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

1、滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備中常用、關(guān)鍵的零部件,其工作狀態(tài)是否正常直接關(guān)系到整臺(tái)機(jī)組乃至整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)質(zhì)量和安全.研究滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù),對(duì)于避免重大事故及變革維修體制等具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義. 本文在分析了滾動(dòng)軸承現(xiàn)有診斷技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)滾動(dòng)軸承近似對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特征及其旋轉(zhuǎn)的工作方式,針對(duì)當(dāng)軸承元件出現(xiàn)損傷時(shí),由損傷點(diǎn)引起沖擊調(diào)制使觀測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)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(hào)處理的滾動(dòng)軸

2、承振動(dòng)信號(hào)特征提取方法.具體內(nèi)容如下: 1)研究了一階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量.基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)中常見(jiàn)的調(diào)幅振動(dòng)信號(hào)模型,證明了這類信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)性.對(duì)比了循環(huán)均值和時(shí)域同步平均分析,指出這兩者在提取信號(hào)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(duì)時(shí)域同步平均方法予以改進(jìn),得到循環(huán)時(shí)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(hào)中的多周期特征.研究還指出,循環(huán)均值不能實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)功能,因此不適合用

3、來(lái)分析調(diào)幅信號(hào). 2)深入研究了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的解調(diào)性能.對(duì)比循環(huán)自相關(guān)函數(shù)解調(diào)、基于Hilbert變換的包絡(luò)解調(diào)及平方解調(diào),指出了它們雖在解調(diào)時(shí)具有相似的功效,但卻存在本質(zhì)上的差異:循環(huán)自相關(guān)函數(shù)是通過(guò)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(hào)中的周期成分,將調(diào)幅信息直接解調(diào)到循環(huán)頻率軸上;包絡(luò)解調(diào)法有解調(diào)功能,卻忽略了載波信息;而平方解調(diào)則是通過(guò)平方變換,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)解調(diào).包絡(luò)解調(diào)和平方解調(diào)都只是實(shí)現(xiàn)了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)解

4、調(diào)的局部功能. 3)對(duì)循環(huán)自相關(guān)函數(shù)在特定循環(huán)頻率處的切片信息進(jìn)行了研究.對(duì)比了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的模、實(shí)部和虛部切片分析.結(jié)果表明:循環(huán)自相關(guān)函數(shù)模的切片分析可以在不同循環(huán)頻率處獲取到調(diào)幅振動(dòng)信號(hào)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(chǔ)上,找出了循環(huán)自相關(guān)函數(shù)模的切片分析的一般性規(guī)律. 4)研究了譜相關(guān)密度函數(shù).引入時(shí)域平滑循環(huán)周期圖法,用于獲取循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的譜相

5、關(guān)密度函數(shù).譜相關(guān)密度函數(shù)通?？梢圆捎脤?duì)稱與非對(duì)稱兩種變換形式加以實(shí)現(xiàn).不同的變換形式會(huì)對(duì)譜相關(guān)密度函數(shù)的信息具體表現(xiàn)形式產(chǎn)生影響.推導(dǎo)了譜機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)密度函數(shù)的一般表達(dá)式,給出了一般換形式下譜相關(guān)密度函數(shù)分布規(guī)律圖.同時(shí)研究指出盡管變換形式不同,但是譜相關(guān)密度函數(shù)反映的信息特征實(shí)質(zhì)是一樣的,都可以揭示出循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)中的全部信息. 5)針對(duì)故障滾動(dòng)軸承沖擊調(diào)幅振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn),改進(jìn)了循環(huán)平穩(wěn)度的定義,用于判別非

6、平穩(wěn)信號(hào)中包含周期成分強(qiáng)弱的程度.針對(duì)具有不同循環(huán)平穩(wěn)度的非平穩(wěn)信號(hào),研究指出要采用不同的信號(hào)分析與處理方法,才能有效地識(shí)別和診斷. 6)噪聲干擾是信號(hào)特征提取中會(huì)遇到的一個(gè)重要問(wèn)題,本文探討性研究了白噪聲對(duì)循環(huán)譜密度的影響,指出了二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量對(duì)加性白噪聲的漸進(jìn)免疫性能. 7)本文也研究了高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論及其實(shí)現(xiàn)方法.在理論研究的基礎(chǔ)上,本文對(duì)比了二階統(tǒng)計(jì)量、高階統(tǒng)計(jì)量和循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的一些性能指標(biāo),指出高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量具

7、有更好的抗噪聲干擾性能.將二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的切片分析理論引入到高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量分析中,能夠更加直觀地將信號(hào)的高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量分布表述出來(lái),為高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的工程應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ).但是,高階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量具有算法復(fù)雜、計(jì)算效率低等缺陷,在一定的程度上限制了其實(shí)用性. 8)鑒于二階循環(huán)平穩(wěn)分析對(duì)白噪聲的漸進(jìn)免疫性、對(duì)有色噪聲的敏感性以及高階循環(huán)平穩(wěn)分析的計(jì)算復(fù)雜性,傳統(tǒng)的循環(huán)平穩(wěn)分析方法對(duì)幾乎循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)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(diǎn)以及連續(xù)小波變換的優(yōu)越性,針對(duì)弱沖擊調(diào)制信號(hào),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(jì)閾值消噪方法,實(shí)現(xiàn)弱沖擊信號(hào)的沖擊特征強(qiáng)化.對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障而言,因?yàn)樵缙诠收弦鸬娜鯖_擊調(diào)制導(dǎo)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(hào)沖擊特征強(qiáng)化方法,強(qiáng)化這類幾乎循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特征,從而為這類信號(hào)有效地進(jìn)行循環(huán)平穩(wěn)分析奠定了基礎(chǔ). 9)本

9、文還研究了故障滾動(dòng)軸承的循環(huán)平穩(wěn)振動(dòng)模型,在傳統(tǒng)振動(dòng)模型基礎(chǔ)上,本文引入沖擊的幅值、周期以及響應(yīng)等三個(gè)時(shí)變量因子,得到了可以模擬內(nèi)圈、外圈以及滾動(dòng)體等故障的綜合振動(dòng)模型.新模型與傳統(tǒng)模型相比,更加貼近故障滾動(dòng)軸承的實(shí)際情況.并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),證明了該模型的循環(huán)平穩(wěn)性. 10)最后,本文進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)不同類型故障的滾動(dòng)軸承,對(duì)比了傳統(tǒng)功率譜分析、包絡(luò)分析、平方解調(diào)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