基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]滾動(dòng)軸承是一種應(yīng)用最廣泛的通用機(jī)械部件，它的健康狀況直接影響整機(jī)設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，對滾動(dòng)軸承進(jìn)行健康監(jiān)測和故障診斷具有重要意義。包絡(luò)解調(diào)分析是一種有效提取滾動(dòng)軸承引起的周期性沖擊的方法，通過對軸承振動(dòng)或輻射噪聲進(jìn)行帶通濾波、希爾伯特包絡(luò)解調(diào)，根據(jù)包絡(luò)譜中軸承的故障特征頻率即可判斷軸承是否發(fā)生故障以及故障類型。
[0003]帶通濾波器的頻帶選擇是整個(gè)包絡(luò)解調(diào)方法的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的譜峭度方法將濾波后信號的峭度值大小來衡量濾波結(jié)果的好壞，將峭度值最大的頻帶作為最優(yōu)濾波頻帶，這種方法對大的干擾周期沖擊敏感，且在故障沖擊較為密集的情況下容易失效。在實(shí)際應(yīng)用中，譜峭度確定的頻帶有可能只包含少數(shù)大的外界干擾沖擊而不是故障引起的周期性沖擊，從而使包絡(luò)解調(diào)方法失效。譜峭度方法只關(guān)注故障引起的沖擊能量大小和分布的稀疏性而忽略了沖擊的周期性，而沖擊包絡(luò)的周期性才是軸承故障的真實(shí)表征。
[0004]專利申請?zhí)枮?01410140890.6的專利為解決高峰值脈沖干擾帶來的包絡(luò)解調(diào)頻帶選取不準(zhǔn)確的問題，提出以子頻帶譜峭度平均的方法來優(yōu)化濾波頻帶的選取，但其方法也沒有克服峭度值會(huì)隨著沖擊密集程度增加反而會(huì)下降的缺點(diǎn)。
[0005]專利申請?zhí)枮?01410577135.4的專利在譜峭度的基礎(chǔ)上通過設(shè)置帶通濾波后信號包絡(luò)的周期性閾值，將低于閾值的頻帶的峭度值置零從而抑制非周期沖擊的干擾，但該方法最后還是采用的峭度值作為診斷指標(biāo)，也沒有克服峭度值會(huì)隨著沖擊密集程度增加反而會(huì)下降的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，將濾波后包絡(luò)的諧波噪聲比(the harmonic-to-noise rat1)作為衡量帶通濾波結(jié)果的好壞的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)軸承故障特征更為有效的提取。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0008]基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一，將振動(dòng)加速度傳感器吸附于對被測試滾動(dòng)軸承的軸承座上或?qū)⒙暭売?jì)安裝于靠近軸承座上方的位置，對信號進(jìn)行高頻采樣和抗混疊處理，將信號記為X(t);
[0010]步驟二，構(gòu)建樹狀濾波器組，對信號x(t)進(jìn)行帶通濾波得到一系列的濾波信號Xi，j(t)，Xi； j (t)由濾波器組中對應(yīng)的第i行第j列的有限脈沖響應(yīng)(finite impulseresponse, FIR)帶通濾波器濾波得到；
[0011]步驟三，通過希爾伯特(Hilbert)變換得到信號Xy(t)的包絡(luò)并作去均值處理得到；
[0012]步驟四，計(jì)算包絡(luò)信號eyU)的諧噪比，記為HNRy，通過對數(shù)頻譜(spectrum ona logarithmic scale)計(jì)算得到；
[0013]步驟五，將諧噪比HNRi,^最大值所對應(yīng)的頻帶確定為最優(yōu)濾波頻帶；
[0014]步驟六，包絡(luò)譜分析，與滾動(dòng)軸承存在的故障類型所對應(yīng)的故障特征頻率對比，確定滾動(dòng)軸承是否存在故障和故障類型。
[0015]所述的步驟三中，先利用希爾伯特變換得到信號包絡(luò)是讓原信號產(chǎn)生一個(gè)90°的相移，從而與原信號構(gòu)成一個(gè)解析信號，將解析信號的幅值作為原信號的包絡(luò)。
[0016]所述的步驟四中，利用快速傅里葉變換(FFT)得到包絡(luò)信號ei，j(t)頻率分辨率為IHz的對數(shù)頻譜，通過100點(diǎn)的滑動(dòng)平均得到信號的噪聲水平，譜線和噪聲水平之間的最大差值作為包絡(luò)信號ei; j (t)的諧噪比HNRi, j。
[0017]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果:
[0018]a)本發(fā)明提出將濾波信號包絡(luò)的諧噪比大小作為表征故障強(qiáng)弱的指標(biāo)，充分利用了故障沖擊的周期性，旨在找到包含最多故障診斷信息量的頻帶，諧噪比是一種用于滾動(dòng)軸承故障診斷的新指標(biāo)。
[0019]b)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)譜峭度方法對非周期沖擊干擾敏感和沖擊密集后容易失效的缺點(diǎn)，具有魯棒性。
[0020]c)本發(fā)明是一種自適應(yīng)的最優(yōu)包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，不需要先驗(yàn)知識，有利于實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障特征自適應(yīng)提取和診斷監(jiān)測的自動(dòng)化。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障。
[0023]圖3為本發(fā)明的流程圖。
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的原始聲音信號。
[0025]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的原始信號的包絡(luò)譜。
[0026]圖6為本發(fā)明構(gòu)建的樹狀濾波器組。
[0027]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的某頻帶濾波后的信號Xu(t)。
[0028]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的某頻帶濾波信號Xu(t)的包絡(luò)信號eu(t)。
[0029]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的某頻帶HNRu的計(jì)算。
[0030]圖10為本發(fā)明實(shí)施例的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法。
[0031 ]圖11為實(shí)施例的傳統(tǒng)譜峭度的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法。
[0032]圖12為本發(fā)明實(shí)施例得到的包絡(luò)譜。
[0033]圖13為實(shí)施例的傳統(tǒng)譜峭度方法得到的包絡(luò)譜。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0035]以某車輛段的機(jī)車滾動(dòng)軸承故障檢測試驗(yàn)臺為例，該滾動(dòng)軸承試驗(yàn)臺由驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、驅(qū)動(dòng)輪2、被測試滾動(dòng)軸承3、輪對4、滾動(dòng)軸承5組成，如圖1所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)I帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪2與被測試滾動(dòng)軸承3的外圈接觸并帶動(dòng)外圈旋轉(zhuǎn)，滾動(dòng)軸承5和輪對4固定不動(dòng)。
[0036]具體參數(shù)如下:1)被測試滾動(dòng)軸承3的接觸角度:9° ;2)被測試滾動(dòng)軸承3的滾動(dòng)體直徑:23.775mm ；3)被測試滾動(dòng)軸承3的滾動(dòng)體個(gè)數(shù):20個(gè)；4)被測試滾動(dòng)軸承3的節(jié)徑為:180mm ;5)被測試滾動(dòng)軸承3故障類型為內(nèi)圈剝落故障，如圖2所示；6)聲級計(jì)M安裝在被測試滾動(dòng)軸承3正上方約30cm處，傳感器靈敏度為1.lV/Pa ;7)被測試滾動(dòng)軸承3的外圈轉(zhuǎn)速為376rpm ;8)測試系統(tǒng)對聲音信號進(jìn)行高頻采樣和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采樣過程的頻率為76800Hz，采樣時(shí)間為5s。
[0037]對滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷，應(yīng)用本發(fā)明對原始數(shù)據(jù)分析確定包絡(luò)解調(diào)頻帶并和傳統(tǒng)譜峭度方法進(jìn)行對比。
[0038]如圖3所示，基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，包括以下步驟:
[0039]步驟一，將聲級計(jì)安裝于被測滾動(dòng)軸承3正上方30cm的位置，對聲音信號進(jìn)行高頻采樣和抗混疊處理，將信號記為X(t)，本實(shí)施例中原始聲音信號如圖4所示，原始信號的包絡(luò)譜如圖5所示，包絡(luò)譜主要為電機(jī)轉(zhuǎn)頻的諧波，電機(jī)轉(zhuǎn)頻的10倍頻接近內(nèi)圈故障特征頻率，但相差了 1Hz，不能說明存在內(nèi)圈故障；
[0040]步驟二，構(gòu)建樹狀濾波器組，如圖6所示，對信號x(t)進(jìn)行帶通濾波得到一系列的濾波信號Xi，j(t)，Xu(t)由濾波器組中對應(yīng)的第i行第j列的有限脈沖響應(yīng)(finiteimpulse response, FIR)帶通濾波器濾波得到，作為示例，某一頻帶Xi;j (t)的濾波后信號如圖7所示；
[0041]步驟三，通過希爾伯特(Hilbert)變換得到信號Xy(t)的包絡(luò)并作去均值處理得到ei」(t)，作為示例，步驟二中的濾波信號Xu (t)的去均值后的包絡(luò)信號eu(t)如圖8所示，
[0042]利用希爾伯特變換得到信號包絡(luò)的原理是讓原信號產(chǎn)生一個(gè)90°的相移，從而與原信號構(gòu)成一個(gè)解析信號，將解析信號的幅值作為原信號的包絡(luò)；
[0043]步驟四，計(jì)算包絡(luò)信號eyU)的諧噪比，記為HNRy，通過對數(shù)頻譜(spectrum ona logarithmic scale)計(jì)算得到，作為示例，步驟三中包絡(luò)信號的諧噪比HNR^計(jì)算如圖9所示，
[0044]利用快速傅里葉變換(FFT)得到包絡(luò)信號ei;」(t)頻率分辨率為IHz的對數(shù)頻譜，通過100點(diǎn)的滑動(dòng)平均得到信號的噪聲水平，譜線和噪聲水平之間的最大差值作為包絡(luò)信號ei;j(t)的諧噪比HNRi, j;
[0045]步驟五，將諧噪比HNRi,」最大值所對應(yīng)的頻帶確定為最優(yōu)濾波頻帶，如圖10所示，最優(yōu)濾波帶通選為9600Hz到12000Hz的頻帶；作為對比，如圖11所示，傳統(tǒng)譜峭度方法確定的濾波帶通為33600Hz到34200Hz的頻帶；
[0046]步驟六，包絡(luò)譜分析，與滾動(dòng)軸承存在的故障類型所對應(yīng)的故障特征頻率對比，確定滾動(dòng)軸承是否存在故障和故障類型，
[0047]基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法得到的包絡(luò)譜如圖12所示，包絡(luò)譜為內(nèi)圈故障特征頻率的諧波，與故障特征吻合，實(shí)現(xiàn)了對故障的準(zhǔn)確診斷；而傳統(tǒng)譜峭度方法確定的包絡(luò)解調(diào)頻帶的包絡(luò)譜如圖13所示，未能發(fā)現(xiàn)內(nèi)圈發(fā)生的故障。
[0048]本發(fā)明提出的基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法克服了傳統(tǒng)峭度指標(biāo)的缺陷，提取出了故障特征信息，對故障進(jìn)行了有效診斷，具有良好的魯棒性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，將振動(dòng)加速度傳感器吸附于對被測試滾動(dòng)軸承的軸承座上或?qū)⒙暭売?jì)安裝于靠近軸承座上方的位置，對信號進(jìn)行高頻采樣和抗混疊處理，將信號記為x(t); 步驟二，構(gòu)建樹狀濾波器組，對信號x(t)進(jìn)行帶通濾波得到一系列的濾波信號Xi; j (t), Xi； j (t)由濾波器組中對應(yīng)的第i行第j列的有限脈沖響應(yīng)(finite impulseresponse, FIR)帶通濾波器濾波得到； 步驟三，通過希爾伯特(Hilbert)變換得到信號Xy(t)的包絡(luò)并作去均值處理得到ei, j (t); 步驟四，計(jì)算包絡(luò)信號eyU)的諧噪比，記為HNRi,」，通過對數(shù)頻譜(spectrum on alogarithmic scale)計(jì)算得到； 步驟五，將諧噪比HNRu最大值所對應(yīng)的頻帶確定為最優(yōu)濾波頻帶； 步驟六，包絡(luò)譜分析，與滾動(dòng)軸承存在的故障類型所對應(yīng)的故障特征頻率對比，確定滾動(dòng)軸承是否存在故障和故障類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，其特征在于:所述的步驟三中，先利用希爾伯特變換得到信號包絡(luò)是讓原信號產(chǎn)生一個(gè)90°的相移，從而與原信號構(gòu)成一個(gè)解析信號，將解析信號的幅值作為原信號的包絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，其特征在于:所述的步驟四中，利用快速傅里葉變換(FFT)得到包絡(luò)信號ei，j(t)頻率分辨率為IHz的對數(shù)頻譜，通過100點(diǎn)的滑動(dòng)平均得到信號的噪聲水平，譜線和噪聲水平之間的最大差值作為包絡(luò)信號ei;j(t)的諧噪比HNRi, j。
【專利摘要】基于諧噪比的包絡(luò)解調(diào)頻帶確定方法，先將振動(dòng)加速度傳感器吸附于對被測試滾動(dòng)軸承的軸承座上或?qū)⒙暭売?jì)安裝于靠近軸承座上方的位置，對信號進(jìn)行采集，通過構(gòu)建樹狀濾波器組，對原始信號進(jìn)行帶通濾波，然后通過希爾伯特變換得到信號的包絡(luò)，再利用對數(shù)頻譜估計(jì)包絡(luò)信號諧噪比將其大小作為頻帶故障特征是否顯著的指標(biāo)，最后將諧噪比最大的頻帶作為最優(yōu)包絡(luò)解調(diào)頻帶進(jìn)行包絡(luò)譜分析，確定故障的發(fā)生和類型，本發(fā)明充分利用了故障引起沖擊的周期性，將包絡(luò)的諧噪比作為衡量故障的指標(biāo)，克服了傳統(tǒng)峭度指標(biāo)的缺點(diǎn)，方法具有魯棒性，可以自適應(yīng)地提取最優(yōu)濾波頻帶，有利于實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障特征自適應(yīng)提取和診斷監(jiān)測的自動(dòng)化。
【IPC分類】G01M13-04, G01H1-12
【公開號】CN104819766
【申請?zhí)枴緾N201510243661
【發(fā)明人】林京, 徐曉強(qiáng), 趙明, 雷亞國, 王琇峰, 廖與禾
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月13日