時延相關解調法在滾動軸承故障診斷中的應用研究

tags: 軸承故障診斷    時間:2014-03-11 14:41:06
時延相關解調法在滾動軸承故障診斷中的應用研究簡介
       摘要 介紹了基於時延相關解調法作為滾動軸承故障診斷的分析方法,該方法能夠實現降噪解調使得滾動軸承故障特徵凸現,並對採集到的滾動……
時延相關解調法在滾動軸承故障診斷中的應用研究正文

       摘要 介紹了基於時延相關解調法作為滾動軸承故障診斷的分析方法,該方法能夠實現降噪解調使得滾動軸承故障特徵凸現,並對採集到的滾動軸承振動信號進行分析。實驗和分析結果表明,基於時延相關解調的分析法能用於滾動軸承的故障診斷。     關鍵詞 時延相關解調 滾動軸承 故障診斷     中圖分類號 TP391    文獻標識碼A

      一、引言     滾動軸承是旋轉機械中應用最廣的機械零件,也是最易損壞的元件之一。旋轉機械的許多故障都與軸承有關,其故障會導致設備產生異常振動和雜訊,甚至造成設備損壞,影響到生產的連續性。對滾動軸承的運行狀態的監測和故障診斷一直是機械故障診斷技術中的重點。據統計旋轉機械故障的30%是由軸承故障引起的,而在滾動軸承的故障中90%的故障來自外圈和內圈故障[1、2]。     因此,實際生產中做好滾動軸承狀態監測與故障診斷是搞好設備維修與管理的重要環節。振動分析廣泛地運用於滾動軸承的故障診斷之中,滾動軸承的振動信號呈現調製特徵,調製頻率往往反映故障特徵。通常對振動信號進行包絡解調處理,以期得知調製頻率大小。但是滾動軸承振動信號多利用加速度感測器從軸承座上測取,這樣的信號信噪比低,尤其是在早期故障發生時,故障信號的能量很小。因此對振動信號直接解調,調製信息常常淹沒在雜訊中[3、4]。採用時延相關解調法來對滾動軸承故障進行診斷,該方法利用相關函數的降噪特性,首先對振動信號進行相關分析,得到信號的自相關函數,然後對自相關函數適當延遲以盡量避開雜訊的影響,再進行Hilbert變換,以求得解調結果。實驗證明在滾動軸承故障診斷中時延相相關解調法與直接解調法相比,雜訊影響大幅度減小,故障信息得以凸現,針對滾動軸承故障診斷而言時延相關解調法是一種切實可行的方法。

       二、時延相關解調法理論     1.時延相關解調技術     根據相關函數的性質,首先對測得的振動信號進行相關分析,以實現一次降噪。對於寬頻隨機信號,其自相關函數Rx(т)隨著т的增大很快衰減為0。故對測量信號的自相關函數進行時延,可實現二次降噪。     因此為了進一步降低雜訊的影響,即可先對信號x (t)作自相關得到自相關信號Rx(т),對自相關信號R x(т)進行適當的時延△т,這將更加凸顯相關分析的降噪效果。然後再進行Hilbert變換,得到自相關信號的虛部Rx′(т+△т)。由Rx (т+△т)和R x′(т+△т)得到自相關信號的包絡為:         對包絡信號(т+△т)進行頻譜分析,就得到時延相關解調譜。本文將這一方法稱為時延相關解調法。其解調具體步驟如圖1。  

圖1 時延相關解調法具體實現框圖       2.時延相關解調法的調製特性     相關函數具有降噪特性,這種特性在信號處理和分析中已有廣泛的應用,同時它還不改變信號的調製特性,這正是相關解調法降噪解調的理論基礎。下面僅對相關函數的調製特性加以分析。設調幅信號為:     x(t)=AejωтejΩт     其中:ω為調製頻率,Ω為載波頻率,A為常數     x(t)的自相關函數為:         其中:x*(t)為x(t)的共軛函數。     把(1)式代入(2)式。得:     R x(т)=A2ejωтejΩт                               (3)     可見調幅信號的自相關函數仍未調幅信號,調製頻率和載波頻率均不改變。滾動軸承故障特徵信息與調製頻率成分密切相關,這表明自相關函數也保留了滾動軸承故障特徵信息。這種特性可在滾動軸承故障診斷中加以應用。

        三、時延相關解調法在滾動軸承故障診斷系統中的應用     1.滾動軸承故障模擬實驗及數據採集     實驗選用6208型滾動軸承為監測對象,採集滾動軸承的振動信號。在實驗過程中,將滾動軸承安裝在滾動軸承實驗台的軸承架上,由電機帶動軸承轉動,台上裝有變頻器,可方便調節電機轉速,以及正、反方向轉動。壓電加速度計為ED-3型用於採集滾動軸承的振動信號,電荷放大器採用DHF-6A,數據採集卡採用研華PCI-1711A/D卡。安裝採用磁鐵吸附方式,變頻器控制頻率為23Hz,電機轉速n=1380r/min,電荷放大器倍數設置為40倍,採集頻率10K。根據軸承故障類型的不同,將實驗軸承分為正常軸承、外圈故障軸承和內圈故障軸承3種狀態。採集到滾動軸承3種狀態的數據,每種狀態10組數據,每組數據10個樣本,每個樣本10000個點。     2.滾動軸承故障診斷系統設計     滾動軸承故障診斷系統框圖如圖2。壓電加速度計在軸承工作后採集到的振動信號經電荷放大器後送入A/D轉換卡轉換成數字信號,由計算機進行時延相關解調分析並抽取特徵,由特徵來診斷滾動軸承故障類型,工作人員就可以根據相應的結果對滾動軸承進行維護、修理、更換等操作。  

圖2 滾動軸承故障診斷系統       3.時延相關解調診斷結果     測試時,電機轉速1380r/min,故障軸承個故障特徵頻頻率如下:     外圈故障特徵頻率fo=90.7Hz,內圈故障特徵頻率fi=139.3Hz,滾珠故障特徵頻率f r=51.9Hz,保持架故障特徵頻率fb=9.07Hz。     通常滾動軸承內、外圈出現故障時,其振動信號中會出現一些周期脈衝。但是單憑這些周期脈衝在時域波形圖中很難判斷出到底是軸承的內圈還是外圈出現了故障。圖3、圖4和圖5分別為滾動軸承外圈故障振動信號的時域波形圖、包絡譜圖以及時延相關解調譜。在包絡譜中可以看到在外圈故障的特徵頻率(90.7Hz)附近有凸峰,且其2、3倍頻成分亦突出,表明軸承外圈出現故障。但是相對於圖5的時延相關解調譜而言,包絡譜的故障特徵頻率沒有時延相關解調譜凸現的好,且受雜訊干擾大,頻譜成分複雜。在圖4中還有另外一個頻率成分(140.8Hz)的存在,這與滾動軸承內圈故障頻率相對應,與實際情況不符,若直接根據譜線進行診斷容易誤診。而圖5的時延相關解調譜中特徵頻率及其倍頻成分均突出,且雜訊影響小,能準確地診斷出軸承外圈故障。

圖3 滾動軸承外圈故障振動信號時域波形圖     圖4 滾動軸承外圈故障振動信號包絡譜圖     圖5 滾動軸承外圈故障振動信號時延相關解調譜       相對滾動軸承外圈故障振動信號而言,滾動軸承的內圈故障振動信號不會出現明顯的周期脈衝。對滾動軸承內圈故障振動信號中隱含的這種周期性脈衝的提取,成為滾動軸承內圈故障診斷的關鍵。     圖6、圖7和圖8分別為滾動軸承內圈故障振動信號的時域波形圖、包絡譜圖以及時延相關解調譜。在包絡譜圖中第一條明顯的譜線的頻率為52.55Hz,由軸承的特徵頻率可知此頻率為軸承的滾珠故障特徵頻率,然而滾動軸承只有內圈故障,與實際情況不符。如果根據包絡譜線直接診斷,則會導致誤診。同時在此圖中第二條明顯的譜線頻率為140.4Hz,這與滾動軸承內圈故障特徵頻率相對應,但其2、3倍頻成分淹沒於雜訊中。而從圖8的時延相關解調譜圖中可以清楚地看到內圈故障特徵頻率140.4Hz處有凸峰以及其2、3倍頻均可清晰地凸顯出來,說明軸承內圈出現故障。且與軸承包絡譜相比,雜訊影響較小,更具有優勢,能更好地診斷軸承外圈故障。     圖6 滾動軸承內圈故障振動信號時域波形圖     圖7 滾動軸承內圈故障振動信號包絡譜圖     圖8 滾動軸承內圈故障振動信號時延相關解調譜 

        四、結論     1.滾動軸承出現故障時,振動信號多呈現調製特徵,對此調製信號進行解調是滾動軸承故障診斷的主要途徑。但在雜訊的干擾下,傳統的方法有時難以診斷。實驗結果證明,時延相關解調法能夠很好地抑制雜訊,能夠準確地診斷出滾動軸承的故障。     2.相對於軸承外圈故障而言,軸承內圈故障更難診斷。這是由於軸承外圈故障引發的脈衝經軸承座直接傳至振動加速度感測器,故障特徵信號能量引發的脈衝能量也較強,故軸承的外圈故障也較易檢測到而軸承內圈出現故障時,該故障引發的脈衝衝擊首先要經過滾動體,然後再由滾動體將這個衝擊傳遞出去,即它存在著更多的傳遞環節,因此振動信號中的脈衝衝擊成分並不明顯。但時延相關解調法無論對軸承的內圈故障還是外圈故障都能很好地診斷。   參考文獻 1梅宏斌.滾動軸承振動監測與診斷理論·方法·系統.[M].機械工業出版社,1996 2李國華,張永忠.機械故障診斷[M].北學工業出版社,1999 3Mcfadden P D.The vibration produced by a single point defect in arolling element bearing [J].Journal of Sound and Vibration,984,96(l):69~82 4 Mcfadden P D.The vibration produced by multiple point defects in a rolling element bearing[J].Journal of Sound and Vibration,985,98(2):263-273 5寇惠,原培新.故障診斷中的振動信號處理.冶金工業出版社,1989 6孟濤,廖明夫.齒輪故障診斷的時延相關解調法[J].航空動力學報,2003,18(1):109~113

Bookmark the permalink ,來源:
One thought on “時延相關解調法在滾動軸承故障診斷中的應用研究