基于譜峭度和Morlet小波的滾動(dòng)軸承故障診斷方法

摘 要：針對(duì)共振解調(diào)方法中帶通濾波器中心頻率和帶寬等參數(shù)選取的困難，本文結(jié)合譜峭度方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，首先利用 Morlet 小波對(duì)其進(jìn)行小波分解，然后利用峭度最大的原則設(shè)計(jì)出最優(yōu)帶通濾波器，最后利用包絡(luò)分析進(jìn)行故障診斷，通過(guò)實(shí)際信號(hào)對(duì)本方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明本方法具有較好的效果。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；譜峭度；包絡(luò)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.004

滾動(dòng)軸承由于摩擦系數(shù)小、傳動(dòng)效率高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械系統(tǒng)中，滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況關(guān)系到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，加強(qiáng)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的預(yù)判與診斷有著十分重要的工程應(yīng)用。但是由于滾動(dòng)軸承發(fā)生輕微故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)一般比較微弱，容易淹沒(méi)在復(fù)雜的環(huán)境噪音中，現(xiàn)有的包絡(luò)分析技術(shù)已不能診斷此類故障，因此如何精準(zhǔn)定位滾動(dòng)軸承故障引起的共振帶，是滾動(dòng)軸承故障研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

小波分析等時(shí)頻分析方法的提出使得研究人員可以同時(shí)分析故障信號(hào)在時(shí)域和頻域的特性。小波分析是一種窗口面積一定但形狀可變的時(shí)頻局部化分析方法，在信號(hào)低頻部分有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分則相反，它的這個(gè)性質(zhì)使得小波分析使用于分析各類工程實(shí)際信號(hào)，具有較高的自適應(yīng)能力。譜峭度概念最早由Dyer提出，由于它對(duì)含噪信號(hào)中的微弱瞬態(tài)振動(dòng)成分具有較高的敏感性，因此被廣泛應(yīng)用于提取軸承故障信號(hào)。本文將小波分析與譜峭度方法相結(jié)合研究分析滾動(dòng)軸承的故障振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)小波分解先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行若干層的分析，將信號(hào)劃分為不同的頻帶，然后利用譜峭度法則計(jì)算個(gè)頻帶的峭度值，最大峭度值所對(duì)應(yīng)的頻帶一般就是含噪成分較多的頻帶，最后對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，獲取信號(hào)故障成分。

1 Morlet小波變換

2 譜峭度

通過(guò)計(jì)算整個(gè)頻帶的譜峭度值就可以找到峭度值最大的頻帶，也就找到了瞬態(tài)故障頻帶，Antoni還引入了峭度圖的概念用來(lái)描述頻率和窗長(zhǎng)的關(guān)系，當(dāng)峭度圖中頻率和窗長(zhǎng)所確定的頻帶峭度最大時(shí)，此頻帶正好是譜峭度值最大的頻帶的中心頻率和帶寬。

3 信號(hào)分析

本文利用型機(jī)械故障模擬及試驗(yàn)平臺(tái)模擬了軸承點(diǎn)蝕故障情況并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，軸承振動(dòng)信號(hào)由速度傳感器獲取，所采用的速度傳感器型號(hào)為SNd993，靈敏度為0.0103v/（m/s2），實(shí)驗(yàn)中采用的軸承型號(hào)為N203圓柱滾動(dòng)軸承，采樣頻率為32768Hz，轉(zhuǎn)速N=1720r/min左右，滾珠個(gè)數(shù)為10個(gè)，滾動(dòng)體直徑d=6.5mm，軸承節(jié)徑D=28.5mm，人為設(shè)置外圈故障，對(duì)于內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)外圈固定的旋轉(zhuǎn)軸承，外圈故障特征頻率的計(jì)算公式為：

下面利用本文方法對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分析，首先對(duì)其進(jìn)行7層小波分解，然后對(duì)各層子頻帶求其峭度值，用峭度圖如圖4所示。

從此峭度圖中可以看出當(dāng)中心頻率為15016Hz，帶寬為2725Hz時(shí)，所在頻帶的峭度值最大，所包含的故障信息最多，用此帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后，利用包絡(luò)解調(diào)方法分析出此頻帶的頻率特征，如圖5所示。

從圖中可以清晰看出周期性振動(dòng)頻率及其倍頻的存在，頻率大小為117.4Hz，與軸承外圈故障特征頻率相吻合，故可以確認(rèn)此滾動(dòng)軸承的外圈存在故障。

4 結(jié)語(yǔ)

利用譜峭度對(duì)信號(hào)中瞬態(tài)沖擊成分的敏感，通過(guò)計(jì)算各個(gè)自頻帶的峭度值，利用峭度圖直觀的表現(xiàn)出來(lái)，可以清晰判斷出包含故障信息最多的頻帶，然后利用確定的中心頻率和帶寬參數(shù)設(shè)計(jì)帶通濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)包絡(luò)解調(diào)后即可分析出故障頻率，此方法具有較完善的理論依據(jù)和較強(qiáng)的分析能力，對(duì)于工程實(shí)際信號(hào)也有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：梁瑞剛（1991-），男，碩士研究生，主要從事：機(jī)械振動(dòng)信號(hào)診斷與特征提取研究。