利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法，涉及粒子濾波 降噪處理以及譜峭度計算。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾動軸承是機械設(shè)備尤其是旋轉(zhuǎn)機械中重要的零部件之一，但是其壽命的隨機性 較大，容易損壞，目前還無法準(zhǔn)確預(yù)測其壽命的長短。近年來，科技和工業(yè)生產(chǎn)都在快速的 發(fā)展，機械設(shè)備逐漸向高速化、大型化和自動化發(fā)展，這在提高生產(chǎn)力的同時對設(shè)備的安全 維護也提出了更高的要求，在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)一個微小的問題都將造成不可挽回的巨額損 失。鑒于滾動軸承在機械設(shè)備中的地位，可以得出滾動軸承能否正常運行工作關(guān)系著機械 設(shè)備乃至生產(chǎn)線的正常運轉(zhuǎn)，因而掌握滾動軸承運行的工作狀態(tài)以及故障的形成和發(fā)展， 是目前機械故障診斷領(lǐng)域中所研宄的重要課題之一。
[0003] 根據(jù)故障診斷技術(shù)機理的不同，診斷滾動軸承故障的常用方法有振動分析法、噪 聲分析法、油樣分析法、溫度分析法、油膜電阻法、聲發(fā)射診斷等。這些分析方法中，振動分 析法是運用最廣泛的一種方法。振動信號包含豐富的設(shè)備異?；蚬收系男畔?，通過對振動 信號的實時在線監(jiān)測和分析，可以判斷機械系統(tǒng)及其部件是否正常運行，并以此確定機械 故障產(chǎn)生的原因，判斷故障產(chǎn)生的具體部位和損傷程度。較常用的振動診斷方法有倒頻譜 分析、特征參數(shù)分析法、沖擊脈沖法、包絡(luò)分析法、小波分析等。雖然診斷方法很多，但是對 早期的微弱故障診斷仍然是一個難題。因為在故障早期，所需頻段信號能量非常微弱、特征 信號成分極易被噪聲和其他頻段信號俺沒，未經(jīng)任何處理的原始頻段微弱信號中很難提取 出有用的特征信號成分，如何提取被淹沒在噪聲無用頻段內(nèi)的微弱故障特征信號是目前國 內(nèi)外研宄焦點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 振動信號是典型的非平穩(wěn)、非線性的時序信號，粒子濾波在解決非線性濾波問題 時，隨機量不會受到高斯分布的制約，比高斯模型具有更廣泛的分布，對非線性特性有很強 的建模能力。本發(fā)明提供了一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法，解決了 普通的快速譜峭度方法難以實現(xiàn)在低信噪比的情況下診斷出軸承故障的問題。
[0005] 一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法，具體過程如下：
[0006] 粒子濾波是以狀態(tài)空間方程為主對信號濾波，所以首先要建立軸承振動信號的狀 態(tài)空間方程。對于一個非線性、非高斯系統(tǒng)，狀態(tài)空間模型的一般表達式為：
【主權(quán)項】
1.利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法，其特征在于如下步驟： (一） 濾波降噪，過程如下： (1) 初始化；由先驗概率P(Xtl)產(chǎn)生粒子群，所有粒子權(quán)值為1/N ; (2) 更新；在k時刻，更新粒子權(quán)值，
并且歸一化權(quán)值
；則得k時刻未知參數(shù)X最小均方估計為
(3) 重采樣；得到新的粒子集合i 1W ; (4) 預(yù)測；利用狀態(tài)方程f預(yù)測未知參數(shù)<+1 ; (5) 時刻k = k+Ι，轉(zhuǎn)到步驟（2); (二） 濾波降噪之后，采用快速譜峭度的算法計算得到峭度圖，過程如下： (6) 構(gòu)造一個截止頻率f。= 1/8+ ε的低通濾波器h(n)，其中f s= 1，ε > O ;低通濾 波器的截止頻率增大ε是為了消除過度帶的影響；基于h(n)構(gòu)造準(zhǔn)解析低通濾波器hQ(η) 和準(zhǔn)解析高通濾波器h (η)，其分析頻帶分別為[0, 0. 25]、[0. 25, 0. 5]，即：
(7) 分別以Iitl (η)和Ill (η)進行低通和高通濾波，對濾波結(jié)果做2倍降采樣；如此迭代 進行，獲得濾波器樹及相應(yīng)的濾波結(jié)果；其中4(?)表示第k層第i個濾波器產(chǎn)生的濾波結(jié) 果，其中i取值為〇到2 k-l ;同時<(?)也是信號在中心頻帶A= (1+2)21^1和帶寬（Af) k =2H的復(fù)包絡(luò)，2倍降采樣是保證濾波器每一層中的數(shù)據(jù)長度與原始數(shù)據(jù)相同； (8) 對于每一個濾波器結(jié)果，按照式
計算峭度：
(9) 將所有的譜峭度匯總，從而得到"快速譜峭度圖"； (10) 選擇角度最大的頻帶做解調(diào)分析，計算功率譜得到頻譜圖。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動軸承故障診斷方法，涉及粒子濾波降噪處理以及譜峭度計算。該方法提出了在快速譜峭度的基礎(chǔ)上，利用粒子濾波降噪處理提高信噪比，解決了快速譜峭度在低信噪比情況下可行性差的問題。首先建立振動信號的狀態(tài)方程；然后提取背景噪聲，將其與狀態(tài)方程之和作為觀測方程；最后聯(lián)立狀態(tài)方程與觀測方程建立狀態(tài)空間模型；采用粒子濾波算法對信號重新估計，得到新的序列即是降噪之后的信號；最后用快速譜峭度的方法，獲取最佳分析頻帶，得出故障頻率。本發(fā)明的滾動軸承故障診斷方法，降低故障信號中的噪聲干擾，提高信噪比，實現(xiàn)了滾動軸承早期微弱故障的診斷。
【IPC分類】G01M13-04
【公開號】CN104677632
【申請?zhí)枴緾N201510031512
【發(fā)明人】李宏坤, 任遠杰
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月21日