基于小波降噪與分形理論的滾動(dòng)軸承故障診斷

卓蒙蒙，張曉光，姬程鵬，雷大江

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.大連交通大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 大連 116052)

滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)信號(hào)中往往含有大量的噪聲信號(hào)，且是非線性與不穩(wěn)定的。傳統(tǒng)的故障診斷方法往往將非線性問(wèn)題通過(guò)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為線性問(wèn)題，雖然診斷運(yùn)算簡(jiǎn)便，但缺乏可靠性與準(zhǔn)確度。分形理論的出現(xiàn)為認(rèn)識(shí)與研究非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性提供了有力的數(shù)學(xué)依據(jù)[1]，其研究對(duì)象是傳統(tǒng)歐幾里德幾何和微積分方法不能描述的一大類(lèi)不光滑或不規(guī)則集合和函數(shù)的結(jié)構(gòu)，將分形理論應(yīng)用于復(fù)雜機(jī)械故障診斷是目前故障診斷領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)在一定的時(shí)域長(zhǎng)度內(nèi)具有自相似性，因此可以將分形維數(shù)作為振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行故障診斷。然而研究表明[2],如果振動(dòng)信號(hào)中含有大量的噪聲信號(hào)，則計(jì)算出來(lái)的分形維數(shù)偏大，影響故障診斷的準(zhǔn)確性。因此利用分形理論對(duì)故障信號(hào)診斷之前，需先對(duì)信號(hào)降噪處理。下文通過(guò)小波對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪，然后利用分形理論對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)與診斷。

1 小波降噪

在信號(hào)處理領(lǐng)域，小波降噪已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，常用的小波降噪方法有小波分解重構(gòu)法、非線性小波變換閾值法、平移不變量小波法以及小波變換模極大值法[3]。其中非線性小波變換閾值法由于能獲得信號(hào)的近似最優(yōu)估計(jì)而得到廣泛的應(yīng)用。

設(shè)帶噪聲的信號(hào)為

yi=xi+mi,

(1)

式中：mi為方差為σ2的高斯白噪聲，即N(0,σ2)；yi為含有噪聲的信號(hào)；xi為原始信號(hào)。

小波閾值降噪的基本原理是：首先將含有噪聲的信號(hào)進(jìn)行小波分解，如果噪聲信號(hào)遠(yuǎn)小于原始信號(hào)，則分解出來(lái)的噪聲信號(hào)的小波系數(shù)也同樣小于原始信號(hào)的小波系數(shù)，選定1個(gè)特定的閾值，將小于閾值的小波系數(shù)重置為零，而保留大于閾值的小波系數(shù)。然后對(duì)篩選后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，即可得到降噪后的信號(hào)。小波去噪的難點(diǎn)是閾值與閾值函數(shù)的選取[1-5]，相比較而言，經(jīng)軟閾值處理后的信號(hào)更加光滑，因此選用軟閾值作為閾值函數(shù)，固定閾值作為閾值λ對(duì)含有噪聲的振動(dòng)信號(hào)降噪。

2 分形維數(shù)及其計(jì)算[2]

維數(shù)是空間和客體的重要幾何參數(shù)，在狀態(tài)空間中反映了描述該空間所需變量的個(gè)數(shù)。分形維數(shù)是定量描述分形特征的重要參數(shù)，常見(jiàn)的有盒維數(shù)、廣義維數(shù)、信息維數(shù)和關(guān)聯(lián)維數(shù)。其中關(guān)聯(lián)維數(shù)可以由觀測(cè)得到的一維時(shí)間序列利用G-P算法直接計(jì)算，因此，常用關(guān)聯(lián)維數(shù)作為區(qū)分不同故障的依據(jù)。

關(guān)聯(lián)維數(shù)的具體形式為：假設(shè){xk}為給定的一維時(shí)間序列，其中k=1，2，…，N。選取時(shí)間延遲τ，采樣間隔t，采用重構(gòu)相空間維數(shù)m對(duì){xk}相空間進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)結(jié)果記為Xn(m,τ)=(xn,xn+1,…,xn+(m-1)τ)，其中n=1，2，…，N-m+1。選取重構(gòu)相空間中任意2點(diǎn)Xi，Xj，計(jì)算2點(diǎn)之間的距離ri,j=‖Xi-Xj‖，選取正數(shù)r，計(jì)ri,j小于r的對(duì)數(shù)占全部點(diǎn)對(duì)數(shù)的比例為C(r)，則C(r)為

Xj‖)。

(2)

H為Heaviside函數(shù)，即

H(r-‖Xi-Xj‖)=

(3)

則關(guān)聯(lián)維數(shù)D可表示為

(4)

也就是說(shuō)，如果以lnC(r)為縱軸，以lnr為橫軸，則曲線的斜率即為D。

3 分形診斷分類(lèi)原理[6]

故障診斷實(shí)際上包括特征提取與故障分類(lèi)2個(gè)過(guò)程，然而同一種故障在不同狀態(tài)下的表現(xiàn)形式可能不同，但是其特征參數(shù)卻表現(xiàn)出共性，根據(jù)這些共性就能區(qū)別其他類(lèi)型的故障。當(dāng)利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)的不同故障建立特征模式，再由這些特征模式組建特征空間，每種特征對(duì)應(yīng)于模式空間中的1個(gè)點(diǎn)，模式空間建立如下：

M(Xi)=[x1,x2,…,xj]T。

(5)

(6)

4 故障診斷示例

以某礦主井提升機(jī)用雙列向心球面滾子軸承3003246為例，軸承尺寸為Φ320 mm×Φ580 mm×208 mm，采樣頻率為2 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024。圖1為未經(jīng)降噪的原始振動(dòng)信號(hào)；選用固定閾值、軟閾值函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪，降噪后的時(shí)域波形如圖2所示。

圖1 實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

圖2 小波降噪后信號(hào)時(shí)域圖

圖3～圖5分別為降噪后的軸承外圈、內(nèi)圈裂紋時(shí)域圖和待檢信號(hào)時(shí)域圖。

圖3 外圈裂紋降噪后時(shí)域圖

圖4 內(nèi)圈裂紋降噪后時(shí)域圖

圖5 待檢信號(hào)振動(dòng)時(shí)域圖

選取不同的重構(gòu)空間維數(shù)m對(duì)降噪后的信號(hào)求關(guān)聯(lián)維數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 重構(gòu)維數(shù)選擇示意圖

由圖6可以看出，隨著重構(gòu)維數(shù)m的增大，關(guān)聯(lián)維數(shù)有增大的趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合不同軸承狀態(tài)的lnr-lnC(r)圖(圖7～圖9)可以看出，當(dāng)m增大到12時(shí)，關(guān)聯(lián)維數(shù)趨于穩(wěn)定，所以在此選用m=12計(jì)算各軸承狀態(tài)的關(guān)聯(lián)維數(shù)。

圖7 正常信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)雙對(duì)數(shù)圖

圖8 內(nèi)圈故障信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)雙對(duì)數(shù)圖

圖9 外圈故障信號(hào)關(guān)聯(lián)維數(shù)雙對(duì)數(shù)圖

對(duì)采樣信號(hào)截取5段分別計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)，然后求平均數(shù)。結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，軸承正常時(shí)關(guān)聯(lián)維數(shù)最小，當(dāng)內(nèi)圈或外圈發(fā)生故障時(shí)，關(guān)聯(lián)維數(shù)有不同程度地增大。標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明離平均值越接近，誤差越小。因此可以通過(guò)計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)判斷軸承是否發(fā)生故障。

表1 不同工況關(guān)聯(lián)維數(shù)

用同樣的方法求信號(hào)待檢的關(guān)聯(lián)維數(shù)，并計(jì)算與軸承狀態(tài)的距離函數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，待檢信號(hào)與外圈裂紋的距離函數(shù)最大，因此可判斷待檢信號(hào)屬于外圈裂紋故障，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際相吻合。

表2 待檢信號(hào)與不同軸承狀態(tài)的距離函數(shù) R(j,x)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可知，可以將關(guān)聯(lián)維數(shù)作為振動(dòng)信號(hào)的特征量，但計(jì)算關(guān)聯(lián)維數(shù)之前應(yīng)先對(duì)信號(hào)降噪，當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，關(guān)聯(lián)維數(shù)增大，通過(guò)計(jì)算與已知故障的距離函數(shù)即可判斷出待檢信號(hào)的故障類(lèi)型。