以下公式计算保持架转速f_c：

f_c＝f_s/(T_i+N-T_i)

式中，f_s为采样频率；

Step6、根据保持架转速，计算转轴的转速f_r：

$f_r=2f_c/\[1-\left(\frac{d}{D}cos\mathrm{\α}\right)\];$

式中，d为滚动体直径，D为滚动轴承节径，α为接触角。

2.根据权利要求1所述的通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，其特征在于：所述步骤Step1中，原始振动信号为时域信号。

3.根据权利要求1所述的通过滚动轴承滚道剥落故障对应冲击特征提取转速的方法，其特征在于：所述步骤Step4中，冲击特征位置信息是指冲击特征对应的采样点数。