基于加權(quán)相似性測(cè)度的滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種軸承，具體的說，涉及一種滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾動(dòng)軸承作為一種最常用的旋轉(zhuǎn)部件，其故障特征通常比較微弱，特別是當(dāng)滾動(dòng) 軸承故障處于早期階段時(shí)，其故障特征非常難以提取。因此，滾動(dòng)軸承的早期故障檢測(cè)是一 個(gè)難題。
[0003] 目前，傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法有人工監(jiān)聽法、有效值方法和峭度方法，以上 方法都是直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽、分析，因此這些方法容易受到噪聲及其它成分的干擾， 誤差大，抗噪性和魯棒性較差，難以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出滾動(dòng)軸承的早期故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的問題是針對(duì)以上不足，提出一種基于加權(quán)相似性測(cè)度的滾動(dòng)軸承 狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，該方法能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出滾動(dòng)軸承的早期故障，誤差小，具有良好的抗 噪性和魯棒性。
[0005] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：基于加權(quán)相似性測(cè)度的滾動(dòng) 軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括振動(dòng)信號(hào)序列轉(zhuǎn)換二值符號(hào)序列步驟。
[0006] -種優(yōu)化方案，振動(dòng)信號(hào)序列轉(zhuǎn)換二值符號(hào)序列步驟： 根據(jù)相鄰序列點(diǎn)之間的上升或下降關(guān)系將序列&轉(zhuǎn)換為二值符號(hào)序列; - -V!
[0007] 進(jìn)一步地，包括測(cè)取振動(dòng)信號(hào)序列步驟。
[0008] 進(jìn)一步地，測(cè)取振動(dòng)信號(hào)序列步驟： 利用加速度傳感器以固定的時(shí)間間隔分次測(cè)取滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)，記第i次獲取 的信號(hào)為xu(k=l，2，…，N)，N為采樣信號(hào)的長度。
[0009] 進(jìn)一步地，包括單詞頻次序列計(jì)算步驟。
[0010] 進(jìn)一步地，單詞頻次序列計(jì)算步驟： 定義m個(gè)連續(xù)字符為一個(gè)單詞，通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的滑動(dòng)將該二值符號(hào)序列轉(zhuǎn)換為一個(gè)包 含不同單詞類型的集合，計(jì)算每個(gè)單詞類型出現(xiàn)的頻率，最后得到一個(gè)長度為2m的單詞頻 次序列。
[0011] 進(jìn)一步地，包括判斷步驟。
[0012] 進(jìn)一步地，判斷步驟： 將初始狀態(tài)作為正常參考狀態(tài)，計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列與其它任一時(shí)刻 所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列之間的加權(quán)相似性測(cè)度，將加權(quán)相似性測(cè)度作為特征參數(shù)來判斷滾 動(dòng)軸承是否存在故障。
[0013] 進(jìn)一步地，如果加權(quán)相似性測(cè)度在某時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的數(shù)值較上一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的數(shù)值 變化超過20%，則判斷該時(shí)刻為故障出現(xiàn)的時(shí)刻。
[0014] 進(jìn)一步地，加權(quán)相似性測(cè)度的計(jì)算包括以下步驟： 1) 分別計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列$與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序 列&的概率密度；
其中，代表第i個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列，丨代表初始時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻 次序列，代表中的第k個(gè)元素，代表吒中的第k個(gè)元素，代表單詞頻次序列^ 的概率密度，代表沖的第k個(gè)元素代表單詞頻次序列:的概率密度，5代表 丨中的第k個(gè)元素，嫌代表單詞頻次序列的長度，8卩__@? ; 2) 計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列_與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列 晃所對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子：
其中，代表單詞頻次序列和％.之間的權(quán)重因子，:代表中的第k個(gè)元 素； 3) 計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列_與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列 七之間的加權(quán)相似性測(cè)度：
其中，_2%代表單詞頻次序列和之間的加權(quán)相似性測(cè)度，海代表單詞頻次序 列的長度，即。
[0015] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)與傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)不同，本發(fā)明不是直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而是先將 長的原始序列轉(zhuǎn)換為短的單詞頻次序列，然后計(jì)算單詞頻次序列之間的加權(quán)相似性，由于 單詞頻次序列保留了原始序列最本質(zhì)的特征，因此本發(fā)明不但能夠簡(jiǎn)化滾動(dòng)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù) 的動(dòng)力學(xué)分析過程，而且能夠最大程度地消除噪聲對(duì)分析結(jié)果的影響，具有良好的抗噪性 和魯棒性，準(zhǔn)確率達(dá)到98%。
[0016] 2)本發(fā)明利用序列點(diǎn)之間的內(nèi)在漲落機(jī)制，能夠自適應(yīng)地將滾動(dòng)軸承的原始振 動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為二值符號(hào)序列，從而避免了由于人為設(shè)定閾值而帶來的誤差。
[0017] 3)本發(fā)明將信息熵的概念引入到相似性測(cè)度的計(jì)算中，考慮了不同的單詞頻次 在相似性測(cè)度計(jì)算中的不同權(quán)重，能夠客觀地度量單詞頻次序列之間的相似性。
[0018] 4)該方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出滾動(dòng)軸承的狀態(tài)突變點(diǎn)，及早發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的早期 故障，比有效值方法、峭度方法平均提前24. 5%。
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0020] 附圖1為本發(fā)明實(shí)施例中監(jiān)測(cè)方法的流程圖； 附圖2為本發(fā)明實(shí)施例中加權(quán)相似性測(cè)度的計(jì)算步驟的流程圖； 附圖3為正常滾動(dòng)軸承振動(dòng)仿真信號(hào)； 附圖4為早期故障滾動(dòng)軸承振動(dòng)仿真信號(hào)； 附圖5為嚴(yán)重故障滾動(dòng)軸承振動(dòng)仿真信號(hào)； 附圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中有效值對(duì)滾動(dòng)軸承仿真信號(hào)的監(jiān)測(cè)結(jié)果； 附圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中峭度對(duì)滾動(dòng)軸承仿真信號(hào)的監(jiān)測(cè)結(jié)果； 附圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法對(duì)滾動(dòng)軸承仿真信號(hào)的監(jiān)測(cè)結(jié)果； 附圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中有效值對(duì)滾動(dòng)軸承全生命周期運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè)結(jié)果； 附圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中峭度對(duì)滾動(dòng)軸承全生命周期運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè)結(jié)果； 附圖11為本發(fā)明實(shí)施例2中本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法對(duì)滾動(dòng)軸承全生命周期運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè) 結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例，如圖1所示，基于加權(quán)相似性測(cè)度的滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，按以下步驟 實(shí)施： 1) 利用加速度傳感器以固定的時(shí)間間隔分次測(cè)取滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)，記第i次獲 取的信號(hào)為xu(k=l，2，…，N)，N為采樣信號(hào)的長度；時(shí)間間隔一般取10分鐘即可； 2) 根據(jù)相鄰序列點(diǎn)之間的上升或下降關(guān)系將序列Xd轉(zhuǎn)換為二值符號(hào)序列
3) 定義m個(gè)連續(xù)字符為一個(gè)單詞，通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的滑動(dòng)將該二值符號(hào)序列轉(zhuǎn)換為一個(gè) 包含不同單詞類型的集合，計(jì)算每個(gè)單詞類型出現(xiàn)的頻率，最后得到一個(gè)長度為2 m的單詞 頻次序列；一般設(shè)置m=8 ; 4) 將初始狀態(tài)作為正常參考狀態(tài)，計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列與其它任一 時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列之間的加權(quán)相似性測(cè)度，將加權(quán)相似性測(cè)度作為特征參數(shù)來判 斷滾動(dòng)軸承是否存在故障。
[0022] 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在滾動(dòng)軸承的運(yùn)行過程中，如果加權(quán)相似性測(cè)度在某時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的 數(shù)值較上一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化超過20 %，可以通過人眼觀察到軸承上具有輕微故障 點(diǎn)，則認(rèn)為滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)在該時(shí)刻發(fā)生了明顯的變化，該時(shí)刻則被作為故障出現(xiàn)的 時(shí)刻。當(dāng)?shù)陀?0%時(shí)，肉眼還幾乎看不出故障點(diǎn)，所以認(rèn)為滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)在加權(quán)相似 性測(cè)度的變化值達(dá)到20%時(shí)發(fā)生了明顯的變化，該時(shí)刻則被作為故障出現(xiàn)的時(shí)刻。
[0023] 如圖2所示，加權(quán)相似性測(cè)度的計(jì)算步驟如下： 1) 分別計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列%與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次 序列的概率密度，
其中，代表第i個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列，代表初始時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻 次序列，代表中的第k個(gè)元素，_^代表中的第k個(gè)元素，代表單詞頻次序列 胃的概率密度，代表II中的第k個(gè)元素代表單詞頻次序列%的概率密度， 代表中的第k個(gè)元素，_代表單詞頻次序列的長度，S卩!; 2) 計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列愚與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列 所對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子
其中，代表單詞頻次序列和_之間的權(quán)重因子，代表中的第k個(gè)元 素； 3) 計(jì)算初始狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列_與其它任一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單詞頻次序列 晃▲間的加權(quán)相似性測(cè)度；
其中，;代表單詞頻次序列#和_|:之間的加權(quán)相似性測(cè)度，代表單詞頻次序列 的長度，即
[0024] 為了證明本發(fā)明所述方法的正確性，給出一個(gè)仿真算例和一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)一步說 明。
[0025] 試驗(yàn)1，利用滾動(dòng)軸承仿真數(shù)據(jù)對(duì)本發(fā)明所述算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)滾動(dòng) 軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)中的沖擊分量和噪聲分量明顯增強(qiáng)，因此通過逐漸增強(qiáng)沖 擊分量和噪聲