基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法与流程

本发明属于故障诊断技术领域，涉及一种轴承外圈故障定量诊断方法，特别涉及一种基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法。

背景技术：

轴承是大型机械设备中的重要组成部分，其健康状况直接关系到整个设备的正常运转，对其运行状态进行监测与诊断具有重要意义。而传统的故障监测与诊断方法往往是针对轴承故障的有无进行定性的分析，随着设备逐渐向更加精密化复杂化的方向发展，对轴承故障进行精确的定量分析才能精确的揭示设备的运行状态并预测设备的发展规律和剩余寿命，从而知道设备的检测与维修。

在轴承故障定量分析领域，国内外学者进行了一定量的研究，而学者们的研究主要集中在两个方面。一方面是针对轴承故障的半定量诊断。目前对于故障严重程度的评估主要基于能量和评价指标的角度。学者们用能量和一些评价指标对轴承故障程度进行了一定的分析，但是这些指标智能大体的反映轴承的故障趋势，并不能精确的得出轴承的故障尺寸。第二方面，近年来学者们经过研究发现了轴承故障的双冲击理论，并采用双冲击的方法对轴承故障的大小进行了一定的研究，实现了轴承故障长度的定量分析。

然而，这些方法只能针对轴承故障长度进行分析，无法实现轴承故障深度的精确定量分析。而只是分析故障长度却得不出深度，很难有效的指导工程实际中轴承故障的维修。而且实际工程中的轴承振动数据往往夹杂着大量的噪声，实际工程信号很难进行精确的故障定量分析。

技术实现要素：

为了解决传统的故障诊断方法不能精确的诊断轴承故障尺寸的问题，本发明提供了一种基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法。针对轴承故障的定量分析问题，根据双冲击理论智能对轴承故障的长度进行分析，却不能分析轴承故障的深度，传统的双冲击理论在分析轴承故障深度上存在着不足。而实际采集的实验信号和工程信号由于存在着很强的噪声，因此很难从时域上分析出轴承故障信号的冲击特征从而难以根据冲击理论对轴承进行故障的定量分析。实际中，当轴承故障尺寸较小时，轴承故障响应信号表现为单冲击的响应形式，随着故障尺寸逐渐加大，轴承故障响应逐渐表现为三冲击或者四冲击的响应形式。在三冲击的响应时，第一个冲击响应对应轴承滚动体开始进入故障区域，第二个冲击对应着滚动体和轴承故障的末端进行碰撞，第三个冲击代表着滚动体离开轴承故障区域，此时只能分析故障长度和故障的有效深度。当轴承故障响应表现为四冲击时，第一个响应代表着滚动体进入故障区域，第二个响应对应着滚动体和故障底端进行碰撞的时刻，第三个响应和第四个响应则分别代表着滚动体和轴承故障的末端进行碰撞和离开故障区域的时刻。为了实现轴承故障的定量分析，首先需要推导第一次时间间隔和故障深度的关系，以及滚动体从进入故障到离开故障的时间间隔和轴承故障长度的关系。然后根据各部分的冲击对应的响应形式构造相应的原子，组成复合原子库，采用匹配追踪算法实现轴承故障尺寸的定量诊断。

为了实现上述目的，本发明采用的如下的技术方案：

一种基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法，包括以下步骤：

S1、根据轴承故障机理分别建立轴承外圈故障长度和深度的计算公式；

S2、根据代表着轴承故障长度和深度的响应信号的不同，构造对应不同的原子，然后组合形成多重复合冲击原子库；

S3、利用构造的多重复合冲击原子库，对不同故障尺寸的轴承振动信号进行匹配追踪处理，采用故障长度和深度计算公式计算匹配追踪算法重构之后的信号，从而实现轴承故障尺寸的定量分析。

作为优选，步骤S1具体为：

针对不同长度故障，设滚动体滚过故障所需要的时间为Δt，故障长度为l，

其中，D_p为轴承的节径，D_b为滚动体直径，f_c为保持架转频，

其中，f_r为轴的转频，a为压力角，a取0°，

经过推导得出故障长度为如下的表达式：

对于故障深度，通过滚动体从进入故障前端到滚动体和故障的底端进行碰撞产生的振动响应的时间间隔计算得到，因此由几何关系可以得到故障深度h和冲击间隔时间Δt₁的关系，即

其中，R为滚动体半径，

由于

带入可得故障深度与冲击时间间隔的关系如下：

作为优选，所述S2中构造能够代表滚动体经过故障区域不同时刻所代表的不同位置的响应原子，原子的构造需要遵循故障的响应机理进行构造，从而所构造的原子包含三种原子成分，即对应于滚动体进入故障区域的阶跃成分、滚动体和故障底端进行碰撞的冲击部分和滚动体和故障末端进行碰撞的成分。

阶跃成分按照以下公式构造原子x₁：

其中，a为幅值系数，f_n为系统固有频率，t₀为滚动体进入故障区域的时刻。

和轴承故障末端进行碰撞的原子x₂：

其中，a₂为底端冲击响应幅值系数，b₂为冲击衰减系数，t₂为底端碰撞开始时刻。

冲击部分按照以下公式构造原子x₃：

其中，a₃为末端冲击响应幅值系数，b₃为末端冲击衰减系数，t₃为末端碰撞开始时刻。

将上述三种原子组合成多重复合冲击原子库，可以用于对轴承不同尺寸故障的信号进行重构，重构信号时采用遗传算法可以分别寻找最优的a,a₂,a₃,b₂,b₃,t₀,t₂,t₃的值，从而能够精确的重构轴承故障信号。

作为优选，S3具体为：结合S2中的多重复合冲击原子库，对采集的轴承故障信号进行相应的匹配追踪算法进行信号重构，能够得到重构之后的轴承故障信号；然后采用S1中所得出的计算公式，分别根据计算得到的两段时间间隔Δt和Δt₁能够计算轴承的故障长度和深度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在轴承振动机理的基础上，充分考虑滚动体在进入，触底，和故障末端进行碰撞以及离开故障的整个过程中的响应形式，在此基础上原创性的发现了轴承故障深度的计算方法，同时，在故障长度的计算上也有所完善，原有的方法只能计算小故障，本发明提供的计算方法则是针对相对比较大的轴承故障。此外，在特征提取上，采用基于故障特征的方法构造原子，能够更加有效的匹配出故障特征，在计算上效率更高，计算更加的精确。

附图说明

图1是本发明的基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法流程图；

图2是本发明中不同故障深度和长度的轴承故障的示意图；

图3是轴承故障响应信号的示意图；

图4是采集到的不同故障长度和深度的轴承振动实验信号；

图5是对应于图4中不同故障长度和深度的轴承振动试验信号经过多重复合冲击原子库匹配追踪算法处理之后的重构信号。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明

图1为本发明的基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法的流程图。下面结合流程图对基于复合字典匹配追踪的轴承外圈故障定量诊断方法原理进行详细的说明。

本发明实施例提供一种基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法包括以下步骤：

(1)轴承故障机理，当轴承外圈存在故障时，随着轴承的运转，轴承振动响应表现为指数衰减的脉冲响应形式。当轴承故障较小时，振动响应表现为单冲击的响应形式。随着故障的逐渐增大，故障响应形式表现为三冲击，如果深度参数满足合适的条件，则故障响应表现为四冲击，其中的第二次冲击代表着滚动体和故障区域的底端进行碰撞。

(2)根据故障机理，推导得出故障长度和冲击时间间隔的计算关系为

这里，Δt是第一次冲击和第四次冲击之间的时间间隔。

故障深度和冲击时间间隔之间的关系为

其中，Δt₁为第一次冲击和第二次冲击之间的时间间隔，R为滚动体的半径，

(3)多重复合冲击原子库按照如下的方式建立

原子的构造需要遵循故障的响应机理进行构造，从而所构造的原子包含三种原子成分，即对应于滚动体进入故障区域的阶跃成分，滚动体和故障底端进行碰撞的冲击部分和滚动体和故障末端进行碰撞的成分。

阶跃成分按照以下公式构造原子x₁

其中，a为幅值系数，f_n为系统固有频率，t₀为滚动体进入故障区域的时刻。

和轴承故障底端进行碰撞的原子x₂

其中，a₂为底端冲击响应幅值系数，b₂为冲击衰减系数，t₂为碰撞开始时刻。

当滚动体离开轴承故障时，发生另外的碰撞，但是点对与和底端进行碰撞，这里的响应产生的频率更高，相当于轴承固有频率，因此，在此时冲击原子x₃为如下形式

其中，a₃为末端碰撞冲击响应幅值系数，b₃为末端冲击衰减系数，t₃为末端碰撞开始时刻。

将上述三种原子组合成复合原子库，可以用于对轴承不同尺寸故障的信号进行重构。重构信号时采用遗传算法可以分别寻找最优的a,a₂,a₃,b₂,b₃,t₀,t₂,t₃的值，从而能够精确的重构轴承故障信号，进而提取轴承故障尺寸。

(4)将构造的轴承故障多重复合冲击原子库作为匹配追踪算法的原子，对采集的轴承故障信号进行相应的匹配追踪算法进行信号重构，从而能够得到重构之后的轴承故障信号。

(5)根据重构之后的信号的冲击的时刻计算相应的冲击时间间隔，然后将冲击时间间隔带入轴承故障长度和深度计算公式，从而能够得到轴承故障的长度和深度。

图2为本发明中采用的不同故障尺寸的轴承故障的示意图。

图3为本发明中轴承振动响应信号，其中四个冲击响应分别代表着滚动体进入故障区域，滚动体和故障底端进行碰撞，滚动体和轴承故障末端进行碰撞，滚动体离开故障。

图4位本发明中采集到的不同故障长度和不同故障深度的轴承振动信号。

图5是对应图4中的采集到的四种不同故障尺寸的振动信号经过采用复合原子库匹配追踪算法处理后的重构信号。

本发明一种基于多重复合冲击字典匹配追踪的轴承故障定量诊断方法，依据轴承故障机理将滚动体经过轴承外圈故障的过程表达为滚动体进入故障前端，滚动体和故障底端进行碰撞以及滚动体离开轴承故障的过程，而对应的故障响应信号分别对应的表现为阶跃，冲击，指数衰减函数的形式，依据此三个响应发生的时刻可以分别对轴承的故障长度和深度进行定量分析；依据不同的响应形式分别构造不同形式的冲击原子，将不同的原子组成相应的多重复合冲击故障原子库，采用匹配追踪的方法对轴承不同故障尺寸的轴承振动信号分别进行信号重构，依据重构信号中不同响应形式的信号对应的时间间隔能够实现轴承故障的尺寸的提取。采用本发明的技术方案，解决传统的故障诊断方法不能精确的诊断轴承故障尺寸的问题。