基于射頻識別管理的紙機軸承在線自動修復系統研究

張開生 王 澤 趙小芬

（陜西科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安，710021）

滾動軸承是紙機的關鍵部件，其工作時間長、工作環境差、極易發生故障。據不完全統計，在紙機故障中，約30%的故障是由滾動軸承引起的[1]。傳統的軸承故障處理方法是停機對故障軸承進行更換，由于事發突然可能會對造紙廠造成重大的經濟損失，因此及時檢測到軸承故障即將發生的隱患，并在線自動修復紙機軸承故障，可以有效減少計劃外停工帶來的損失。

目前，國內外學者在滾動軸承的故障檢測方面已經進行了大量工作。針對軸承故障產生的原因，陳麗華[2]對相關數據進行統計，統計結果顯示86%的軸承故障是由于設備技術人員操作不當造成的，其中潤滑不當所占比率高達34%。針對軸承故障的檢測，劉自然等人[3]提出了改進經驗小波變換的故障特征提取方法，解決傳統經驗小波變換需要預先設置分解模態數和難以對信號頻譜進行適當分割問題。譚俊杰等人[4]提出了無監督遷移成分分析和深度信念網絡的故障軸承診斷方法，解決了由于故障軸承樣本少導致的識別精度低的問題。應雨龍等人[5]能夠在確保檢測實時性的同時，準確有效地識別不同滾動軸承故障類型及其嚴重程度。Mao 等人[6]提出一種深度遷移學習算法實現在線對故障軸承的檢測。Xing 等人[7]利用歸一化的稀疏自動編碼器（AE）構建本地連接的網絡，以從原始數據中提取深度特征進行早期故障診斷。但Mao等人和Xing 等人的檢測算法一般需要大量的輔助數據進行模型訓練，否則會導致特征提取不足，降低診斷和檢測效果。Lu 等人[8]針對軸承早期故障在線檢測，提出采用長短期記憶網絡來計算故障過程與正常狀態之間的偏差，但該文獻更加注重虛警策略的構建，缺乏對在線故障特征的提取。

國內外文獻針對軸承早期故障的在線檢測工作較少且故障特征的提取不足，此外沒有提出如何對軸承早期故障進行在線修復。因此為了研究檢測軸承早期故障以及在線修復軸承故障的方法，本文系統提出采用Hilbert-Huang變換算法對軸承早期故障進行檢測以及特有的修復液在線完成對軸承早期故障的自動修復。在實際應用中，由于小波變換僅用于處理線性非平穩信號，且小波基的選取構建具有較高難度，無法廣泛應用到工業界。Hilbert-Huang 變換的優勢在于：具有自適應性、局部性、完備性與近似正交性，無需設定基函數；在處理非線性非平穩信號時可以抑制諧波分量，過濾信號中的噪聲，同時克服Hilbert存在負值頻率的問題，得到具有物理意義的正數瞬時頻率，從而實現準確的時頻分析。系統在早期檢測到軸承發生故障后，及時通知值班室人員，值班室人員持電子標簽對射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）讀寫器進行刷卡操作[9]。RFID管理系統控制故障軸承上方修復液的加入，實現在線自動修復早期故障軸承。

1 系統方案構建

系統主要功能需求分為兩方面，一方面是軸承早期故障的在線檢測，另一方面是軸承故障的自動在線修復。為了實現上述兩種功能，構建系統的整體框架由RFID 管理系統、紙機軸承修復液、清洗液、潤滑油、閥門、漏斗及廢料收集裝置等組成，系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

由圖1 可見，漏斗安裝在滾動軸承上方，閥門安裝在漏斗底部位置，正常工作情況下閥門處于常閉狀態。廢料收集裝置放置在滾動軸承下方的地面上，用于收集修復液、清洗液及潤滑液等廢料。RFID管理系統中的繼電器與閥門相連，可控制閥門的打開與關閉。在系統初始化階段，RFID管理系統用于管理不同型號軸承清洗液、修復液及潤滑液用量的設置。技術工作人員根據系統初始化時不同軸承的參數用量，提前配置好修復液。清洗液用于清洗掉潤滑油或修復液等其他雜物。潤滑油用于減小軸承正常運轉情況下產生的摩擦力。系統提供修復液的配方，此配方針對檢測到軸承早期的故障進行修復。修復液的配方為基礎油PAO-6 或煤油與蓖麻油（質量比為2∶3）、15%～20%癸二酸二異丁酯、5.0～10.0 g/L聚乙二醇、0.1%～1.0%甘氨酸、0.1～1.0 g/L烷基酚氧乙烯醚、5%～10%過氧化氫、10%木質素改性二氧化硅納米顆粒（粒徑100 nm）。配方中的原料用量均以修復液總質量為基準。

為了實現軸承故障的早期檢測以及在線修復軸承故障，構建系統的具體方案為在系統初始化階段利用RFID 管理系統設置不同型號的軸承相對應的清洗液、修復液及潤滑液的用量。在初始化設置完成后，系統進入主流程采用Hilbert-Huang變換算法對軸承早期故障進行在線檢測。當識別到軸承的早期故障后，RFID管理系統將警報信息傳達到值班室。值班室工作人員持電子標簽對RFID管理系統的讀寫器進行刷卡操作。RFID讀寫器識別到電子標簽后，控制漏斗底部的開關打開，漏斗中裝有的修復液勻速滴落到軸承故障位置處，完成對磨損軸承的自動修復工作。針對生產線較長，滾動軸承數量較多的情況，系統根據軸承座長度將其等分為幾個區域，按照區域增設系統裝置進行檢測。系統微處理器LPC2103由于其小型化、低功耗等特點適用于工業控制，可以獨立高速處理其監測的軸承振動信號，控制相應的閥門狀態完成早期軸承故障修復工作，因此系統可以適應較長的生產線。

1.1 系統硬件設計

系統硬件包括軸承早期故障檢測模塊、RFID 管理模塊、軸承故障修復模塊。軸承早期故障檢測模塊由振動傳感器、LPC2103微處理器組成。系統采用的振動傳感器為加速度傳感器，其型號為RVT-120，安裝在軸承座上。此型號傳感器具有適應紙機惡劣環境工作的能力，同時安裝拆卸方便，便于后期維護。振動傳感器監測軸承的振動信號，并將監測數據傳輸至微處理器。系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 系統的結構框圖

從圖2 可以看出，RFID 管理模塊由LPC2103 微處理器、RC522 讀寫器、電子標簽（專用卡）、繼電器、蜂鳴器及警報燈等組成。RC522讀寫器只能識別專用卡。每個電子標簽（專用卡）對應存儲不同尺寸軸承的型號。值班室安裝多組警報燈和蜂鳴器，每組警報燈與蜂鳴器分別對應不同位置處軸承，將每組警報燈與蜂鳴器進行統一編號。系統繼電器的輸出端連接漏斗下方的閥門，控制閥門的閉合與打開。當檢測到軸承的早期故障后，主控芯片LPC2103控制該軸承對應的警報燈與蜂鳴器的點亮與鳴響。值班室人員收到警報信息并持電子標簽執行刷卡操作，微控制器通過改變繼電器狀態控制閥門的打開。系統電路連接圖如圖3所示。

軸承故障修復模塊由修復液和閥門組成。修復液用于修復軸承早期故障；閥門安裝在漏斗底部，軸承未發生故障情況下閥門處于常閉狀態。修復液可通過閥門加入至故障軸承位置。軸承理論外環故障頻率25.85 Hz，內環故障頻率33.21 Hz，滾動體故障頻率11.10 Hz。因此根據軸承振動信號的頻率分量判斷軸承是否發生故障以及何時修復完成。若軸承損傷嚴重，使用修復液無法完全修復，就為計劃外停機進行備案，更換故障軸承。

1.2 系統軟件設計

系統軟件設計為軸承早期故障的檢測算法設計，由于早期的軸承故障信息很容易被噪聲干擾，較難確定正常軸承狀態和早期軸承故障狀態之間的特定邊界，因此通過信號分析技術提取軸承振動信號的特征信息。造紙機械實際產生的振動信號具有非平穩性、非線性等特點，傳統的信號處理方法已不能適應實際生產運行中振動信號的處理[10]。系統對于軸承早期故障的檢測方法采用振動傳感器獲取軸承的振動信號，通過Hilbert-Huang 變換算法對獲取到的振動信號進行分析得到軸承振動信號的邊際譜信號。Hilbert-Huang 變換算法能夠自適應地提取非線性、非穩態信號的局部特征[11]，因此適用于軸承早期故障的檢測。

圖3 系統電路連接圖

軸承早期故障的振動時頻信號會出現周期性高頻分量，與正常軸承周期性的低頻信號不同，因此通過Hilbert-Huang變換算法對早期故障軸承的時頻分量進行時頻分析，可檢測出軸承故障。此外，由于軸承內圈故障、外圈故障以及滾動體故障對應的故障頻率是不同的，Hilbert-Huang變換算法能夠篩選出不同的故障類型。軸承故障檢測原理圖如圖4所示。

圖4 軸承故障檢測原理圖

2 軸承早期故障檢測算法研究

2.1 Huang算法分析

Hilbert-Huang 算法由兩個算法組合而成，即Hil‐bert 變換算法[12]和Huang 算法。Huang 算法又稱經驗模式分解（EMD，Empirical Mode Decomposition）。Hilbert變換算法要求輸入信號只能是線性穩態的，但軸承振動信號是非線性、非穩態的，因此不能直接使用Hilbert變換算法。通過Huang算法能夠將軸承振動信號從非線性、非穩態信號轉變成線性、穩態信號，Huang 算法是進行Hilbert 變換算法的前提條件。Huang 算法提出可以將任意信號分解為有限個固有模態函數（IMF）的經驗模態分解（EMD）方法[13]。

固有模態函數（IMF）嚴格遵守條件：

（1）信號在全部時間范圍內，過零點個數和局部極值點個數必須相差小于等于1。

（2）信號在任何1 個局部時刻，上包絡和下包絡的均值必須為0。

信號x(t)經驗模態分解（EMD）步驟為：

（1）找到原始信號所有的極大值點和極小值點，通過插值曲線做極大值點和極小值點的包絡線，得到上包絡線u(t)與下包絡線l(t)。

（2） 求上包絡線與下包絡線的平均值m1，見式（1）。

（3）用原信號x(t)減去m1，得到第1 個可能的固有模態函數h1，見式（2）。

（4）判斷h1是否符合固有模態函數的兩點定義，如果符合，那么h1就是x(t)的第1 個IMF 分量，記c1= h1；若h1不符合定義，則將h1作為原始信號，重復上述過程，假定循環k 次以后，得到h1(k-1)- m1=h1k，使得h1k滿足IMF 的定義，則原信號x(t)的一階固有模態函數分量為c1= h1k。

（5）原始信號x(t)減去當前IMF 分量c1，得到新原始信號r1= x(t) - c1，將r1重復步驟（1）～（4），得到x(t)的二階固有模態函數c2。

（6）反復進行步驟（1）～（5），得到x(t)的第n 階固有模態函數cn，以及余量rn。并且當rn是一個常量或單調函數時，整個EMD分解結束，最終得到式（3）。

式（3）表示原始信號x(t)可分解為n 個IMF 分量ci(i = 1,2,3,...,n - 1)和余項rn之和。因為余項rn為單調函數，對信號的頻率沒有任何影響，所以可以忽略不計。由此上式可改寫為式（4）。

由于在實際情況中，一般IMF分量是越來越接近于0，很難滿足IMF 分量嚴格遵守的第2 個條件。因此設定標準差（SD）方法作為判斷IMF 分解何時結束的標準，見式（5）。

SD 值稱為迭代閾值，SD 值為相鄰兩次得到IMF分量的標準差，系統選取SD 值為0.25 的時候分解結果比較理想。

2.2 Hilbert變換算法研究

式中，P為柯西主值。

（2）由ci(t)和c?i(t)構造解析信號得式（7）。

（3）忽略EMD 結果中的殘余分量rn，R 表示取實部，則原始信號可表示為式（8）。

（4）Hilbert的幅值譜可以表示為式（9）。

（5）可以從Hilbert幅值譜表達式看出，Hilbert幅值譜是以時間為自變量，以瞬時幅值和瞬時頻率為表達三維時-頻譜圖，進一步得到Hilbert邊際譜，見式（10）。

式中，T 為信號的采樣時間，H(ω,t)為Hilbert 時頻譜，h(ω)為時頻譜在時間T內的積分。

Hilbert邊際譜反應的是信號瞬時頻率和信號幅度在整個頻率段隨時間變化的關系。Hilbert邊際譜可看作是一種三維分布，能夠表現出信號局部時間、頻率、幅值3種特性。當在Hilbert邊際譜中某一瞬時頻率與紙機軸承故障信號振動頻率一致時，表明軸承發生故障，系統進行警報。因此Hilbert-Huang變換算法通過分解原始紙機軸承信號為一系列IMF分量，將非線性、非穩態的原始軸承信號轉變成為線性穩態的一系列IMF分量，再對IMF分量進行Hilbert變換突出軸承信號的幅值、頻率及時間屬性，進而檢測出軸承早期故障。

3 軸承早期故障在線自動修復

軸承早期故障在線自動修復方案為在系統初始化階段，值班室人員持相對應軸承型號的電子標簽（專用卡）對RFID 讀寫器進行刷卡操作，完成清洗液、修復液及潤滑液用量的設置，便于之后對不同型號軸承的修復工作。若在系統初始化階段RFID 讀寫器超過30 s都沒有讀到專用卡的數據，系統流程進入對軸承早期故障的在線檢測步驟。振動傳感器采集軸承振動信號，利用Hilbert-Huang 變換算法分析軸承信號的邊際譜，根據邊際譜中軸承頻率與不同類型軸承故障頻率的對應關系，從而檢測軸承是否發生故障以及發生的是哪種類型的故障。當在早期檢測到軸承發生故障后，微處理器LPC2103控制安裝在值班室的蜂鳴器與警報燈進行鳴響和點亮。由于蜂鳴器與警報器具有編號，且該編號與軸承具有一一對應的關系，因此值班人員根據編號信息可以找到故障軸承位置。值班人員進一步核實故障軸承情況，若軸承完全剝落則需要停機更換軸承，否則為軸承故障即將發生的隱患。值班人員持電子標簽對RFID 讀寫器進行刷卡操作。RFID 管理系統識別到卡片后，控制漏斗下方閥門打開，由漏斗滴落的清洗液將故障軸承原先的潤滑油等其他雜物清洗掉。待清洗完成后，系統修復液由漏斗勻速滴落在故障軸承處對磨損軸承進行修復。根據軸承振動頻率判斷故障軸承修復完成后，系統使用清洗液清洗掉修復液，可重新向軸承加入潤滑油，關閉閥門開關。系統工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統工作流程圖

系統投入使用前后修復故障軸承在每個階段耗費的平均時間如表1所示。人工發現軸承故障的時間較本文方法滯后，其軸承損傷程度加深，故障修復時間較長。由表1的對比可知，系統投入使用后對于軸承故障的修復節省了大約100 min，同時系統針對軸承早期故障進行修復，一定程度地延長了軸承的壽命，有效提高了紙機的生產效率。

表1 軸承故障平均修復時間比較 min

4 結 語

為了檢測軸承早期故障以及在線修復軸承故障，提出基于射頻識別（RFID）管理系統的紙機軸承在線自動修復系統。系統采用Hilbert-Huang 變換算法實現對軸承早期故障的檢測，首先將振動信號分解為有限個固有模態函數，其次將有限個固有模態函數作為Hilbert 變換的輸入，得到Hilbert 邊際譜。根據軸承故障頻率的不同，可實現對軸承故障的準確檢測，在檢測到軸承的早期故障后，RFID 管理系統對值班室進行報警，值班室人員持電子標簽進行刷卡操作，完成修復液的自動加入。此外，在系統初始化階段，RFID 管理系統可針對不同型號軸承設置清洗液、修復液及潤滑液用量。系統提供的專有修復液可在線完成對軸承故障的修復，節約了軸承故障修復時間，有效減少計劃外停工次數，提高了紙機生產效率。系統適應工廠不同生產線能力較強，對紙機軸承早期故障在線修復提供了新的思路與方案。