一种基于声发射信号Lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法

本发明涉及一种基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，是一种通过匹配传播模式来确认信号传播模式及传播速度的单传感器轴承损伤定位方法。

背景技术：

1、主流的轴承故障诊断方法是基于包络分析提取轴承通过频率来识别故障类型。该方法需要明确的转速信息。对轴承损伤位置直接进行定位，能够不依赖轴承转速实现轴承的故障诊断，且有助于故障确认和修复。

2、研究表明，声发射信号的波形对于声发射源和传感器之间的传播路径是固定的。且相对于传播的弹性应力波，低转速的轴承可以被认为是近乎静态的，那么通过适当的硬件和传感器布局可对声发射信号的传播进行计算。声发射信号在类薄板结构的介质中主要以lamb波的形式传播，lamb波具有频散特性，将其与声发射信号结合的方法可以提高定位精度、提升诊断效率。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，用于解决使用声发射信号对大型轴承故障位置进行定位时信号传播模式难以确定的问题。

2、本发明所采用的技术方案如下：一种基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，所述方法包括如下步骤：

3、s1：在低速轴承故障模拟实验台上对轴承外圈进行断铅实验，模拟轴承外圈损伤声发射信号；

4、s2：通过连续小波变换(cwt)获得原始声发射信号相同频率间隔的不同频段分量；

5、s3：使用akaike信息准则(aic)计算每一个频段信号的实际到达时间，获得到达时间曲线；

6、s4：将轴承结构参数代入rayleigh-lamb方程，解出lamb波在轴承中传播的理论频散曲线，然后将坐标系与信号到达时间曲线进行统一；

7、s5：通过pearson相关系数指标将频散曲线和时间曲线两者进行匹配，确定声发射lamb波传播模式及传播速度；

8、s6：根据速度差和时间差建立公式，计算轴承损伤位置。

9、s7：移动传感器一定距离再次测量，通过两次结果确定损伤位置。

10、作为本发明的进一步方案，所述s1中，在低速轴承故障模拟实验台上对轴承外圈进行断铅实验，模拟轴承外圈损伤声发射信号，采样单位为v，采样率为2mhz，断铅时铅笔芯为hb铅笔，笔尖伸出长度为3-5mm。

11、作为本发明的进一步方案，所述s2中，通过连续小波变换(cwt)获得原始声发射信号相同频率间隔的不同频段分量，处理过程为：

12、对采集到的声发射信号s(t)进行连续小波变换，以此获得频率间隔相等的各频段信号，公式为：其中a是无量纲尺度参数，b是平移参数，ψ*(t)是母小波ψ(t)的复共轭，此处采用复morlet母小波，其定义为：fb和fc分别是带宽参数和中心频率。尺度参数其中fs是s(t)的采样频率，f为实际对应的频率。cwt的实部可以看作中心频率和标准偏差分别等于f和的高斯带通滤波器。选定合适的带宽参数和中心频率再通过设定实际频率序列就能通过cwt获得声发射信号不同频段的分量。

13、作为本发明的进一步方案，所述s3中，使用akaike信息准则(aic)计算每一个频段信号的实际到达时间，获得到达时间曲线，计算过程为：

14、对于长度为t的时间序列x，aic可以定义为：

15、aic(t)＝tlog10(var{x(1：t)})+(t-t-1)log10(varr{(x(t：t))})，其中var表示时间序列x的方差，长度t从信号开始到最大峰值处结束。aic函数将信号分为两个矢量{x(1：t)}和{x(t：t)}。t之前的矢量为高熵不相关的噪声，t之后的矢量是具有显著相关性的低熵信号，当aic函数到达最小值时，最小值点t即为信号到达时间。将计算出的到达时间绘入时间-频率坐标系中。

16、作为本发明的进一步方案，所述s4中，将轴承结构参数代入rayleigh-lamb方程，解出lamb波在轴承中传播的理论频散曲线，计算过程为：

17、lamb波在固体材料中的传播有对称模式和反对称模式，可由rayleigh-lamb方程描述：

18、对称模式为：反对称模式为：

19、式中：其中k为lamb波沿板水平方向的波数，h为板厚，ω为角频率，ω＝2πf，cl为纵波速度，cs为横波速度。将材料结构参数代入rayleigh-lamb方程可计算出频散曲线。

20、作为本发明的进一步方案，所述s4中，将坐标系与信号到达时间曲线进行统一，具体过程为：实际信号采集和计算中存在固有误差，再进行计算可能会放大误差，故将理论频散曲线坐标系转换至到达时间曲线坐标系中。

21、作为本发明的进一步方案，所述s5中，通过pearson相关系数指标将频散曲线和时间曲线两者进行匹配，确定声发射lamb波传播模式及传播速度具体，公式为：

22、样本的pearson相关系数r(x，y)定义为：

23、

24、其中，cov(x，y)为频散曲线x与时间曲线y的协方差，var[x]为曲线x的方差，var[y]为曲线y的方差。若r＝0，则两条曲线x，y之间无线性相关关系。相关系数的绝对值越大，相关性越强。筛选出合适的区间后可通过斜率验证其正确度。

25、作为本发明的进一步方案，所述s6中，根据速度差和时间差建立公式，计算轴承损伤位置，定位公式为：

26、设声发射信号传递距离为d，对于同一声发射信号的任意频段，距离d都不变，故传递时间都与传递速度成反比。损伤源到传感器的距离可表示为：

27、其中v1、v2为不同频段信号的传播速度，t1、t2为采集信号的传播时间(以下简称为采集时间)，由于采集系统提前拾取的特性，采集时间不是声发射信号实际的传播时间，设tae为声发射信号实际传播时间与采集时间的差值，采集时间与tae相减即为信号的传播时间。

28、作为本发明的进一步方案，所述s7中，移动传感器一定距离再次测量，通过两次结果确定损伤位置，其意义为：轴承环状结构为对称结构，单次计算出损伤距离仅能确定两个对称的损伤位置，将传感器移动后再次计算距离可确定出唯一的结果。

29、本发明的有益效果是：

30、1、本发明采用单一传感器对轴承损伤位置直接进行定位的方法，能够不依赖轴承转速实现轴承的故障诊断，明确的故障位置信息有助于开展轴承的剩余寿命预测。且使用单一传感器能减少实际工况中安装难的问题，有效减少采集成本；

31、2、本发明针对使用声发射信号对大型轴承故障位置进行定位时信号传播模式难以确定的问题，对信号做连续小波变换及aic准则得到信号的到达时间曲线，再使用pearson相关系数指标将其与理论频散曲线进行匹配，提供了一种可以确定lamb波传播模式及传播速度的方法。

技术特征：

1.一种基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s1中，在低速轴承故障模拟实验台上对轴承外圈进行断铅实验，模拟轴承外圈损伤声发射信号，采样单位为v，采样率为2mhz，断铅时铅笔芯为hb铅笔，笔尖伸出长度为3-5mm。

3.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s2中，通过连续小波变换cwt获得原始声发射信号相同频率间隔的不同频段分量，处理过程为：

4.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s3中，使用akaike信息准则aic计算每一个频段信号的实际到达时间，获得到达时间曲线，计算过程为：

5.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s4中，将轴承结构参数代入rayleigh-lamb方程，解出lamb波在轴承中传播的理论频散曲线，计算过程为：

6.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s4中，将坐标系与信号到达时间曲线进行统一，具体过程为：实际信号采集和计算中存在固有误差，再进行计算可能会放大误差，故将理论频散曲线坐标系转换至到达时间曲线坐标系中。

7.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s5中，通过pearson相关系数指标将频散曲线和时间曲线两者进行匹配，确定声发射lamb波传播模式及传播速度具体，公式为：

8.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s6中，根据速度差和时间差建立公式，计算轴承损伤位置，定位公式为：

9.根据权利要求1所述的基于声发射信号lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，其特征在于：所述s7中，移动传感器一定距离再次测量，通过两次结果确定损伤位置，其意义为：轴承环状结构为对称结构，单次计算出损伤距离仅能确定两个对称的损伤位置，将传感器移动后再次计算距离可确定出唯一的结果。

技术总结
本发明涉及基于声发射信号Lamb波频散模式匹配的轴承损伤定位方法，先获得原始声发射信号相同频率间隔的不同频段分量；获得到达时间曲线；解出Lamb波在轴承中传播的理论频散曲线，然后将坐标系与信号到达时间曲线进行统一；通过Pearson相关系数指标将频散曲线和时间曲线两者进行匹配；根据速度差和时间差建立公式，计算轴承损伤距离；移动传感器一定距离再次测量，通过两次结果确定损伤位置。通过匹配Lamb波传播模式的方法能确定声发射信号不同频率的传播速度，对时间差定位方法精度有极大的提升，且通过单一传感器直接找到轴承的损伤位置能不依赖轴承转速实现轴承的故障诊断，还能有效减少安装难度，降低检测成本。

技术研发人员：柳小勤,王川,伍星,刘韬,刘畅
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15