基于循環(huán)平穩(wěn)信號處理的滾動軸承故障診斷方法研究.pdf

1、滾動軸承是機械設備中常用、關鍵的零部件,其工作狀態(tài)是否正常直接關系到整臺機組乃至整條生產線的生產質量和安全.研究滾動軸承的監(jiān)測和診斷技術,對于避免重大事故及變革維修體制等具有重要的理論研究價值和實際應用意義. 本文在分析了滾動軸承現(xiàn)有診斷技術的基礎上,根據(jù)滾動軸承近似對稱的結構特征及其旋轉的工作方式,針對當軸承元件出現(xiàn)損傷時,由損傷點引起沖擊調制使觀測到的振動信號表現(xiàn)出循環(huán)平穩(wěn)性這一現(xiàn)象,深入研究了基于循環(huán)統(tǒng)平穩(wěn)信號處理的滾動軸

2、承振動信號特征提取方法.具體內容如下: 1)研究了一階循環(huán)統(tǒng)計量.基于旋轉機械振動中常見的調幅振動信號模型,證明了這類信號的循環(huán)平穩(wěn)性.對比了循環(huán)均值和時域同步平均分析,指出這兩者在提取信號中的一階周期性特征信息方面具有相同的效果,但是二者的理論基石卻完全不一樣.對時域同步平均方法予以改進,得到循環(huán)時變同步平均方法,該方法能夠更全面地反映一階多周期信號中的多周期特征.研究還指出,循環(huán)均值不能實現(xiàn)對調幅信號的解調功能,因此不適合用

3、來分析調幅信號. 2)深入研究了循環(huán)自相關函數(shù)的解調性能.對比循環(huán)自相關函數(shù)解調、基于Hilbert變換的包絡解調及平方解調,指出了它們雖在解調時具有相似的功效,但卻存在本質上的差異:循環(huán)自相關函數(shù)是通過非線性二次變換和循環(huán)因子的共同作用獲取循環(huán)平穩(wěn)信號中的周期成分,將調幅信息直接解調到循環(huán)頻率軸上;包絡解調法有解調功能,卻忽略了載波信息;而平方解調則是通過平方變換,實現(xiàn)對信號解調.包絡解調和平方解調都只是實現(xiàn)了循環(huán)自相關函數(shù)解

4、調的局部功能. 3)對循環(huán)自相關函數(shù)在特定循環(huán)頻率處的切片信息進行了研究.對比了循環(huán)自相關函數(shù)的模、實部和虛部切片分析.結果表明:循環(huán)自相關函數(shù)模的切片分析可以在不同循環(huán)頻率處獲取到調幅振動信號中的不同特征信息,并且在某些特定的循環(huán)頻率處,可提取出單一的特征頻率成分.在理論研究和仿真分析的基礎上,找出了循環(huán)自相關函數(shù)模的切片分析的一般性規(guī)律. 4)研究了譜相關密度函數(shù).引入時域平滑循環(huán)周期圖法,用于獲取循環(huán)平穩(wěn)信號的譜相

5、關密度函數(shù).譜相關密度函數(shù)通?？梢圆捎脤ΨQ與非對稱兩種變換形式加以實現(xiàn).不同的變換形式會對譜相關密度函數(shù)的信息具體表現(xiàn)形式產生影響.推導了譜機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室相關密度函數(shù)的一般表達式,給出了一般換形式下譜相關密度函數(shù)分布規(guī)律圖.同時研究指出盡管變換形式不同,但是譜相關密度函數(shù)反映的信息特征實質是一樣的,都可以揭示出循環(huán)平穩(wěn)信號中的全部信息. 5)針對故障滾動軸承沖擊調幅振動信號的特點,改進了循環(huán)平穩(wěn)度的定義,用于判別非

6、平穩(wěn)信號中包含周期成分強弱的程度.針對具有不同循環(huán)平穩(wěn)度的非平穩(wěn)信號,研究指出要采用不同的信號分析與處理方法,才能有效地識別和診斷. 6)噪聲干擾是信號特征提取中會遇到的一個重要問題,本文探討性研究了白噪聲對循環(huán)譜密度的影響,指出了二階循環(huán)統(tǒng)計量對加性白噪聲的漸進免疫性能. 7)本文也研究了高階循環(huán)統(tǒng)計量理論及其實現(xiàn)方法.在理論研究的基礎上,本文對比了二階統(tǒng)計量、高階統(tǒng)計量和循環(huán)統(tǒng)計量的一些性能指標,指出高階循環(huán)統(tǒng)計量具

7、有更好的抗噪聲干擾性能.將二階循環(huán)統(tǒng)計量的切片分析理論引入到高階循環(huán)統(tǒng)計量分析中,能夠更加直觀地將信號的高階循環(huán)統(tǒng)計量分布表述出來,為高階循環(huán)統(tǒng)計量的工程應用奠定了一定的基礎.但是,高階循環(huán)統(tǒng)計量具有算法復雜、計算效率低等缺陷,在一定的程度上限制了其實用性. 8)鑒于二階循環(huán)平穩(wěn)分析對白噪聲的漸進免疫性、對有色噪聲的敏感性以及高階循環(huán)平穩(wěn)分析的計算復雜性,傳統(tǒng)的循環(huán)平穩(wěn)分析方法對幾乎循環(huán)平穩(wěn)信號的循環(huán)平穩(wěn)特征提取存在缺憾.本文根

8、據(jù)Morlet小波自身的特點以及連續(xù)小波變換的優(yōu)越性,針對弱沖擊調制信號,采用最小熵Morlet匹配小波基選擇原理選擇適合提取沖擊特征的小波基,利用最大似然估計閾值消噪方法,實現(xiàn)弱沖擊信號的沖擊特征強化.對于旋轉機械早期故障而言,因為早期故障引起的弱沖擊調制導致了幾乎循環(huán)平穩(wěn)現(xiàn)象,利用基于Morlet小波的弱沖擊信號沖擊特征強化方法,強化這類幾乎循環(huán)平穩(wěn)信號的循環(huán)平穩(wěn)特征,從而為這類信號有效地進行循環(huán)平穩(wěn)分析奠定了基礎. 9)本

9、文還研究了故障滾動軸承的循環(huán)平穩(wěn)振動模型,在傳統(tǒng)振動模型基礎上,本文引入沖擊的幅值、周期以及響應等三個時變量因子,得到了可以模擬內圈、外圈以及滾動體等故障的綜合振動模型.新模型與傳統(tǒng)模型相比,更加貼近故障滾動軸承的實際情況.并通過仿真實驗,證明了該模型的循環(huán)平穩(wěn)性. 10)最后,本文進行了大量的實驗研究,對不同類型故障的滾動軸承,對比了傳統(tǒng)功率譜分析、包絡分析、平方解調分析、二階循環(huán)平穩(wěn)分析、循環(huán)雙譜分析,基于Morlet小波的