本發(fā)明屬于故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸承外圈故障定量診斷方法，特別涉及一種基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法。

背景技術(shù)：

軸承是大型機(jī)械設(shè)備中的重要組成部分，其健康狀況直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷具有重要意義。而傳統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)與診斷方法往往是針對(duì)軸承故障的有無(wú)進(jìn)行定性的分析，隨著設(shè)備逐漸向更加精密化復(fù)雜化的方向發(fā)展，對(duì)軸承故障進(jìn)行精確的定量分析才能精確的揭示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測(cè)設(shè)備的發(fā)展規(guī)律和剩余壽命，從而知道設(shè)備的檢測(cè)與維修。

在軸承故障定量分析領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定量的研究，而學(xué)者們的研究主要集中在兩個(gè)方面。一方面是針對(duì)軸承故障的半定量診斷。目前對(duì)于故障嚴(yán)重程度的評(píng)估主要基于能量和評(píng)價(jià)指標(biāo)的角度。學(xué)者們用能量和一些評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)軸承故障程度進(jìn)行了一定的分析，但是這些指標(biāo)智能大體的反映軸承的故障趨勢(shì)，并不能精確的得出軸承的故障尺寸。第二方面，近年來(lái)學(xué)者們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了軸承故障的雙沖擊理論，并采用雙沖擊的方法對(duì)軸承故障的大小進(jìn)行了一定的研究，實(shí)現(xiàn)了軸承故障長(zhǎng)度的定量分析。

然而，這些方法只能針對(duì)軸承故障長(zhǎng)度進(jìn)行分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)軸承故障深度的精確定量分析。而只是分析故障長(zhǎng)度卻得不出深度，很難有效的指導(dǎo)工程實(shí)際中軸承故障的維修。而且實(shí)際工程中的軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)往往夾雜著大量的噪聲，實(shí)際工程信號(hào)很難進(jìn)行精確的故障定量分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)的故障診斷方法不能精確的診斷軸承故障尺寸的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法。針對(duì)軸承故障的定量分析問(wèn)題，根據(jù)雙沖擊理論智能對(duì)軸承故障的長(zhǎng)度進(jìn)行分析，卻不能分析軸承故障的深度，傳統(tǒng)的雙沖擊理論在分析軸承故障深度上存在著不足。而實(shí)際采集的實(shí)驗(yàn)信號(hào)和工程信號(hào)由于存在著很強(qiáng)的噪聲，因此很難從時(shí)域上分析出軸承故障信號(hào)的沖擊特征從而難以根據(jù)沖擊理論對(duì)軸承進(jìn)行故障的定量分析。實(shí)際中，當(dāng)軸承故障尺寸較小時(shí)，軸承故障響應(yīng)信號(hào)表現(xiàn)為單沖擊的響應(yīng)形式，隨著故障尺寸逐漸加大，軸承故障響應(yīng)逐漸表現(xiàn)為三沖擊或者四沖擊的響應(yīng)形式。在三沖擊的響應(yīng)時(shí)，第一個(gè)沖擊響應(yīng)對(duì)應(yīng)軸承滾動(dòng)體開(kāi)始進(jìn)入故障區(qū)域，第二個(gè)沖擊對(duì)應(yīng)著滾動(dòng)體和軸承故障的末端進(jìn)行碰撞，第三個(gè)沖擊代表著滾動(dòng)體離開(kāi)軸承故障區(qū)域，此時(shí)只能分析故障長(zhǎng)度和故障的有效深度。當(dāng)軸承故障響應(yīng)表現(xiàn)為四沖擊時(shí)，第一個(gè)響應(yīng)代表著滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域，第二個(gè)響應(yīng)對(duì)應(yīng)著滾動(dòng)體和故障底端進(jìn)行碰撞的時(shí)刻，第三個(gè)響應(yīng)和第四個(gè)響應(yīng)則分別代表著滾動(dòng)體和軸承故障的末端進(jìn)行碰撞和離開(kāi)故障區(qū)域的時(shí)刻。為了實(shí)現(xiàn)軸承故障的定量分析，首先需要推導(dǎo)第一次時(shí)間間隔和故障深度的關(guān)系，以及滾動(dòng)體從進(jìn)入故障到離開(kāi)故障的時(shí)間間隔和軸承故障長(zhǎng)度的關(guān)系。然后根據(jù)各部分的沖擊對(duì)應(yīng)的響應(yīng)形式構(gòu)造相應(yīng)的原子，組成復(fù)合原子庫(kù)，采用匹配追蹤算法實(shí)現(xiàn)軸承故障尺寸的定量診斷。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的如下的技術(shù)方案：

一種基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)軸承故障機(jī)理分別建立軸承外圈故障長(zhǎng)度和深度的計(jì)算公式；

S2、根據(jù)代表著軸承故障長(zhǎng)度和深度的響應(yīng)信號(hào)的不同，構(gòu)造對(duì)應(yīng)不同的原子，然后組合形成多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)；

S3、利用構(gòu)造的多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)，對(duì)不同故障尺寸的軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行匹配追蹤處理，采用故障長(zhǎng)度和深度計(jì)算公式計(jì)算匹配追蹤算法重構(gòu)之后的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)軸承故障尺寸的定量分析。

作為優(yōu)選，步驟S1具體為：

針對(duì)不同長(zhǎng)度故障，設(shè)滾動(dòng)體滾過(guò)故障所需要的時(shí)間為Δt，故障長(zhǎng)度為l，

其中，D_p為軸承的節(jié)徑，D_b為滾動(dòng)體直徑，f_c為保持架轉(zhuǎn)頻，

其中，f_r為軸的轉(zhuǎn)頻，a為壓力角，a取0°，

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得出故障長(zhǎng)度為如下的表達(dá)式：

對(duì)于故障深度，通過(guò)滾動(dòng)體從進(jìn)入故障前端到滾動(dòng)體和故障的底端進(jìn)行碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)間間隔計(jì)算得到，因此由幾何關(guān)系可以得到故障深度h和沖擊間隔時(shí)間Δt₁的關(guān)系，即

其中，R為滾動(dòng)體半徑，

由于

帶入可得故障深度與沖擊時(shí)間間隔的關(guān)系如下：

作為優(yōu)選，所述S2中構(gòu)造能夠代表滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)故障區(qū)域不同時(shí)刻所代表的不同位置的響應(yīng)原子，原子的構(gòu)造需要遵循故障的響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行構(gòu)造，從而所構(gòu)造的原子包含三種原子成分，即對(duì)應(yīng)于滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域的階躍成分、滾動(dòng)體和故障底端進(jìn)行碰撞的沖擊部分和滾動(dòng)體和故障末端進(jìn)行碰撞的成分。

階躍成分按照以下公式構(gòu)造原子x₁：

其中，a為幅值系數(shù)，f_n為系統(tǒng)固有頻率，t₀為滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域的時(shí)刻。

和軸承故障末端進(jìn)行碰撞的原子x₂：

其中，a₂為底端沖擊響應(yīng)幅值系數(shù)，b₂為沖擊衰減系數(shù)，t₂為底端碰撞開(kāi)始時(shí)刻。

沖擊部分按照以下公式構(gòu)造原子x₃：

其中，a₃為末端沖擊響應(yīng)幅值系數(shù)，b₃為末端沖擊衰減系數(shù)，t₃為末端碰撞開(kāi)始時(shí)刻。

將上述三種原子組合成多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)，可以用于對(duì)軸承不同尺寸故障的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)信號(hào)時(shí)采用遺傳算法可以分別尋找最優(yōu)的a,a₂,a₃,b₂,b₃,t₀,t₂,t₃的值，從而能夠精確的重構(gòu)軸承故障信號(hào)。

作為優(yōu)選，S3具體為：結(jié)合S2中的多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)，對(duì)采集的軸承故障信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的匹配追蹤算法進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，能夠得到重構(gòu)之后的軸承故障信號(hào)；然后采用S1中所得出的計(jì)算公式，分別根據(jù)計(jì)算得到的兩段時(shí)間間隔Δt和Δt₁能夠計(jì)算軸承的故障長(zhǎng)度和深度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明在軸承振動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，充分考慮滾動(dòng)體在進(jìn)入，觸底，和故障末端進(jìn)行碰撞以及離開(kāi)故障的整個(gè)過(guò)程中的響應(yīng)形式，在此基礎(chǔ)上原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)了軸承故障深度的計(jì)算方法，同時(shí)，在故障長(zhǎng)度的計(jì)算上也有所完善，原有的方法只能計(jì)算小故障，本發(fā)明提供的計(jì)算方法則是針對(duì)相對(duì)比較大的軸承故障。此外，在特征提取上，采用基于故障特征的方法構(gòu)造原子，能夠更加有效的匹配出故障特征，在計(jì)算上效率更高，計(jì)算更加的精確。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法流程圖；

圖2是本發(fā)明中不同故障深度和長(zhǎng)度的軸承故障的示意圖；

圖3是軸承故障響應(yīng)信號(hào)的示意圖；

圖4是采集到的不同故障長(zhǎng)度和深度的軸承振動(dòng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)；

圖5是對(duì)應(yīng)于圖4中不同故障長(zhǎng)度和深度的軸承振動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)經(jīng)過(guò)多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)匹配追蹤算法處理之后的重構(gòu)信號(hào)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法的流程圖。下面結(jié)合流程圖對(duì)基于復(fù)合字典匹配追蹤的軸承外圈故障定量診斷方法原理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法包括以下步驟：

(1)軸承故障機(jī)理，當(dāng)軸承外圈存在故障時(shí)，隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為指數(shù)衰減的脈沖響應(yīng)形式。當(dāng)軸承故障較小時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為單沖擊的響應(yīng)形式。隨著故障的逐漸增大，故障響應(yīng)形式表現(xiàn)為三沖擊，如果深度參數(shù)滿足合適的條件，則故障響應(yīng)表現(xiàn)為四沖擊，其中的第二次沖擊代表著滾動(dòng)體和故障區(qū)域的底端進(jìn)行碰撞。

(2)根據(jù)故障機(jī)理，推導(dǎo)得出故障長(zhǎng)度和沖擊時(shí)間間隔的計(jì)算關(guān)系為

這里，Δt是第一次沖擊和第四次沖擊之間的時(shí)間間隔。

故障深度和沖擊時(shí)間間隔之間的關(guān)系為

其中，Δt₁為第一次沖擊和第二次沖擊之間的時(shí)間間隔，R為滾動(dòng)體的半徑，

(3)多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)按照如下的方式建立

原子的構(gòu)造需要遵循故障的響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行構(gòu)造，從而所構(gòu)造的原子包含三種原子成分，即對(duì)應(yīng)于滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域的階躍成分，滾動(dòng)體和故障底端進(jìn)行碰撞的沖擊部分和滾動(dòng)體和故障末端進(jìn)行碰撞的成分。

階躍成分按照以下公式構(gòu)造原子x₁

其中，a為幅值系數(shù)，f_n為系統(tǒng)固有頻率，t₀為滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域的時(shí)刻。

和軸承故障底端進(jìn)行碰撞的原子x₂

其中，a₂為底端沖擊響應(yīng)幅值系數(shù)，b₂為沖擊衰減系數(shù)，t₂為碰撞開(kāi)始時(shí)刻。

當(dāng)滾動(dòng)體離開(kāi)軸承故障時(shí)，發(fā)生另外的碰撞，但是點(diǎn)對(duì)與和底端進(jìn)行碰撞，這里的響應(yīng)產(chǎn)生的頻率更高，相當(dāng)于軸承固有頻率，因此，在此時(shí)沖擊原子x₃為如下形式

其中，a₃為末端碰撞沖擊響應(yīng)幅值系數(shù)，b₃為末端沖擊衰減系數(shù)，t₃為末端碰撞開(kāi)始時(shí)刻。

將上述三種原子組合成復(fù)合原子庫(kù)，可以用于對(duì)軸承不同尺寸故障的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)信號(hào)時(shí)采用遺傳算法可以分別尋找最優(yōu)的a,a₂,a₃,b₂,b₃,t₀,t₂,t₃的值，從而能夠精確的重構(gòu)軸承故障信號(hào)，進(jìn)而提取軸承故障尺寸。

(4)將構(gòu)造的軸承故障多重復(fù)合沖擊原子庫(kù)作為匹配追蹤算法的原子，對(duì)采集的軸承故障信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的匹配追蹤算法進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，從而能夠得到重構(gòu)之后的軸承故障信號(hào)。

(5)根據(jù)重構(gòu)之后的信號(hào)的沖擊的時(shí)刻計(jì)算相應(yīng)的沖擊時(shí)間間隔，然后將沖擊時(shí)間間隔帶入軸承故障長(zhǎng)度和深度計(jì)算公式，從而能夠得到軸承故障的長(zhǎng)度和深度。

圖2為本發(fā)明中采用的不同故障尺寸的軸承故障的示意圖。

圖3為本發(fā)明中軸承振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，其中四個(gè)沖擊響應(yīng)分別代表著滾動(dòng)體進(jìn)入故障區(qū)域，滾動(dòng)體和故障底端進(jìn)行碰撞，滾動(dòng)體和軸承故障末端進(jìn)行碰撞，滾動(dòng)體離開(kāi)故障。

圖4位本發(fā)明中采集到的不同故障長(zhǎng)度和不同故障深度的軸承振動(dòng)信號(hào)。

圖5是對(duì)應(yīng)圖4中的采集到的四種不同故障尺寸的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)采用復(fù)合原子庫(kù)匹配追蹤算法處理后的重構(gòu)信號(hào)。

本發(fā)明一種基于多重復(fù)合沖擊字典匹配追蹤的軸承故障定量診斷方法，依據(jù)軸承故障機(jī)理將滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)軸承外圈故障的過(guò)程表達(dá)為滾動(dòng)體進(jìn)入故障前端，滾動(dòng)體和故障底端進(jìn)行碰撞以及滾動(dòng)體離開(kāi)軸承故障的過(guò)程，而對(duì)應(yīng)的故障響應(yīng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)為階躍，沖擊，指數(shù)衰減函數(shù)的形式，依據(jù)此三個(gè)響應(yīng)發(fā)生的時(shí)刻可以分別對(duì)軸承的故障長(zhǎng)度和深度進(jìn)行定量分析；依據(jù)不同的響應(yīng)形式分別構(gòu)造不同形式的沖擊原子，將不同的原子組成相應(yīng)的多重復(fù)合沖擊故障原子庫(kù)，采用匹配追蹤的方法對(duì)軸承不同故障尺寸的軸承振動(dòng)信號(hào)分別進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，依據(jù)重構(gòu)信號(hào)中不同響應(yīng)形式的信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔能夠?qū)崿F(xiàn)軸承故障的尺寸的提取。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，解決傳統(tǒng)的故障診斷方法不能精確的診斷軸承故障尺寸的問(wèn)題。