滾動軸承的故障診斷方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械故障監(jiān)測技術領域，尤其涉及一種滾動軸承的故障診斷方法及裝 置。
【背景技術】
[0002] 在工業(yè)應用中，滾動軸承是易損部件，也是關鍵的監(jiān)測部件，由此，就需要對其進 行故障診斷。以風力發(fā)電機組的滾動軸承為例，由于直驅(qū)風力發(fā)電機主軸轉(zhuǎn)速較低，使得滾 動軸承的故障特征頻率處于較低的頻段，早期的故障特征較微弱。另外，由于風速變化較 大，風力發(fā)電機一般都是在變轉(zhuǎn)速工況下工作，這增大了滾動軸承故障診斷的難度。
[0003] 階次分析技術是解決變轉(zhuǎn)速工況下滾動軸承故障診斷的常用方法。具體來說，就 是利用轉(zhuǎn)速信號對原信號進行等角度重采樣，將非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為角域平穩(wěn)信號進行處 理，將頻譜轉(zhuǎn)換為階次譜，消除了變轉(zhuǎn)速的影響。常見的階次分析方法有硬件階次分析、計 算階次分析和基于瞬時頻率估計的階次分析方法。
[0004] 然而，上述方法具有以下不足之處:首先硬件階次和計算階次擺脫不了硬件的依 賴;其次，常見的基于瞬時頻率估計方法，需要人為設定搜峰曲線，人為干擾因素過大，同時 對于變轉(zhuǎn)速微弱早期故障無法實現(xiàn)準確的特征提取，進而使得故障診斷的準確度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于，提供一種滾動軸承的故障診斷方法及裝置，以實現(xiàn)自 動、快速地確定最佳階次分量，從而為滾動軸承的故障診斷提供依據(jù)，提高故障診斷的準確 度，避免人為因素的干擾。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的實施例提供了一種滾動軸承的故障診斷方法。所 述方法包括:采集滾動軸承的振動信號，求取所述振動信號的時頻譜;根據(jù)時頻譜確定所述 振動信號的最佳階次分量;根據(jù)所述最佳階次分量對所述振動信號進行角度重采樣得到角 域信號；對所述角域信號進行包絡分析，確定滾動軸承的故障部位；確定最佳階次分量包 括:設定等效轉(zhuǎn)頻范圍，從所述時頻譜上搜索出所有的階次分量;計算所述階次分量的階次 能量，并根據(jù)所述等效轉(zhuǎn)頻范圍確定最佳階次分量。
[0007] 本發(fā)明的實施例還提供了一種滾動軸承的故障診斷裝置。所述裝置包括:信號采 集及時頻譜求取模塊，用于采集滾動軸承的振動信號，求取所述振動信號的時頻譜;階次分 量確定模塊，用于根據(jù)時頻譜確定所述振動信號的最佳階次分量;角度重采樣模塊，用于根 據(jù)所述最佳階次分量對所述振動信號進行角度重采樣得到角域信號；故障診斷模塊，用于 對所述角域信號進行包絡分析，確定滾動軸承的故障部位;階次分量確定模塊包括:轉(zhuǎn)頻設 定及分量搜索單元，用于設定等效轉(zhuǎn)頻范圍，從所述時頻譜上搜索出所有的階次分量;能量 計算及分量確定單元，用于計算所述階次分量的階次能量，并根據(jù)所述等效轉(zhuǎn)頻范圍確定 最佳階次分量。
[0008] 本發(fā)明實施例提供的滾動軸承的故障診斷方法及裝置，通過設定等效轉(zhuǎn)頻范圍， 從時頻譜上搜索出所有的階次分量，進一步計算階次分量的階次能量，并根據(jù)等效轉(zhuǎn)頻范 圍確定最佳階次分量。實現(xiàn)了自動、快速地確定最佳階次分量，從而為滾動軸承的故障診斷 提供依據(jù)，提高了故障診斷的準確度，避免了人為因素的干擾。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的流程示意圖；
[0010]圖2為滾動軸承的仿真振動信號的波形圖；
[0011] 圖3為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的仿真振動信號的時頻 圖；
[0012] 圖4為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的仿真振動信號的最佳階 次時頻圖；
[0013] 圖5為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的仿真振動信號的窄帶包 絡階次譜圖；
[0014] 圖6為采用常規(guī)包絡分析方法的仿真振動信號的包絡譜圖；
[0015]圖7為風力發(fā)電機滾動軸承的實測振動信號的波形圖；
[0016] 圖8為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的實測振動信號的時頻圖
[0017] 圖9為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的實測振動信號的最佳階 次時頻圖；
[0018] 圖10為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的實測振動信號的窄帶 包絡階次譜圖；
[0019] 圖11為采用常規(guī)包絡分析方法的實測振動信號的包絡譜圖；
[0020] 圖12為本發(fā)明實施例二的滾動軸承的故障診斷裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖對本發(fā)明實施例滾動軸承的故障診斷方法及裝置進行詳細描述。
[0022] 實施例一
[0023] 圖1為本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方法的流程示意圖，如圖1所示，滾 動軸承的故障診斷方法包括：
[0024] 步驟110:采集滾動軸承的振動信號，求取振動信號的時頻譜。
[0025] 在具體的實現(xiàn)方式中，可在滾動軸承座上測量部位設置加速傳感器，通過設置的 加速度傳感器采集滾動軸承的振動信號。圖2為滾動軸承的仿真振動信號的波形圖，該仿真 振動信號由下式(1)表達，式中，t為時間，X(t)為幅值：
[0026] X(t) = (l+sin(43it2)) Xsin(332JTt2).............................................式（1)
[0027] 求取振動信號的時頻譜可采用以下方法之一：短時傅里葉變換、G a b 〇 r變換、 Wigner-vill分布和小波變換，求取上述仿真振動信號的時頻譜。以短時傅里葉變換為例， 對仿真振動信號x(t)進行短時傅里葉變換，其變換式由下式(2)表達： \STFT^ (i, /)== fAi'r)^；,. (r)ar= {T-t)eJfTdT
[0028] J J J 式(2) =〈x(r)，g(.r-f)e"----------------.,.,.
[0029] 其中，t為時間，f為頻率，τ為卷積變量，j為復數(shù)單位，g(t)為一個局部化的單窗函 數(shù)。經(jīng)短時傅里葉變換后，獲得如圖3所示的仿真振動信號的時頻圖。
[0030] 步驟120:根據(jù)時頻譜確定振動信號的最佳階次分量。確定最佳階次分量包括：
[0031 ]步驟121:設定等效轉(zhuǎn)頻范圍，從所述時頻譜上搜索出所有的階次分量。
[0032]步驟122:計算所述階次分量的階次能量，并根據(jù)所述等效轉(zhuǎn)頻范圍確定最佳階次 分量。
[0033]這里，設定等效轉(zhuǎn)頻范圍的處理可包括:將由齒槽通過頻率的整數(shù)倍組成的頻率 序列設定為等效轉(zhuǎn)頻范圍。以直驅(qū)型風力發(fā)電機組的滾動軸承為例，直驅(qū)型風力發(fā)電機的 轉(zhuǎn)頻較低，同時間內(nèi)變化范圍小，在時頻譜圖上直接提取需要較高的分辨率。以與轉(zhuǎn)頻相關 且幅值較明顯的頻率mf cc (m= 1，2，…，Q)為等效轉(zhuǎn)頻，其中，f cc為齒槽通過頻率，Q為最大 倍數(shù)。等效轉(zhuǎn)頻頻率較高，隨時間變化幅度較大，克服了直接提取風機轉(zhuǎn)頻的困難，同時提 高了分析精度。
[0034]根據(jù)本發(fā)明示例性的實施例，步驟122中根據(jù)所述等效轉(zhuǎn)頻確認最佳階次分量的 處理可包括:根據(jù)計算的階次能量對所有的階次分量進行排序;對經(jīng)排序的階次分量，依次 獲取每一所述階次分量對應的時頻分布峰值帶寬中所有頻率的平均值;選取獲取的平均值 與設定的等效轉(zhuǎn)頻范圍之間的誤差小于誤差閾值的階次分量作為最佳階次分量。
[0035] 在具體的實現(xiàn)方式中，就是采用局部自動搜峰法搜索出所有的階次分量。具體來 說，首先，根據(jù)前述設定的等效轉(zhuǎn)頻范圍，從圖3所示的仿真振動信號的時頻譜上搜索出多 個階次分量及對應的時頻分布峰值帶寬，這里，階次分量可理解為一個頻帶(如圖3中一根 黑線），那么對應的時頻分布峰值帶寬就是指頻帶的帶寬。
[0036] 其次，計算每個階次分量的階次能量，對于連續(xù)數(shù)據(jù)階次分量的階次能量，其表達 式為下式(3):
[0037] .......................................式⑶
[0038]其中，Eoi表示第i個階次能量;i表示階次分量序號;t為時間，f為頻率;Pi(t)為第i 個階次信號某時刻對應的幅值Tdf)為第i個階次信號某頻率對應的幅值;T為截至時刻;F 為截至頻率。
[0039] 對于離散數(shù)據(jù)階次分量的階次能量，其表達式為下式(4):
[0040] 士 ΣΧΛ).....................................式⑷
[0041] 其中，」」=0，1，2-，4表示時間序列和頻率序列的點數(shù)4^表示離散時間變量， fjj表不離散頻率變量。
[0042]求出所有階次分量的階次能量之后，以階次能量為指標，對多個階次分量進行從 大到小排序。排序表達式為下式(5):
[0043] [u, v] =sort(E〇i)...............................................................式（5)
[0044 ] 其中，i = l, 2,…,Μ，Μ表示階次總數(shù)，u表示能量值，v表示對應的階次分量。從高階 次能量對應的階次分量開始，依次搜索其階次頻率是否為設定的等效轉(zhuǎn)頻及其倍頻，直到 得到等效頻率對應的最佳階次分量，圖4為采用本發(fā)明實施例一的滾動軸承的故障診斷方 法的仿真振動信號的最佳階次時頻圖。
[0045]然后，從階次能量最大的階次分量開始，依次計算每個階