本發(fā)明屬于滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜的變轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承故障識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)、民用、國(guó)防等領(lǐng)域中的許多重大旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備會(huì)在變轉(zhuǎn)速工況條件下運(yùn)行，而滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常用的零部件，在設(shè)備中起著支撐回轉(zhuǎn)軸和減小軸系摩擦損失等作用，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響機(jī)器設(shè)備使用壽命、運(yùn)行可靠性及精度等。由于滾動(dòng)軸承所激發(fā)的振動(dòng)信息能迅速且直觀地反映裝備運(yùn)行健康狀態(tài)的變化情況，為有效預(yù)防由滾動(dòng)軸承故障所造成的重大事故的發(fā)生，需要通過一系列振動(dòng)信號(hào)獲取及處理手段對(duì)滾動(dòng)軸承這一關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，對(duì)于定轉(zhuǎn)速工況下平穩(wěn)信號(hào)的振動(dòng)檢測(cè)診斷技術(shù)主要以基于經(jīng)典傅里葉變換為代表的頻譜分析方法，通過機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率來識(shí)別設(shè)備故障。然而在變轉(zhuǎn)速工況下，振動(dòng)信號(hào)的頻率往往隨時(shí)間發(fā)生時(shí)變效應(yīng)出現(xiàn)“頻率模糊”的現(xiàn)象，無法反映信號(hào)的局部特性和頻率的時(shí)變規(guī)律。因而對(duì)變轉(zhuǎn)速工況下的非平穩(wěn)振動(dòng)信息進(jìn)行分析和處理是實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障識(shí)別的關(guān)鍵。

變轉(zhuǎn)速工況下的強(qiáng)非平穩(wěn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理成為當(dāng)前機(jī)械故障診斷領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。階次分析作為變轉(zhuǎn)速工況下滾動(dòng)軸承故障識(shí)別的有效手段，通過將等時(shí)間間隔采集的時(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)化為等角度間隔的角度域信號(hào)并進(jìn)行傅里葉變換(FFT)得到階次譜，根據(jù)故障特征階次實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。但傳統(tǒng)階次分析技術(shù)需通過鍵相信號(hào)獲取設(shè)備來獲取參考軸轉(zhuǎn)速信號(hào)指導(dǎo)等角度重采樣，硬件費(fèi)用高，且在某些無法安裝鍵相信號(hào)獲取設(shè)備的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)。由于機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)含著旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的相位信息，因此從獲取的振動(dòng)信號(hào)中提取參考軸的瞬時(shí)相位，可以在無鍵相信號(hào)環(huán)境下完全通過軟件實(shí)現(xiàn)階次分析。目前，無鍵相環(huán)境下的階次分析技術(shù)主要包括：基于Vold-kalman的階次分析技術(shù)(VOK)、基于廣義解調(diào)的階次分析技術(shù)(GFT)和基于Gabor的階次分析技術(shù)等。然而以上方法在無鍵相環(huán)境下的階次分析技術(shù)需要精確獲取瞬時(shí)相位信息、算法復(fù)雜度較高、計(jì)算效率低、難以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的目的，從而大大地限制了這一技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種基于階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜的變轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承故障識(shí)別方法，具有無需等角度重采樣、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜的變轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承故障識(shí)別方法，包括以下步驟：

步驟一：利用振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)x(t)，采樣率設(shè)定為f_s；

步驟二：對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲取包含滾動(dòng)軸承參考軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻信息的低頻段振動(dòng)信號(hào)，并通過短時(shí)傅里葉變換(STFT)獲取低頻段振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)譜；

步驟三：采用峰值搜索方法對(duì)低頻段振動(dòng)信號(hào)短時(shí)譜中m階諧波分量信號(hào)的瞬時(shí)脊線進(jìn)行提取，獲取的第m階瞬時(shí)頻率脊線為f_m(t)，則參考軸瞬時(shí)頻率為：

IRF＝f_m(t)/m；

步驟四：采用快速峭度譜確定最優(yōu)共振頻帶，根據(jù)最優(yōu)共振頻帶設(shè)置帶通濾波器帶寬參數(shù)，通過帶通濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，提取包含滾動(dòng)軸承故障沖擊特征的共振頻帶信號(hào)；對(duì)共振頻帶信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換得到共振包絡(luò)信號(hào)，并進(jìn)一步通過STFT的時(shí)頻變換，獲得共振頻帶信號(hào)的包絡(luò)時(shí)頻能量分布矩陣TFR_e，該時(shí)頻能量分布體現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速工況下的時(shí)頻能量的時(shí)變特點(diǎn)，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，在包絡(luò)時(shí)頻能量分布矩陣中將出現(xiàn)符合故障特征瞬時(shí)頻率趨勢(shì)的時(shí)頻能量，且時(shí)頻能量高于信號(hào)中的其他成分，根據(jù)該時(shí)頻能量實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別；

步驟五：階次能夠定義為旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)信號(hào)激勵(lì)頻率與參考軸轉(zhuǎn)頻的比例系數(shù)，根據(jù)以上階次關(guān)系對(duì)包絡(luò)時(shí)頻能量進(jìn)行擴(kuò)展，將符合某階次比例下相應(yīng)瞬時(shí)頻率變換規(guī)律的包絡(luò)時(shí)頻能量定義為階次包絡(luò)時(shí)頻能量，并對(duì)其進(jìn)行提??；

設(shè)置階次包絡(luò)時(shí)頻能量區(qū)間FO和階次分辨率，即階次分析間隔ΔFO，同時(shí)根據(jù)振動(dòng)信號(hào)激振頻率與參考軸轉(zhuǎn)頻的階次關(guān)系，計(jì)算得到階次包絡(luò)時(shí)頻能量的計(jì)算路徑VIF：

FO＝[FO_min:ΔFO:FO_max]

VIF＝IRF×FO

其中FO_min為最小分析階次，需小于滾動(dòng)軸承的最小故障階次；FO_max為最大分析階次，根據(jù)待分析軸承的最大故障階次確定；

步驟六：通過階次包絡(luò)時(shí)頻能量計(jì)算路徑VIF和包絡(luò)時(shí)頻能量分布矩陣TFR_e，得到振動(dòng)信號(hào)不同階次下的階次包絡(luò)時(shí)頻能量：

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，在利用能量計(jì)算路徑時(shí)，添加頻率寬度為±Δf的時(shí)頻能量計(jì)算區(qū)間，并取平均值，t₀為包絡(luò)時(shí)頻矩陣時(shí)間起點(diǎn)，t_n為包絡(luò)時(shí)頻矩陣時(shí)間終點(diǎn)，vif_i為i階次下得到的能量計(jì)算路徑；

步驟七：根據(jù)提前設(shè)置的階次分析區(qū)間和從步驟六獲得的階次包絡(luò)時(shí)頻能量得到階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜，通過最大階次包絡(luò)時(shí)頻能量對(duì)應(yīng)的階次與滾動(dòng)軸承不同部位的故障階次進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)軸承故障識(shí)別。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

(1)無需安裝鍵相信號(hào)獲取設(shè)備，硬件費(fèi)用低。

(2)通過階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承故障階次識(shí)別，無需精確獲取參考軸瞬時(shí)相位信息對(duì)時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣，算法復(fù)雜度低，計(jì)算效率高，可實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速工況下滾動(dòng)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖。

圖2為實(shí)施例在變轉(zhuǎn)速工況下的內(nèi)圈劃傷的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)，圖(a)為滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖；圖(b)為滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜。

圖3為實(shí)施例瞬時(shí)頻率提取示意圖，圖(a)為低頻段振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻圖；

圖(b)為第一階諧波分量時(shí)頻脊線。

圖4為實(shí)施例包絡(luò)時(shí)頻能量矩陣提取示意圖，圖(a)為快速峭度譜；

圖(b)為共振頻帶信號(hào)包絡(luò)時(shí)頻能量譜。

圖5為實(shí)施例階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

參照?qǐng)D1，一種基于階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜的變轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承故障識(shí)別方法，包括以下步驟：

步驟一：利用振動(dòng)加速度傳感器采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)x(t)，采樣率設(shè)定為f_s，變轉(zhuǎn)速工況下采集的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)如圖2(a)所示，采樣頻率為12800Hz，采樣長(zhǎng)度為8s，采用人工注入的方式模擬內(nèi)圈劃傷故障，通過Hilbert包絡(luò)解調(diào)獲得的包絡(luò)譜如圖2(b)，由于存在“頻率模糊”影響，無法識(shí)別故障；

步驟二：對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，獲取包含滾動(dòng)軸承參考軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻信息的低頻段振動(dòng)信號(hào)，并通過短時(shí)傅里葉變換獲取低頻段振動(dòng)信號(hào)的短時(shí)譜，如圖3(a)所示；

步驟三：采用峰值搜索方法對(duì)低頻段振動(dòng)信號(hào)短時(shí)譜中第一階諧波分量信號(hào)的瞬時(shí)脊線進(jìn)行提取，獲取的第一階瞬時(shí)頻率脊線為f₁(t)，如圖3(b)，則參考軸瞬時(shí)頻率為：

IRF＝f₁(t)；

步驟四：采用快速峭度譜確定最優(yōu)共振頻帶，快速峭度譜如圖4(a)，根據(jù)最優(yōu)共振頻帶設(shè)置帶通濾波器帶寬參數(shù)，通過帶通濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，提取包含滾動(dòng)軸承故障沖擊特征的共振頻帶信號(hào)；對(duì)共振頻帶信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換得到共振包絡(luò)信號(hào)，并進(jìn)一步通過STFT的時(shí)頻變換，獲得共振頻帶信號(hào)的包絡(luò)時(shí)頻能量矩陣TFR_e，如圖4(b)所示，該時(shí)頻圖體現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速工況下的時(shí)頻能量的時(shí)變特點(diǎn)，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，在包絡(luò)時(shí)頻能量分布矩陣中將出現(xiàn)符合故障特征瞬時(shí)頻率趨勢(shì)的時(shí)頻能量，且時(shí)頻能量高于信號(hào)中的其他成分，如圖4(b)包絡(luò)時(shí)頻圖中高亮部分即為滾動(dòng)軸承故障引起的時(shí)頻能量，其變化趨勢(shì)符合瞬時(shí)故障特征頻率規(guī)律，因此可以根據(jù)該時(shí)頻能量實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別；

步驟五：階次能夠定義為旋轉(zhuǎn)部件引起的振動(dòng)信號(hào)激勵(lì)頻率與參考軸轉(zhuǎn)頻的比例系數(shù)，根據(jù)以上階次關(guān)系對(duì)包絡(luò)時(shí)頻能量進(jìn)行擴(kuò)展，將符合某階次比例下相應(yīng)瞬時(shí)頻率變換規(guī)律的包絡(luò)時(shí)頻能量定義為階次包絡(luò)時(shí)頻能量，并對(duì)其進(jìn)行提取；

設(shè)置階次包絡(luò)時(shí)頻能量區(qū)間FO和階次分辨率，即階次分析間隔ΔFO，同時(shí)根據(jù)振動(dòng)信號(hào)激振頻率與參考軸轉(zhuǎn)頻的階次關(guān)系，計(jì)算得到階次包絡(luò)時(shí)頻能量的計(jì)算路徑VIF：

FO＝[FO_min:ΔFO:FO_max]

VIF＝IRF×FO

其中FO_min為最小分析階次，需小于滾動(dòng)軸承的最小故障階次；FO_max為最大分析階次，根據(jù)待分析軸承的最大故障階次確定；

待測(cè)試滾動(dòng)軸承故障階次表，如表1所示，內(nèi)圈故障階次最大為4.92，則階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜階次分析范圍應(yīng)包含軸承最大故障階次及其倍頻階次(本實(shí)施例取3倍頻)，因此階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜最大分析階次取15，同時(shí)取階次分辨率為0.01以保證分析效果，因此將階次包絡(luò)時(shí)頻能量區(qū)間設(shè)為[0.2:0.01:15]；

步驟六：通過階次包絡(luò)時(shí)頻能量計(jì)算路徑VIF和包絡(luò)階次時(shí)頻能量分布矩陣TFR_e，得到振動(dòng)信號(hào)不同階次下的階次包絡(luò)時(shí)頻能量。

為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，在利用能量計(jì)算路徑時(shí)，添加頻率寬度為±Δf的時(shí)頻能量計(jì)算區(qū)間(本實(shí)施例取Δf＝2，即取能量計(jì)算路徑相鄰的兩個(gè)頻率點(diǎn)形成階次i包絡(luò)時(shí)頻能量計(jì)算區(qū)間)，并取平均值；t₀為包絡(luò)時(shí)頻矩陣時(shí)間起點(diǎn)，t_n為包絡(luò)時(shí)頻矩陣時(shí)間終點(diǎn)，vif_i為相應(yīng)階次i下得到的能量計(jì)算路徑；

步驟七：根據(jù)提前設(shè)置的階次分析區(qū)間和從步驟六獲得的階次包絡(luò)時(shí)頻能量得到階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜，如圖5所示。通過對(duì)比最大階次包絡(luò)時(shí)頻能量對(duì)應(yīng)的階次與滾動(dòng)軸承不同部位的故障階次實(shí)現(xiàn)軸承故障識(shí)別。

根據(jù)階次包絡(luò)時(shí)頻能量譜最大時(shí)頻能量對(duì)應(yīng)的階次和表1所示的故障階次進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在階次4.86處出現(xiàn)最大包絡(luò)時(shí)頻能量，與內(nèi)圈故障階次4.92基本相符，判斷該軸承出現(xiàn)內(nèi)圈故障與實(shí)際相符。

表1滾動(dòng)軸承故障階次表