基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法，涉及轴承的测试方法技术领域。所述方法包括如下步骤：将两个相同的加速度传感器采集的信号标记为振动信号一和振动信号二；将振动信号一进行基于峰值因子的分析，将振动信号二进行基于偏度指标的分析；选择分析后两个信号相同的共振带，将共振带信号送入相应的高Q带通滤波器进行处理；将两路滤波器的输出信号做互相关处理，之后做希尔伯特变换并通过抗混频滤波器后做FFT频谱分析，提取出故障频率。所述方法不仅能够自适应选择最优共振带，而且能够提高信号的信噪比，减少希尔伯特变换的运算量，满足轴承故障诊断的实时性，很大程度的提高了对轴承保持架外弧谱诊断的精准性。

权利要求

1.一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

1)使用加速度传感器采集轴承保持架的振动信息，将两个相同的加速度传感器采集的信号标记为振动信号一和振动信号二；

2)将振动信号一进行基于峰值因子的分析，将振动信号二进行基于偏度指标的分析；

所述的将振动信号一进行基于峰值因子的分析的方法如下：信号的峰值xpeak的计算公式如下所示：

xpeak＝max(xi)

其中x为采集到的离散振动信号，i为离散振动信号的脚标即离散振动信号的序号，其中幅值最大的是xpeak；

信号的有效值xrms的计算公式如下所示：

为时域信号xi的幅值的平均值，N为离散化信号的样本点数；

峰值因子C的计算公式如下所示：

所述的基于偏度指标的分析的方法如下：

偏度指标P的计算公式如下所示：

α为偏度，N为离散化信号的样本点数；

P＝0时，信号呈现对称分布；P≠0时，信号的概率分布非对称；其中，当P>0时，信号正偏；当P<0时，信号负偏；偏度指标的绝对值越大，说明信号分布形态偏离对称分布越严重；

3)选择分析后两个信号相同的共振带，将共振带信号送入相应的高Q带通滤波器进行处理；

4)将两路滤波器的输出信号做互相关处理，将互相关处理后的信号做希尔伯特变换并通过抗混频滤波器后做FFT频谱分析，提取出故障频率，进行轴承保持架外弧谱诊断；

所述的将两路滤波器的输出信号做互相关处理的方法如下：信号x(t)与y(t)的互相关函数定义为

通过基于峰值因子的自适应高Q带通滤波器的信号为A(t)＝a(t)+s(t)，其中a(t)为所选共振带信号，s(t)为噪声；通过基于偏度指标的自适应高Q带通滤波器的信号为B(t)＝b(t)+v(t)，其中b(t)为所选共振带信号，v(t)为噪声；由信号互相关函数定义式可得：噪声和信号通常无相关性，即Rav(τ)＝0，Rsb(τ)＝0；信号经过不同参数的滤波器包含的噪声也不同，即Rsv(τ)＝0，因此RAB(τ)＝Rab(τ)，其中Rab(τ)表示a(t)与b(t)的互相关函数；

Rav(τ)表示a(t)与v(t)的互相关函数；Rsb(τ)表示s(t)与b(t)的互相关函数；Rsv(τ)表示s(t)与v(t)的互相关函数；

所述的将互相关处理后的信号做希尔伯特变换方法如下：连续信号x(t)的希尔伯特变换 定义式如下：由此可得到x(t)的解析信号

其中θ(t)为z(t)的相位，A(t)为z(t)的幅值，也就是信号x(t)的包络。

说明书

基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轴承的测试方法技术领域，尤其涉及一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法。

背景技术

[0002] 轴承保持架的重要性在于：能够使滚动体相互之间保持合适的距离，防止相邻滚动体之间的直接接触，以将摩擦和因此而产生的热保持在最低水平；使滚动体均匀地分布在整个轴承内，使负荷能更均匀地分布和减低噪声；在无载区中引导滚动体，以改善轴承中的滚动条件和防止出现有损坏性的滑动；对于分离型的轴承，在安装或拆卸其中一个轴承套圈时，可以把滚动体保持在一体。

[0003] 目前对轴承保持架外弧谱的方法还不够完善，常使用的诊断方法如共振解调法等，不仅不能够自适应选取最优共振带，而且没有能够针对性的去除共振带里大量的高强度噪声，这容易将轴承保持架的外弧谱湮没或者出现类似外圈故障频率倍频的情况，难以引起技术人员的注意。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法，所述方法不仅能够自适应选择最优共振带，而且能够提高信号的信噪比，很大程度的提高了对轴承保持架外弧谱诊断的精准性。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法，其特征在于包括如下步骤：

[0006] 1)使用加速度传感器采集轴承保持架的振动信息，将两个相同的加速度传感器采集的信号标记为振动信号一和振动信号二；

[0007] 2)将振动信号一进行基于峰值因子的分析，将振动信号二进行基于偏度指标的分析；

[0008] 3)选择分析后两个信号相同的共振带，将共振带信号送入相应的高Q带通滤波器进行处理；

[0009] 4)将两路滤波器的输出信号做互相关处理，将互相关处理后的信号做希尔伯特变换并通过抗混频滤波器后做FFT频谱分析，提取出故障频率，进行轴承保持架外弧谱诊断。

[0010] 进一步的技术方案在于：所述的将振动信号一进行基于峰值因子的变换的方法如下：

[0011] 信号的峰值xpeak的计算公式如下所示：

[0012] xpeak＝max(xi)

[0013] 其中x为采集到的离散振动信号，i为离散振动信号的脚标即离散振动信号的序号，其中幅值最大的是xpeak；

[0014] 信号的有效值xrms的计算公式如下所示：

[0015]

[0016] 为时域信号xi的幅值的平均值；

[0017] 峰值因子C的计算公式如下所示：

[0018]

[0019] 进一步的技术方案在于：所述的基于偏度指标的变换的方法如下：

[0020] 偏度指标P的计算公式如下所示：

[0021] α为偏度；

[0022]

[0023] P＝0时，信号呈现对称分布；P≠0时，信号的概率分布非对称；其中，当P>0时，信号正偏；当P<0时，信号负偏；偏度指标的绝对值越大，说明信号分布形态偏离对称分布越严重。

[0024] 进一步的技术方案在于：所述的两个信号做相关处理的方法如下：

[0025] 信号x(t)与y(t)的互相关函数定义为

[0026] 通过基于峰值因子的自适应高Q带通滤波器的信号为A(t)＝a(t)+s(t)，其中a(t)为所选共振带信号，s(t)为噪声；通过基于偏度指标的自适应高Q带通滤波器的信号为B(t)＝b(t)+v(t)，其中b(t)为所选共振带信号，v(t)为噪声；由信号互相关函数定义式可得：

[0027]

[0028] 噪声和信号通常无相关性，即Rav(τ)＝0，Rsb(τ)＝0；信号经过不同参数的滤波器包含的噪声也不同，即Rsv(τ)＝0，因此RAB(τ)＝Rab(τ)。

[0029] 进一步的技术方案在于：所述的信号做希尔伯特变换方法如下：

[0030] 连续信号x(t)的希尔伯特变换 定义式如下：

[0031]

[0032] 由此可得到x(t)的解析信号

[0033]

[0034] 其中θ(t)为z(t)的相位，A(t)为z(t)的幅值，也就是信号x(t)的包络。

[0035] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1)所述方法采用两路信号分别经过时域分析中的峰值因子和偏度指标选择相同的共振带，这样通常选择的是最优共振带。2)所述方法中采用时域分析确定振动信号中的共振带，对于不同的轴承带通滤波器能够达到自适应的效果。3)所述方法采用的两路信号由于采用不同的时域分析方法，导致共振带里的噪声也不同，当采用互相关分析时可完全消除噪声的影响，突出振动信号，很大程度的提高了对轴承保持架外弧谱诊断的精准性。

附图说明

[0036] 图1-2是本发明所述方法的流程图；

[0037] 图3a为第一个加速度传感器采集到的原始振动信号的时域图

[0038] 图3b为第一个加速度传感器采集到的原始振动信号的频域图；

[0039] 图4a为第二个加速度传感器采集到的原始振动信号的时域图

[0040] 图4b为第二个加速度传感器采集到的原始振动信号的频域图；

[0041] 图5a为经过基于峰值因子分析的自适应带通滤波器滤波后的时域图；

[0042] 图5b为经过基于峰值因子分析的自适应带通滤波器滤波后的频域图；

[0043] 图6a为经过基于偏度指标分析的自适应带通滤波器滤波后的时域图

[0044] 图6b为经过基于偏度指标分析的自适应带通滤波器滤波后的频域图；

[0045] 图7a为两路原始振动信号的互相关分析时域图；

[0046] 图7b为分别经过自适应滤波的两路振动信号的互相关分析时域图；

[0047] 图8为分别经过自适应滤波的两路振动信号的互相关分析结果经希尔伯特变换后的时域图；

[0048] 图9外弧谱的提取结果图。

具体实施方式

[0049] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0050] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0051] 总体的，如图1-2所示(图1中的A与图2中的A连接后共同构成所述方法的流程图)，本发明公开了一种基于相关去噪的轴承保持架外弧谱诊断方法，包括如下步骤：

[0052] 1)使用加速度传感器采集轴承保持架的振动信息，将两个相同的加速度传感器采集的信号标记为振动信号一和振动信号二，如图3a-3b以及4a-4b所示；

[0053] 2)将振动信号一进行基于峰值因子的分析，将振动信号二进行基于偏度指标的分析；

[0054] 3)选择分析后两个信号相同的共振带，将共振带信号送入相应的高Q带通滤波器进行处理；

[0055] 4)将两路滤波器的输出信号做互相关处理，将互相关处理后的信号做希尔伯特变换并通过抗混频滤波器后做FFT频谱分析，提取出故障频率，进行轴承保持架外弧谱诊断。

[0056] 具体的：

[0057] 1)基于峰值因子对共振带的分析

[0058] 峰值：适用于具有瞬时冲击的故障诊断，特别是对早期轴承表面损伤，如压痕、剥落、轴承表面划痕、裂纹等损伤，非常容易由峰值的变化检测出来。但它对有滚动体对保持架的冲击及突发性外界干扰等原因引起的瞬时振动比较敏感。峰值xpeak的计算公式如下所示：

[0059]

[0060] 有效值(RMS)：随着故障的发展而单调增加，一般故障轴承信号比无故障轴承信号的RMS值高，多处故障的轴承信号比单个故障的轴承信号RMS值高。RMS在趋势分析中应用效果较好，而且对有表面裂纹无规则振动波形的异常较敏感。有效值xrms的计算公式如下所示：

[0061]

[0062] 其中幅值最大的是xpeak；

[0063] 为时域信号xi的幅值的平均值；

[0064] 峰值因子：无量纲参数峰值因子在计算中考虑了有量纲参数峰值和有效值的关系。通常，正常轴承振动中其峰值因子大约为5，当轴承存在裂纹等表面故障时，峰值因子可以达到10以上，峰值因子对轴承进行检测可以不受轴承转速及尺寸的影响，即使用于检测中的传感器灵敏度发生变化也不会对测量精度产生影响。峰值因子C的计算公式如下所示：

[0065]

[0066] 变换后的图形如图5a-5b所示。

[0067] 2)基于偏度指标对共振带的分析

[0068] 偏度指标能反映离散信号概率质量函数或连续信号概率密度函数的对称性。偏度指标P的计算公式如下所示：

[0069]

[0070]

[0071] P＝0时，信号呈现对称分布；P≠0时，信号的概率分布非对称。其中，当P>0时，信号正偏；当P<0时，信号负偏。偏度指标的绝对值越大，说明信号分布形态偏离对称分布越严重。

[0072] 带通滤波器的技术指标可由对峰值因子和偏度指标的分析结果得到。此外，虽然带通滤波器选择的共振带相同，但不同的分析得到的带通滤波器技术参数会有细微的差别。因此通过带通滤波器之后的信号共振带内所含的有效振动信号相同而噪声不相同，变换后的图形如图6a-6b所示。

[0073] 3)互相关分析

[0074] 信号x(t)与y(t)的互相关函数定义为

[0075] 通过基于峰值因子的自适应高Q带通滤波器的信号为A(t)＝a(t)+s(t)，其中a(t)为所选共振带信号，s(t)为噪声；通过基于偏度指标的自适应高Q带通滤波器的信号为B(t)＝b(t)+v(t)，其中b(t)为所选共振带信号，v(t)为噪声。由信号互相关函数定义式可得：

[0076]

[0077] 一般的，噪声和信号通常无相关性，即Rav(τ)＝0，Rsb(τ)＝0；信号经过不同参数的滤波器包含的噪声也不同，即Rsv(τ)＝0，因此RAB(τ)＝Rab(τ)。由互相关函数的特性得知：同频率的周期信号或者包含有同频率的周期成分的信号，互相关函数仍是周期信号，其周期不变且相位信息不丢失。所以做互相关处理达到了加强有效振动信号而削弱噪声的作用，如图7a-7b所示。

[0078] 4)提取故障特征频率

[0079] (1)连续信号x(t)的希尔伯特变换 定义式如下：

[0080]

[0081] 由此可得到x(t)的解析信号

[0082]

[0083] 其中θ(t)为z(t)的相位，A(t)为z(t)的幅值，也就是信号x(t)的包络。

[0084] 信号经过希尔伯特变换后经过抗混频滤波器保留低频故障信号，对故障信号进行FFT分析，得到故障特征频率，如图8所示。

[0085] 5)外弧谱技术

[0086] 某些保持架初期运行时，可能有一些失落的铜渣和轴承损伤的失落物进入滚道，不稳定的短时粘附于外环，被滚子碾压，产生寄生的貌似外环故障但谱线孤立(没有多阶性)的冲击。外弧谱技术通过识别保持架初期故障的失落物，以间接识别保持架故障。应用外弧谱技术需要注意以下问题：

[0087] 1)外弧谱是轴承中存在硬件杂质的特征。

[0088] 2)外弧谱也是保持架损伤(失落材料)的特征，出现外弧谱的轴承多数都有相应的保持架特征信息-保持架周期的调制冲击。

[0089] 3)保持架局部破碎故障初期出现的外弧谱是发现故障的最佳时期，如图9所示为外弧谱的提取结果图。

[0090] 所述方法采用两路信号分别经过时域分析中的峰值因子和偏度指标选择相同的共振带，这样通常选择的是最优共振带。所述方法中采用时域分析确定振动信号中的共振带，对于不同的轴承带通滤波器能够达到自适应的效果。所述方法采用的两路信号由于采用不同的时域分析方法，导致共振带里的噪声也不同，当采用互相关分析时可完全消除噪声的影响，突出振动信号，很大程度的提高了对轴承保持架外弧谱诊断的精准性。