一种基于接触角变化量的滚动轴承故障安全识别方法

一种基于接触角变化量的滚动轴承故障安全识别方法属于轴承安全运行技术领域，尤其涉及通过滚动轴承故障样本集预测滚动轴承故障类别后再优先止损的技术。

背景技术：

当前，在轴承安全运行领域，着重于轴承故障识别的研究。尤其是在出现高频噪声振动信号的轴承故障阶段，往往采用通过确认轴承故障特征频率来研究识别轴承故障类别的方法，然后再与理论值比较，以最终确定故障的类别。这种方法的缺点是不能制止轴承的损坏，即不能前期止损。本发明提供的方法既避免了新生产的或新购入的轴承产品带故障上岗，也防止正在生产线上正常运行的轴承可能带来的故障隐患，以实现防患于未然的目的，保证了轴承的安全运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于滚动轴承接触角动态变化进程的，能在识别轴承故障的同时又能在轴承故障阶段前期止损的轴承故障识别及止损的方法。

本发明的特征在于：这是一种在内圈转动、外圈固定的运行状态下，企业由于产品类型不同、自动生产线上机床作业的类别差异导致的轴承承载力的大小、方向也各不相同而提出的一种通过判断接触角变化量的变化来识别轴承故障并提前止损的样本式故障判别方法，是在一种轴承故障分类识别控制系统，以下简称系统中分步骤实现的：

步骤(1)系统构建：

所述系统包括：与待测轴承同轴连接的轴承座，微控制器mcu，受控于所述mcu的加速度传感器，以及轴承转数动态测量仪，其中加速度传感器安装在通过所述轴承座上表面几何中心位置的轴向中心线上，实时且主动地向所述微处理器mcu按变采样周期的序号及轴承座上表面上与加速度传感器位置对应的各坐标点提供轴承振幅值，以及轴承振动次数；

轴承转数动态测量仪，向所述mcu输出以分钟计时的变周期个数即轴承转速；

所述mcu，根据与轴承转数动态测量仪、加速度传感器共同的系统计时起点及设定的以轴承座上表面的几何中心为基准的位置起点，在轴承故障阶段，所述mcu接受轴承第一分钟内的旋转圈数及由加速度传感器提供的各对应变周期序号的轴承振动次数，经累加后得出以分钟为单位的轴承故障频率，以及出现最大振幅值时的轴承故障特征频率；

所述mcu存储有：

滚动轴承的故障类别及对应的接触角训练样本集及其样本参数；

步骤(2)在所述mcu控制下，依次按以下步骤实现基于滚动轴承接触角变化量的轴承故障识别止损的方法：

步骤(2.1)准备样本：

把同一批次的轴承对半分割为训练用轴承和测试用轴承，再把每类轴承按产品出厂时的初始接触角α0分为15°，30°和40°三个小类；

步骤(2.2)按内圈故障a1，滚动体故障a2和外圈故障a3分为三类故障，用大写字母a表示，a＝{a1,a2,a3}，按以下步骤依次对每个训练用轴承按接触角和故障的类别做破坏性实验，以获取训练样本的参数；

步骤(2.2.1)系统定义：

t0为所述mcu测到高频噪声振动的时刻，称为故障阶段初始时刻，作为所述系统内统一的时间计量时刻t0＝0，在采样间距等于1分钟的条件下，令t0的接触角t1为第一个采样点，t1＝t0+60s，s代表秒，t2为第二个采样点，t2＝t1+60s，将第二个采样间距末端和第一个采样间距末端接触角之差作为接触角变化量以此作为训练轴承样本的首要参数；

th为所述mcu在轴承停转时，所对应的最后一个采样间距中，最后一个变周期内，测到的轴承最大振幅值所对应的时刻；

故障频率，指所述mcu间隔1分钟，依次从加速度传感器收到的轴承振动次数，为变量；

步骤(2.2.2)系统在所述mcu控制下作破坏性试验，目测到轴承故障类别组成故障类别识别矩阵和止损时限控制矩阵，以此作为对测试轴承做实验时用的样本；

步骤(2.2.2.1)所述mcu检测被测试轴承在采样时刻t1、t2时的转速和故障频率所述故障频率等于由所述mcu在采样间距t0到t1、t1到t2内分别收集到的加速度传感器发来的轴承振动次数，轴承转速是由轴承转速动态测量仪在采样时刻t1、t2分别内测定到的；

步骤(2.2.2.2)，根据步骤(2.2.2.1)的结果，所述mcu用公知的计算故障频率的公式算出对应的和

步骤(2.2.2.3)，所述mcu根据步骤(2.2.2.2)的结果计算出训练样本集中各轴承的所述接触角变化量δα，组成故障类别识别矩阵，列元素为训练样本集中各轴承的接触角变化量δα，行元素为被破坏轴承解体后目测到的故障类别，用大写字母a表示，a＝{a1，a2，a3}，a1为内圈故障，a2为滚动体故障，a3为外圈故障，由此直接确立了训练轴承的故障类别与所述接触角变化量δα的一一对应关系；

步骤(2.2.2.4)，所述mcu根据步骤(2.2.2)的结果，得到与训练样本集中各轴承的接触角变化量相对应的止损时限th-t2，组成止损时限控制矩阵，列元素为与训练样本集中各轴承的接触角变化量相对应的止损时限th-t2，行元素为被破坏轴承解体后目测到的故障类别，为了避免测试轴承受损，所述mcu必须在故障阶段的止损时限th-t2的时限内，最佳选择是在计算出接触角后，向主机控制器发出令主机停止转动的信号，最晚不能超过时刻th，以便为被测试的轴承提供一个可供参考的控制时限；

步骤(2.2.2.5)，在制作训练样本时，为每一个训练轴承在上岗时，提供一对以所述故障类别识别矩阵和止损时限控制矩阵作为样本参数；

步骤(2.3)，依次按以下步骤对测试用轴承进行试验：

步骤(2.3.1)，按步骤(2.2)中所述的方法在t0到t1及t1到t2时段内，计算出被测试轴承的所述接触角变化量其中，上标“'”表示被测试轴承；

步骤(2.3.2)按步骤(2.3.1)中被测试的接触角变化量δα'，在步骤(2.2.2.5)中得到的所有训练轴承样本中找到一个接触角变化量最接近的训练轴承，δα'≈δα，对应地得到被测试轴承的故障类别；

步骤(2.3.3)确定止损期限th-t2，其中，th为其接触角变化量最接近的训练轴承的th值；

步骤(2.3.4)在计算出t2时刻的接触角后，所述mcu立刻向主机控制器发出使主机在th-t2时限内令主机停机的命令，以防止被测试轴承受损；

步骤(2.4)把被测试轴承的接触角变化量及止损时限的值插入到对应训练轴承的故障类别识别矩阵的止损时限控制矩阵内，靠近其最接近的训练轴承样本集的适当位置中；

步骤(2.5)对本批次所有测试轴承执行步骤(2.4)后，排成一个新的轴承的训练样本集，将某个被测试的轴承破坏后，用实际的th'代替原来的th，形成一个样本修正本；

步骤(2.6)程序结束。

2、一种基于接触角变化量的滚动轴承故障安全识别方法，其特征在于：接触角变化量也可用第二采样间隔的接触角变化量与第一采样间隔的接触角变化量之差来代替。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

1、本发明使用接触角变化量的概念，把训练轴承通过破坏性试验得到的故障类别直接地联系起来，解决了轴承故障的类别识别问题，同时又提出了止损时限的概念。实现了在故障识别过程中保证轴承安全的问题，从而解决了故障识别与轴承安全之间的矛盾，实现了故障识别时轴承的安全性。

2、本发明既用于新轴承的上岗前的安全性检测，也适用于对在用轴承的实时“体检”。

3、本发明简单易行，便于推广。

4、本发明为企业提供了一个轴承科学的档案化的管理方法

附图说明：

图1.本发明的主要流程图；

图2.系统结构图；

图3.故障类别识别矩阵图；

图4.止损时限控制矩阵图。

具体实施方式

三类轴承故障频率计算式表示如下：

zfi为内圈故障频率

zfc为外圈故障频率

fb为滚动体故障

fi是一个滚动体或保持架通过内圈上一点的通过频率，在宽带高频噪声即故障缺陷发展到出现宽带高频噪声振动信号时，最初呈现出来的最低的故障缺陷频率，i为滚动体或保持架的序号i＝i1,i2,...,i，i为滚动体或保持架总数，令i＝z，fc同理。

fb是指滚动体上一点通过内圈或外圈上一点的通过频率，也是通过外圈或内圈的最低故障缺陷频率。所述故障缺陷频率也称故障频率。

fr为内圈的转动频率，即以分计的转动圈数，fr＝n/60，n为轴的转动速度，单位为转动圈数/分。

d为滚动体直径，d为滚动轴承节圆直径，α为径向接触角，简称接触角，是指滚动体与滚道接触区中点处滚动体载荷向量与轴承径向平面的夹角。α分为三类：15°、30°及40°，表示除了承受径向载荷外随着α的增大，其轴向载荷的承载能力也逐渐增大。

本发明的思路是：轴承在额定负载下作匀速运动无论是出现非等间距的或周期性的负载突变或者是滚动体在内周或者外周的滚道上通过各式各样的表面故障激发时，或者上述两种情形同时出现时，接触角会发生各种形式的突变。继之出现轴承的非周期性变速运动，随之发生以故障频率为标志的轴承振动，当轴承的故障频率达到并超过其谐波频率时，轴承振动的振幅值达到最大。此时便由轴承故障频率发展到以故障特征频率为标志的由最大振幅值引领的高频噪声振动，从而使轴承损坏和传动机构解体。接触角的变化不仅伴随故障发展过程而且引领故障阶梯式发展壮大，时刻th后轴承转动速度降至零为止，如果在样本比较法中对训练样本进行破坏性实验，便可把目测到的故障类别与所述接触角变化量δα直接联系起来，直接得到接触角变化与故障类别之间的关系，去解决故障类别识别问题，同时引入了轴承自损时限的概念，从而避免了现有技术中，从故障特征频率着手时所带来的识别与破坏同存的问题。

从接触角着手时本发明采取了以下措施：

1、以相邻两个采样间距间接触角的变化量δα作为训练样本的主要参数。目的在于以动态发展趋势的角度来更好地反映各种故障缺陷的动态特性，以此更好地反映不同性质的故障类别。

2、在t0时刻以后第一个采样间距末的数据与第二个采样间距末的数据来计算接触角变化量，是因为接触角由基本稳定的α0转为动态变化的接触角时的状态变化的初始阶段，进行测试能更好地反映接触角的变化趋势。如经过表面缺陷和磨损时会使接触角的变化有较大的不同。

3、在采样数据时本发明不仅可以由所述mcu按采样间距主动采样，也可由加速度传感器适时提供。这样便可把采样点无限地增加，这时因为有时数据采集点不在设定的采样点上，如发生轴承振幅最大值时的时刻th就不一定在按采样间距设定的采样点上，只能由所述mcu按照系统在初始时统一设定的计时起点t0。