一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法_马增强.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金重大项目国家自然科学基金 面上 项 目 河 北 省 三 三 三 人 才 工 程 培 养 经 费 年度省部共建交通工程结构力学行为与系统安 全国家重点实验室自主课题 年研究生创新资助 计划 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 马增强 男博士教授 年生 通信作者 刘素艳 女博士讲师 年生 一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法 马增强 路飞宇 刘素艳 李欣 胡鑫磊 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄 石家庄铁道大学电气与电子工程学院石家庄 摘要变转速滚动轴承故障诊断中为了解决迭代广义解调频谱混叠现象导致提取滚动轴承故障特征误差大的 问题提出一种变分非线性 模式分解和广义解调结合的滚动轴承故障特征提取方法首先用快速谱峭度算法确定 故障信号共振带通过带通滤波器截取信号的共振带然后求解信号的包络用变分非线性 模式分解提取包络信号 成分估计信号的瞬时频率将瞬时频率作为相位函数对信号做广义解调直至信号完全分解最后将所有解调后的信号 累加对累加结果做快速傅里叶变换 从中提取故障特征频率用仿真信号和实测信号对所 提方法和迭代广义解调做对比实验结果表明该方法比迭代广义解调具有更好的抗噪性提取特征最大误差分别降低了 和 关键词滚动轴承变转速广义解调故障特征提取 中图分类号 文献标志码 在机械交通航天电力等行业中滚动轴承大多 数情况在变转速工况下运行一旦发生故障造成的损 失是巨大的因此变转速下滚动轴承故障诊断对工程 应用显得格外重要其中故障特征的准确提取是实现 高精度故障诊断的重要前提 变转速工况下振动信号变现出来的非平稳和非 线性使得滚动轴承的周期性故障特征难以提取针对 变转速下的滚动轴承的故障诊断许多国内外学者做 了大量的研究 传统方法采用的是基于阶次跟踪 的轴承故障诊断技术是公认的最有效果的方法其 核心思想是将角域上的信号重采样得到循环平稳的信 号 从而获取轴承振动信号中的周期性脉冲但是 阶次跟踪需要额外的键相装置来获取轴承的转速信 号这无疑增加了空间和经济成本随着数字信号处 理技术的发展基于时频分析的轴承故障诊断技术另 辟蹊径相对于阶次跟踪技术有效的避开了重采样过 程中高阶方程求解导致计算效率低的问题同时可 以避免安装测速的键相装置常用的时频分析方法有 短时 变换同步压缩变换等 而上述方法 在时频分辨率上均有一定的局限性影响最终特征提 取的精度因此一种可以在变转速下同时兼顾无转 速计和高识别精度的故障特征提取方法是研究的 重点 等提出的广义解调方法是一种可以将 非线性非平稳信号转变为线性平稳信号的方法在时 频谱上表现为信号曲线被拉直为水平的直线许多 学者将其应用到旋转机械设备的故障诊断中 针对广义解调算法适合于单分量信号对多分量信号 产生时频曲线混叠问题 等利用迭代广义解调 实现了行星齿轮箱的故障诊断然而需要重复使用带 通滤波器来实现迭代的次数越多会导致人为误差因 素的影响陈小旺等将迭代广义解调算法成功应用 到变转速行星齿轮箱故障诊断中取得了不错的效果 然而上述方法受限于时频分辨率的影响存在估计精 度不够的问题对故障特征识别工作造成了一定的困 难 等提出将迭代广义解调算法应用到滚动轴 承故障诊断中避开了角域重采样过程解决了计算误 差和效率缺陷问题然而转速信号是通过键相装置获 得的在不便安装测速装置的环境中应用受限笔者 从上述问题出发着重解决变转速下滚动轴承故障特 征提取精度问题引入一种崭新信号分解技术 变 分非线性 模式分解 变分非线性 模式分解是 等提出的一 种新型信号处理方法具有很好的抗噪性是为处理非 线性叠加信号提出的一种算法文献 在时频 分析中提到了该方法的许多参数改进方法并证明了 该方法的可行性及工程实用性文献运用该方法 解决了行星齿轮箱提取特征频率误差大的问题有效 的识别出齿轮箱的故障类型实现了变转速行星齿轮 故障诊断文献 分析并解决了非平稳信号在 时频域内重叠的问题变分非线性 模式分解对 多分量强调频信号有广阔的应用前景很适合变转速 工况下机械振动信号的分析可以有效地避免人为选 择带通滤波器参数引起的误差很大程度的保留了有 用成分并在转子和定子摩擦故障中有效的识别出故 障特征频率和倍频成分 综上所述当前很有必要解决变转速下滚动轴承 故障特征提取误差大的问题因此本文提出一种基于 广义解调的滚动轴承故障特征提取方法该方法借助 变分非线性 模式分解算法对信号分解能力和高 抗噪性的特点结合广义解调算法弥补了迭代广义解 调算法频谱混叠和噪声鲁棒性差的问题使得信号在 分解的同时实现在水平方向的拉直从而精确提取故 障特征频率同时所提方法的抗噪性能要强于迭代广 义解调仿真信号和实测信号分析表明了该方法在变 转速下实现了无转速计滚动轴承故障特征精确提取 完成轴承故障诊断 算法部分 迭代广义解调算法原理及其缺陷 广义解调是一种新颖的信号处理方法可以将非 平稳非线性的单分量信号转换为线性的并且水平的 信号对解调后的单分量信号直接做 可以定量的 提取目标频率也就是说它是一种将信号的时变特 征变为恒定特征算法通过得到的信号瞬时频率函数 或者是瞬时相位构造一个相位函数和原始信号相乘 的解调函数广义解调可以看作是广义傅里叶变换的 结果对于单分量信号 有如下公式 其中 代表信号的瞬时频率函数是一个随时 间变换的实值函数它可以通过时频曲线估计得到 不难发现公式其实就是 做傅里叶变换 的结果假设傅里叶变换后的结果 为一定值 则 这就表明对与一个 瞬时频率为 的信号来说可以通过构 造一个解调函数对其做广义傅里叶变换将瞬时频率 集中在 上 具体步骤如下以下过程以单分量信号为例来说明 通过估计时频曲线获得信号 的瞬时频率 对 做 得到解析信号 是 的 变换 对 做 广 义 傅 里 叶 变 换 得 到 此时的 不再是一个解析信号对 做 变 换 得 到 新 的 解 析 信 号 是 的 变换 迭代广义解调就是在单次广义解调的基础上循 环多次广义解调算法配合带通滤波器得到每次解调 后的平稳信号分量从而解调全部的信号分量但是 该方法存在一个潜在的问题那就是广义解调的应用 基础是单分量信号处理故障轴承信号这种时频分布 曲线不是彼此平行信号时在第一次解调过程中就有 多个信号分量参与进来迭代广义解调结果容易出现 频谱混叠的现象引起提取特征误差同时带通滤波器 参数选择将会增加人为误差 第期马增强等一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法 因此针对轴承信号而言如果能够一开始将多分 量信号分离为多个单分量信号再分别对每个单分量 信号做广义解调这样就可以弥补迭代广义解调的缺 陷有效地提高故障特征提取精度本文结合变分非 线性 模式分解对非平稳信号的分离能力将其引 入到广义解调算法中提出一种基于广义解调的滚动 轴承故障特征提取新方法 变分非线性 模式分解算法原理 通过前文分析表明广义解调算法利用相位函数 解调时频曲线转换为平稳信号曲线可以解决变转速 下的特征提取不足的问题有学者运用迭代广义解调 诊断行星齿轮箱故障但是多次选择滤波器参数出 现频谱混叠现象影响特征提取的精度 文献所提变分非线性 模式分解算法如 下设 是含有个分量的信号则该信号可以改 写为 式中 和分别表示第 个信号分 量的瞬时幅值瞬时频率和初始相位 通过信号解调技术式可以改写为式 其中 { 式 中 为 解 调 算 子 和 的频率函数 和 为对应 的解调信号瞬时幅值 槡 瞬时频 率为 通过最小化解调信号带宽来分解信 号实现对信号分量进行逐个估计对于第个信号成 分来说 {} 同时需要满足公式 其中 为向量二范数的平方用来计算信号的 带宽 本文所提方法实现步骤 为了清楚的展示本文方法步骤用多分量非线性 调频信号 公式所示加以说明 { 单分量信号 的瞬时频率分别为 如公式所示 { 图所提方法算法流程图 振 动 与 冲 击年第卷 该方法的核心思想是先将多分量信号分离再做广 义解调到多分量信号完全分解为止从中提取特征 结合图算法流程具体步骤如下 首先将原始信号 通过快速谱峭度算法 利用带通滤波器截取共振带信号 求取共振带的包络信号对包络信号做变分 非线性 模式分解估计单分量信号的瞬时频率曲 线结合滚动轴承的故障特征系数确定各个分量所需 的相位函数 利用相位函数对每个分量信号做广义解调 表现为信号时频曲线在时域上被拉直即平行于时间 轴 将解调后的各个分量信号累加对累加信号 做 变换获取解调信号的频谱图观察图中各个倍 频的峰值提取故障特征 故障轴承仿真信号分析 为了验证本文方法的可行性和准确性根据滚动 轴承仿真模型搭建故障轴承仿真信号 式中代表冲击响应个数为第个冲击响应幅 值系数 为响应周期 为结构衰减系数 为系统 阻尼固有系数 为单位阶跃函数 为高斯白噪 声 为第个冲击出现的时间公式为 { 式中 为每个故障冲击区间带来的误差一般取值为 为故障特征频率为轴承转频 为故障特征系数具体参数取值见下文 匀减速仿真信号 建立匀减速仿真故障轴承振动信号模型该信号 信噪比 取 具体参数见 表信号时域图如图 所示经过快速谱峭度算 法运行结果如图所示图中黑色框所示区域即 为带通滤波器截取的信号共振带 滤波后信号的包络时频图如图 所示箭头所指的 是倍 倍故障特征频率对包络信号做变分非线性 模式分解求得倍故障特征频率如图所 示剩余信号分量如图 所示根据前文故障特征 频率公式 计算仿真信号的瞬时转频求得结果 和实际转频对比如图所示瞬时转频和故障特 征系数来确定广义解调所需的相位函数 此时频率点 表故障轴承仿真信号参数数值 转速 曲线 时 长 转速变 化范围 共振 频率 采样 频率 故障特 征系数 衰减 系数 信噪 比 图仿真信号时域图和仿真信号快速谱峭度图 图广义解调相位函数的计算过程 本文方法可以在分解信号分量的同时对分量做广 义解调图 为本文方法处理后的时频图从中可 以看出故障特征频率平行于时间轴非平稳信号转换 为平稳信号对变换后的平稳信号做 得到二维频 域图如图所示可以看到峰值在故障特征频率 附近取到分别为 这和仿真信号设定的故障特征频率倍频数 转频 起 始 频 率故 障 特 征 系 数 高度契合提取的故障特征频 率最高偏差仅为 为说明本文方法的优势用迭代广义解调方法对 比图 为迭代广义解调后的时频图从中可以看 第期马增强等一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法 出故障特征频率周围存在的交叉干扰项造成了频谱 混叠现象图为迭代广义解调后的频谱图虽然 图中有倍频峰值但频谱混叠现象对特征频率的提取造 成了一定的困难最终提取的特征频率分别为 最高误差为 最小误差为 影响最终诊断结果 图本文所提方法时频和 频谱图 图迭代广义解调时频图 和 频谱图 综上所述迭代广义解调算法出现的频谱混叠现 象并且需要多次选取带通滤波器参数增加了人工干 预的影响本文所提方法成功避免了这些问题最大误 差比迭代广义解调降低了 大幅提高了特征频 率的提取精度为了更进一步证明该方法的优越性 定量的体现本文所提方法准确性在不同的信噪比下 对比多组仿真实验依据文献本文定义滚动轴承 故障诊断结果的频谱识别率为 特征频率谱线能量 噪声能量平均值 表 频谱识别率 本文方法迭代广义解调 从表数据结果可以看出在种不同信噪比下 本文方法频谱识别率明显高于迭代广义解调频谱识 别率平均高出大约 显著增强了故障特征的识别 精度上述分析结果充分说明在轴承仿真实验中本 文所提方法抗噪性强频谱识别率高同时提取的特征 频率点和仿真模型假设一致提供了一种高精度故障 特征提取的新途径 不同类型的仿真信号分析 节证明了本文所提方法在匀减速工况下的可 行性然而在实际工程应用中滚动轴承转速是时刻变 换的变转速信号类型多种多样本小节随机选取种 不同类型的轴承仿真模型以求最大程度的接近真实 工况仿真信号具体参数如表所示仿真信号 均 为 故障特征系数为 表故障轴承仿真转速及其变换范围 仿真信号 类型 转速曲线 转速变化 范围 转速 跨度 采样 时长 匀加速 匀减速 升速减速 减速 减速 升速 减速升速 升速 分析迭代广义解调和本文所提方法下的频谱识别 率对比结果如图所示从中可以得出在中不同 转速跨度下本文方法求得的频谱识别率整体要高于 对比方法有效的降低了故障诊断频谱识别率提高故 障特征识别精度另一方面当转速跨度大于 时两种方法频谱识别率均有所下降明显低于常数 图故障诊断频谱识别率变换曲线 振 动 与 冲 击年第卷 当转速跨度大于 时二者频谱识别率几乎接近 于推断出此时提取的故障特征频率几乎淹没在噪声 能量中影响故障诊断最终结果但总体来说本文方 法提高了频谱识别率降低了特征提取误差 实测故障轴承信号分析 本节通过实测轴承故障信号来验证本文方法采 用的是旋转机械振动及故障模拟试验台 系统 如图所示为振动加速度传感器为激光转速计 用于测量实际转速表为目标轴承参数由滚动轴 承故障机理可以计算出轴承外圈故障特征系数为 其中实验采样频率为 图旋转机械振动及故障模拟试验台 表目标轴承参数 轴承型号滚动体数 滚动体 直径 节圆直径 接触 角 振动加速度传感器采集到的振动信号见图 利用本文所提方法对振动信号分析首先通过快速谱 峭度算法后将截取的共振信号求 包络得到如 图的时频图对信号做变分非线性 模式分 解分解出的一倍故障特征频率 估计转速频率并 与实际转频对比如图所示然后将求得的转速频 率作为相位函数对分离出的信号分量 和 做 广义解调变换使时频图中信号分量平行于时间轴将 解调后的结果求和对累加信号做 频谱结果见图 可以看出本文所提方法准确地提取倍 倍 频故 障 特 征 频 率其 理 论 倍 频 值 为 和 倍频数特征起始频率故 障特征系数提取特征最大误差为 最小误 差为 经 计 算 故 障 诊 断 频 谱 识 别 率 为 完美的契合轴承的外圈故障机 理可以判断出轴承外圈发生了故障图为迭 代广义解调后的频谱图对比理论倍频值迭代广义解 调算法提取的故障特征频率最大误差为 最 小误差为 虽然三倍频误差为 但是峰 值几乎淹没在背景噪声中迭代广义解调频谱识别率 为 综上所述本文所提方法要优于迭代广义解调实 测信号中提取的故障特征最大误差降低了 消 除了频谱混叠现象并且避免了迭代过程中重复选择 带通滤波器参数的过程更适合实际工程应用 图实测信号时域图和包络时频图 图实际转频与估计转频对比 图本文方法 频谱和迭代广义解调 频谱图 第期马增强等一种基于广义解调的滚动轴承故障特征提取方法 结论 针对迭代广义解调提取滚动轴承故障特征过程中 存在的多分量时变信号解调不足提取特征误差大的 问题本文提出了一种基于广义解调的滚动轴承故障 特征提取新方法研究得出以下结论 相比于迭代广义解调算法本文方法抗噪性 能强故障特征提取结果更加准确具有明显的优势 变分非线性 模式分解是一种新型的信 号分解方法对多分量时变信号处理有很好的分解效 果它对滚动轴承故障信号的处理具有先天优势但 是本文所提方法在处理轴承振动信号时计算效率不 太高后续将会在计算速率上做研究 参 考 文 献 赵德尊李建勇程卫东等基于迭代广义解调算法的变 转速滚动轴承复合故障特征的提取 振动与冲击 夏均忠汪治安陈成法等基于集成阶频谱相关的滚动 轴承故障特征