一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法

1.本发明涉及摩擦学技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法。


背景技术：

2.滑动轴承因其承载能力强、运行平稳、噪声小等优点，广泛应用于旋转机械中。由于复杂的工况、环境等因素影响，滑动轴承工作状态会由液体摩擦状态，转变为混合摩擦状态甚至边界摩擦状态，造成磨损加剧，甚至引发恶性事故。因此，监测滑动轴承的摩擦状态，对于保证滑动轴承的安全运行具有重要意义。
3.目前，常用的滑动轴承摩擦状态监测方法有：油膜厚度、摩擦力矩、摩擦系数等。尽管这些参数是识别摩擦状态的有效手段，但实际使用中，因为测量方法的限制，设备昂贵等原因，很难在现场获得这些参数。因此，需要一种新的方法识别滑动轴承的摩擦状态。滑动轴承的摩擦振动是由主轴与轴瓦间的摩擦接触引起的自然现象，包含反映滑动轴承的摩擦状态信息，易于实时获取，且不影响滑动轴承的运行，适合在实际生产中用于监测、识别滑动轴承的摩擦状态。目前，在国内外的研究中很少涉及应用摩擦振动信号识别滑动轴承的摩擦状态。同时，由于摩擦振动信号的非线性和非平稳性，基于线性特征的分析方法难以充分地建立摩擦振动与摩擦状态之间的关系。递归分析方法摆脱了数据统计分布假设的限制，完全由信号驱动，是一种非线性分析方法，且具有广泛的适用性，对于非线性、非平稳信号尤为有效。
4.因此需要提出一种基于摩擦振动递归特征识别滑动轴承摩擦状态的方法。


技术实现要素：

5.根据上述提出现有的监测方法存在设备昂贵和很难现场获得参数的技术问题，而提供一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法。本发明主要利用递归分析理论揭示摩擦振动递归特征的演化规律，建立摩擦振动递归特征与滑动轴承摩擦状态之间的关系，实现滑动轴承摩擦状态的检测与识别。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法，其特征在于，所述方法包以下步骤括：
8.步骤s1：加速度传感器安装于滑动轴承轴瓦正上方，采集多组不同转速工况下加速度信号，测量主轴与轴瓦间的摩擦系数，整理为多组振动信号；
9.步骤s2：对采集的多组振动信号进行傅里叶变换，利用谐波小波包提取振动信号中的周期成分与非周期成分，通过线性相加方法，将周期成分与非周期成分重构为多组摩擦振动信号；
10.步骤s3：计算不同转速下，所述多组摩擦振动信号的嵌入维数、时间延迟，构建摩擦振动信号的递归图；
11.步骤s4：计算每组摩擦振动递归图的确定度及聚类系数；
12.步骤s5：建立以确定度、聚类系数为横纵坐标的平面直角坐标系，绘制不同转速下每组摩擦振动递归图确定度和聚类系数的交点区域；
13.步骤s6：根据摩擦振动递归图的宏观模式，及平面直角坐标系中确定度、聚类系数的交点分布区域识别滑动轴承的摩擦状态。
14.进一步地，所述步骤s3中，每个转速工况下，计算30
‑
50组嵌入维数和时间延迟的平均值，若平均值为非整数，则向上取整，作为该转速下构建摩擦振动信号递归图的嵌入维数和时间延迟。
15.进一步地，所述步骤s4中，构建的30
‑
50组递归图均应保证其递归度为0.25
‑
0.35；计算递归度为0.25
‑
0.3时，30
‑
50组递归图的确定度及聚类系数。
16.进一步地，所述步骤s5中，平面直角坐标系是指以确定度为横轴(x轴)，以聚类系数为纵轴(y轴)的平面直角坐标系；或指以确定度为纵轴(y轴)，以聚类系数为横轴(x轴)的平面直角坐标系。交点区域是指以[确定度，聚类系数]或[聚类系数，确定度]所代表的的状态点在上述直角坐标系中绘制的分布。
[0017]
进一步地，所述步骤s6中，根据平面直角坐标系中确定度、聚类系数的交点分布区域判断滑动轴承的摩擦状态：交点分布于右上区域，滑动轴承处于边界摩擦状态；交点分布于中间区域，滑动轴承处于混合摩擦状态；交点分布于左下区域，滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0018]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0019]
1、本发明提供的一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法，利用递归分析理论揭示摩擦振动递归特征的演化规律，建立摩擦振动递归特征与滑动轴承摩擦状态之间的关系，实现滑动轴承摩擦状态的检测与识别。
[0020]
2、本发明提供的一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法，利用谐波小波包变换进行高效降噪，准确提取并重构摩擦振动信号；根据递归分析方法对非线性、非平稳信号尤为有效的特性，利用递归图及递归量化分析方法研究摩擦振动信号的递归特性；根据摩擦振动递归图宏观模式演变规律及递归量化分析参数的演变特性，识别滑动轴承的摩擦状态。
[0021]
基于上述理由本发明可在摩擦学技术等领域广泛推广。
附图说明
[0022]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]
图1为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的流程示意图。
[0024]
图2为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的实验装置示意图ⅰ。
[0025]
图3为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的图2中
a
‑
a示意图。
[0026]
图4为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的实验装置示意图ⅱ。
[0027]
图5为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的滑动轴承在边界摩擦状态下(转速45rpm)的时域图和频谱图。
[0028]
图6为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的不同转速下提取的周期成分及其幅值。
[0029]
图7为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的不同转速下提取的非周期成分均方根值变化趋势及主轴与轴瓦间摩擦系数变化趋势。
[0030]
图8为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的滑动轴承在边界摩擦状态下(转速为45rpm)的时域波形：(a)重构的周期信号(b)重构的非周期信号(c)摩擦振动信号。
[0031]
图9为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的滑动轴承在边界摩擦状态下(转速为60rpm)的周期模式递归图。
[0032]
图10为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的滑动轴承在混合摩擦状态下(转速为120rpm)的混叠模式递归图。
[0033]
图11为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的动轴承在液体摩擦状态下(转速为240rpm)的稳态模式递归图。
[0034]
图12为本发明一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的轴系在四种校中状态下(转速90r/min)，利用本发明方法识别出的轴系前五阶动态固有频率变化趋势图。
[0035]
图中：1、直流电机；2、传动皮带；3、主轴；4、箱体；5、润滑油；6、滚动轴承；7、轴瓦；8、千分表ⅰ；9、千分表ⅱ；10摩擦力传感器；11、压力传感器；12、加载手柄；13、三轴加速度传感器；14、皮带驱动轮；15、内置电源；16、油膜指示灯。
具体实施方式
[0036]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0039]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表
达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0040]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0041]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0042]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0043]
如图1
‑
12所示，本发明提供了一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法，其特征在于，所述方法包以下步骤括：
[0044]
步骤s1：加速度传感器安装于滑动轴承轴瓦正上方，采集多组不同转速工况下加速度信号，测量主轴与轴瓦间的摩擦系数，整理为多组振动信号；
[0045]
步骤s2：对采集的多组振动信号进行傅里叶变换，利用谐波小波包提取振动信号中的周期成分与非周期成分，通过线性相加方法，将周期成分与非周期成分重构为多组摩擦振动信号；
[0046]
步骤s3：计算不同转速下，所述多组摩擦振动信号的嵌入维数、时间延迟，构建摩擦振动信号的递归图；
[0047]
步骤s4：计算每组摩擦振动递归图的确定度及聚类系数；
[0048]
步骤s5：建立以确定度、聚类系数为横纵坐标的平面直角坐标系，绘制不同转速下每组摩擦振动递归图确定度和聚类系数的交点区域；
[0049]
步骤s6：根据摩擦振动递归图的宏观模式，及平面直角坐标系中确定度、聚类系数的交点分布区域识别滑动轴承的摩擦状态。
[0050]
所述步骤s3中，每个转速工况下，计算30
‑
50组嵌入维数和时间延迟的平均值，若平均值为非整数，则向上取整，作为该转速下构建摩擦振动信号递归图的嵌入维数和时间
延迟；所述步骤s4中，构建的30
‑
50组递归图均应保证其递归度为0.25
‑
0.35；计算递归度为0.25
‑
0.3时，30
‑
50组递归图的确定度及聚类系数；所述步骤s5中，平面直角坐标系是指以确定度为横轴(x轴)，以聚类系数为纵轴(y轴)的平面直角坐标系；或指以确定度为纵轴(y轴)，以聚类系数为横轴(x轴)的平面直角坐标系。交点区域是指以[确定度，聚类系数]或[聚类系数，确定度]所代表的的状态点在上述直角坐标系中绘制的分布；所述步骤s6中，根据平面直角坐标系中确定度、聚类系数的交点分布区域判断滑动轴承的摩擦状态：交点分布于右上区域，滑动轴承处于边界摩擦状态；交点分布于中间区域，滑动轴承处于混合摩擦状态；交点分布于左下区域，滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0051]
实施例1
[0052]
本发明提供了一种用于一种基于摩擦振动递归特征的滑动轴承摩擦状态识别方法的实验台，所述实验台的结构如图2
‑
4所示：直流电机1通过皮带2驱动主轴3沿顺时针方向转动。采用无极调速器对直流电机进行调速，使主轴的转速范围在0～350rpm，主轴3安装于箱体4上，两端由滚动轴承6支撑，并部分进入润滑油5中。轴瓦7位于主轴3正上方，其上安装有两个互成90
°
的千分表ⅰ8和千分表ⅱ9，用于测量轴瓦在左、右45
°
方向上的偏移量。摩擦力由摩擦力传感器10测量，加载手柄12用于向轴瓦施加载荷，并由压力传感器11测量，三轴加速度传感器13固定在轴瓦上用于采集垂直方向的加速度信号。
[0053]
试验主轴采用硬度为hrc49的40cr淬火钢制成，直径为65mm，表面粗糙度为ra＝0.8μm，轴瓦采用铸铜合金制成，内径为65mm，有效宽度为167mm，表面粗糙度sa＝1.6μm，实验选用密度为0.8957g/cm3、粘度为139.6cs(40℃)和12.5cs(100℃)的cd40型润滑油。
[0054]
在实验过程中，加速度传感器为356a16型icp传感器(pcb piezotronics company)，采用inv3062t2型信号采集仪采集振动信号，每隔20s采集一组振动信号，采样点为10240个，采样间隔为0.195ms，在每个转速下，采集30组振动信号。
[0055]
实施例2
[0056]
滑动轴承摩擦状态的改变可以通过在恒定载荷下调整主轴的旋转速度实现，根据滑动轴承油膜形成的原理以及油膜指示灯的工作情况确定滑动轴承的摩擦状态，本实施例设定滑动轴承恒定载荷700n，通过调整主轴的旋转速度15
‑
240rpm，从而实现不同摩擦状态下振动信号的采集，进而展示利用本发明方法基于摩擦振动递归特征识别滑动轴承的摩擦状态，在具体实施中，详细步骤如下：
[0057]
如图1所示，一种基于摩擦振动递归特征识别滑动轴承摩擦状态的方法的流程图，
[0058]
步骤1、将三轴加速度传感器13安装在轴瓦7上，如图3所示；
[0059]
步骤2、调整直流电机1的转速，使主轴3转速从15rpm，以15rpm为步长，提高到240rpm，获得边界摩擦、混合摩擦、液体摩擦，共计三种摩擦状态，并记录每个转速下的摩擦系数；
[0060]
步骤3、在实验过程中，采用inv3062t2型信号采集仪采集振动信号，每隔20s采集一组振动信号，采样点为10240个，采样间隔为0.5hz。在每个转速下，采集30组振动信号，并将采集的振动信号输入计算机储存；
[0061]
步骤4、本实施例以一组边界摩擦状态下(转速60rpm)的振动信号为例，进行快速傅里叶变换，进行频谱分析，确定周期成分及非周期成分的分布特点，如图5所示；
[0062]
步骤5、重复步骤4，对每组振动信号进行频谱分析，确定与转速呈正比例线性关系
的周期成分，为能反映摩擦状态的周期成分；
[0063]
步骤6、利用谐波小波包变换对采集的振动信号进行10层分解，分解至1024个频段，每个频段带宽为0.5hz，提取步骤5中的周期成分，如图6所示；
[0064]
步骤7、重复步骤4，对每组振动信号进行频谱分析，以100hz频段为区间，计算每段非周期成分的均方根值，获得不同频段非周期成分均方根值随转速的变化曲线，与摩擦系数随转速的变化曲线进行对比，若曲线变化趋势，则提取为非周期成分；
[0065]
步骤8、利用谐波小波包变换对采集的振动信号进行10层分解，分解至1024个频段，每个频段带宽为0.5hz，提取步骤7中的非周期成分，本实例中提取0
‑
100hz的非周期成分，如图7所示；
[0066]
步骤9、对提取的周期成分及非周期成分进行线性相加，构建摩擦振动信号，本实施例以一组边界摩擦状态下(转速60rpm)提取的周期信号、非周期信号及摩擦振动信号为例，其时域波形如图8所示；
[0067]
步骤10、构建摩擦振动信号的递归图，如图9
‑
11所示，建立摩擦振动递归图宏观模式与滑动轴承摩擦状态之间的关系。
[0068]
步骤11、计算不同摩擦振动递归图的确定度及聚集系数，建立以确定度为横轴(x轴)，以聚类系数为纵轴(y轴)的平面直角坐标系，绘制不同转速下每组摩擦振动递归图确定度和聚类系数的交点区域，如图12所示；
[0069]
根据摩擦振动递归图的宏观结构特征和状态点分布可以准确地识别滑动轴承的摩擦状态：摩擦振动递归图为周期模式时，交点分布于右上区域，滑动轴承处于边界摩擦状态；摩擦振动递归图为周期模式与稳态模式的混叠模式时，交点分布于中间区域，滑动轴承处于混合摩擦状态；摩擦振动递归图为稳态模式时，交点分布于左下区域，滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0070]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。