淺析滾動軸承故障自適應(yīng)諧振解調(diào)技術(shù)

李向前，彭程程，李國維，李小平，臧廷朋

（1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312000；2.珈藍(lán)電力科技有限公司，浙江 杭州 311200）

在滾動軸承運行過程中，由于軸承的局部損傷，會產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生一種能聚集的脈沖，使軸承產(chǎn)生相應(yīng)的自振。這些循環(huán)的脈動頻率與滾動軸承的故障頻率相符。然后選擇一種自振頻率相同的自振特性，利用包絡(luò)解調(diào)技術(shù)對其進行識別，并根據(jù)其頻譜中的明顯特征頻率來判定其局部損傷的程度。傳統(tǒng)的共振解調(diào)技術(shù)需要通過碰撞試驗獲得共振頻率。由于高頻頻段噪聲較多，用該方法計算出的諧波頻率與噪聲分量有一定的關(guān)系。朱漢明等將原始模式分解為IMF，并將其視為傳統(tǒng)共振技術(shù)的一種典型模式，并將其與其他3種類型的帶通濾波器進行了對比，并選取了各自的固有模式函數(shù)。這一方法缺乏對自然形態(tài)要素的選取。本文提出一種新的基于EMD的自適應(yīng)算法，將該算法劃分為多個IMF分量，并用信息熵對每個IMF分量進行了分析。

1 EMD方法的原理

利用EMD方法對原始數(shù)據(jù)進行分析，得出一種線性和穩(wěn)定的IMF分量，這是通過對內(nèi)標(biāo)值變化的分析得出的。不穩(wěn)定的信號自適應(yīng)可分為有限的線性和具有穩(wěn)定性的窄帶內(nèi)在圖案的分量。每種形式的分解都要滿足2個條件。

在所有分解后的信號中，極點和過零點的數(shù)目是相同的，最多只有一個：

（1）在任意時刻，下包絡(luò)的平均值包括一個具有0的最大局部最大的點，即包絡(luò)線在靠近時間軸的位置上是對稱的。

對于任意一個信號x()，其分解過程按以下5個部分進行：（1）發(fā)現(xiàn)所有初始信號的最大和最小值點，用三次樣條曲線對最大信號線和最小信號線進行擬合，對原始信號的上、下、后包線u（t）、v（z）進行擬合，所得的平均曲線由m（z）表示。從理論上講，模式函數(shù)表示為h，即：

（2）如果h,(t)為IMF，那么h,(t)是原始信號

x(t)的第一個IMF分量；如果h,(t)不是IMF，把h,(t)作為原始數(shù)據(jù)，擬合與h,(t）相應(yīng)的上、下包絡(luò)線為u,(t)和v,(t)，重復(fù)以上步驟得

（3）直到hn（t）最后為IMF，從而將第1 IMF成分(c)與原信號分開，(t)=hy(t)，并從原信號中移除第1剩余信號，從而獲得第1殘留信號：

（4）把r,(t）作為新的原始信號，重復(fù)以上步驟，得

（5）將原信號x(t）表示為模態(tài)函數(shù)和余量之和，即

由此將復(fù)合原始信號分為幾組IMF成分和一組殘留信號，它們是一種趨向項。

1.1 自適應(yīng)選取中心頻率

通過EMD法分析了軸承的振動，獲得了一組IMF分量，并將IMF的最小值用作IMF分量，從而獲得了它的高頻共振頻率。從信息傳輸?shù)睦碚搧砜?，在IMF中，信號源的特征越明顯，它的頻率響應(yīng)時間越有規(guī)律，它的信號就越少。

（1）將c.（t）作為一個振蕩信號）的具體IMF分量c.（t）被指定為.mav最小值（cmin）。

（2）在 間 隔（lm.in,cma）中，IV等 分 點A，Lomin'A，...，A，(Ax-l, Cm）。若取樣的特征值是（A、A）片段，則將其作為取樣的相應(yīng)屬性值B。

（3）所得到的振動信號的總點號為n，而在部分i處的取樣點數(shù)量是m，計算第i部分的概率P(B)=m;/n。通過這種方式，可以獲得以下國際貨幣基金組織的信息：

1.2 包絡(luò)解調(diào)

用希爾伯特變換求出了所選擇的自振頻率的包絡(luò)線。這種方法可以將探測到的信號相位偏移90°，從而將這種偏差的探測結(jié)果與原來的探測結(jié)果結(jié)合起來，形成一種分析的結(jié)果。希爾伯特變換在有真正信號x（t）的情況下進行（xz)：

可得解析信號為

解析信號的幅值A(chǔ)(t）為

A（t）是X（t）的包絡(luò)，它穿過了真正的信號。

利用FFT技術(shù)對所獲得的包絡(luò)波進行FFT分析，并通過波形曲線判斷是否存在故障。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于自適應(yīng)共振與解調(diào)技術(shù)的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)（如圖1）。

圖1 自適應(yīng)共振解調(diào)技術(shù)的滾動軸承診斷模型

2 自適應(yīng)共振解調(diào)在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用

本實驗系統(tǒng)由驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)矩傳感器、測力儀、電子控制器等組成，采用Bearing數(shù)據(jù)中心對被測軸承進行測量。我公司6025-2 RS，JEM，SKF深溝球型軸承，包括普通軸承、內(nèi)環(huán)軸承、外環(huán)軸承、滾動體軸承。表1展示了軸承的故障特征，軸承類型的故障分別是內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障。

表1 滾動軸承故障特征頻率

對正常、內(nèi)圈、滾珠和外圈四種不同的振動信號進行了分析。以一臺軸承內(nèi)圈的測試為例，其振動信號如圖2所示。

圖2 滾動軸承內(nèi)圈故障振動原信號

采用EMD方法對軸承外圈失效振動進行了分析，所得結(jié)果如圖3所示，對其分解后的IMF分量進行了處理，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 外圈故障IMF分量

如表2所示，IMF各階段IMF各組成部分的信息子值都是IMF的，而且信息量最小。在這些因素中，信息最少的IMF元件表現(xiàn)出最明顯的故障特征。所以，它的核心頻率是由帶通濾波器的高頻共振頻率決定的。EMD則利用EMD對內(nèi)環(huán)失敗的IMF進行譜線分析。

表2 各故障類型的IMF分量的信息嫡值

然后，從IMF的頻譜中選擇了高頻成分，選擇了具有較高頻率的共振標(biāo)準(zhǔn)，并選擇了相應(yīng)的共振頻率。這樣，采用包線檢測技術(shù)就能提高信號的信噪比。從圖4可以看出，第二組具有比第一組更高的共振頻率，共振峰也更大，所以可以判定為中心頻率為9kHz，其寬度為軸承最大故障特性頻率的2倍或更多，從而保證在共振解調(diào)包絡(luò)頻段中，能夠觀測到最大的故障特征頻率。在滾動軸承故障特性頻段，以內(nèi)環(huán)故障為主要特征，選取1kHz頻段，采用帶通濾波器、包絡(luò)頻譜等方法對其進行分析，如圖5所示。

圖4 內(nèi)圈故障IMF，分量頻譜

圖5 內(nèi)圈故障帶通濾波信號

從圖6可見，頻譜峰值是260Hz，其內(nèi)部失效特征頻率與258Hz非常接近。本文認(rèn)為，這是內(nèi)環(huán)故障的一個特征性頻率，其主要原因是：在實際分析中，由于滾輪并不是純粹的滾動，而且在安裝過程中存在著一些誤差，使得故障的特征頻率與理論值不能很好地吻合。所以，在尋找頻譜中各特征的頻率時，必須根據(jù)所得的頻率來確定它的近似值。在包絡(luò)譜中，頻率很高（328.3Hm2f,492.4x3 f)，其振幅隨著整數(shù)倍數(shù)的增加而減小。結(jié)果表明，利用自適應(yīng)諧波分析法可以很好地識別出軸承內(nèi)圈的失效。應(yīng)用上述故障診斷技術(shù)，即對外圈故障、滾動體故障和一般故障進行診斷。

圖6 軸承內(nèi)圈故障振動信號包絡(luò)圖

56.2 Hz的頻譜峰值，該數(shù)字與外環(huán)故障特征59.3赫茲的信號稍稍偏離，但其頻率（118Hz～2f）與120.3Hz 3f十分接近。頻譜峰值96Hz對應(yīng)于91Hz的滾動故障特征和其兩倍頻率（182Hz到2f）。軸承故障診斷的典型故障，故障特征頻率和多個諧波頻譜沒有由包絡(luò)信號探測。由上述結(jié)果可知，本文所介紹的共振與解調(diào)技術(shù)均適用于內(nèi)環(huán)。通過對故障、外圈故障、滾動體故障和正常支架故障的分析，發(fā)現(xiàn)故障特征明顯，能夠準(zhǔn)確地判定故障。

3 結(jié)語

然后，通過對各個IMF的各個組成部分進行分析，選擇最小的 IMF分量，得到其頻率和頻率范圍，從而解決了當(dāng)前的共振問題。實驗表明，該方法可以有效地對各種類型的軸承進行精確的檢測，取得了良好的效果。