一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法
【專利摘要】一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，利用安裝在軸承座承載區(qū)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器和軸上的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，同步采集振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器所測(cè)沖擊信號(hào)或/和加速度信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)方法提取沖擊或/和振動(dòng)信號(hào)中的滾子通過(guò)承載區(qū)的信息，識(shí)別滾子間距變化，并輸出經(jīng)分析決策后的軸承故障信息。本發(fā)明不僅適用于金屬保持架軸承，也適用于非金屬保持架軸承的故障診斷。該方法無(wú)須振動(dòng)、沖擊校準(zhǔn)，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性、準(zhǔn)確率高，能識(shí)別保持架兜孔磨損超限、保持架窗梁折斷未失、保持架窗梁折斷失落和因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的滾子亂序、保持架端圈斷裂等故障，從而實(shí)現(xiàn)軸承保持架在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)警。
【專利說(shuō)明】
一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種軸承故障診斷方法，具體涉及一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持 架故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 保持架是軸承中的重要組成部分，主要作用是均勻地隔離各個(gè)滾子，使載荷平均 分配，同時(shí)避免滾子之間的直接接觸。按材質(zhì)不同主要有低碳鋼、不銹鋼類保持架，膠木、塑 料、尼龍類保持架，黃銅、青銅、鋁合金類保持架等。
[0003] 目前，對(duì)于保持架的故障診斷方法主要是利用識(shí)別保持架理論通過(guò)頻率來(lái)判斷故 障，但由于保持架公轉(zhuǎn)頻率極低，位于頻譜圖上的最左端，容易被低頻干擾所混淆，加上工 程實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制，使得分辨率較大，不易識(shí)別和發(fā)現(xiàn)此類故障。
[0004] 此外，當(dāng)前軌道交通等領(lǐng)域大量使用非金屬保持架(如塑鋼保持架)軸承取代金屬 保持架軸承，使得基于金屬保持架故障或破碎物對(duì)金屬外環(huán)、內(nèi)環(huán)(或其擋邊)碰撞或摩擦 而發(fā)生沖擊的故障檢測(cè)技術(shù)幾乎全部失效（如保持架理論通過(guò)頻率法、雜質(zhì)引起外弧譜 法），以致在非金屬鋼保持架發(fā)生嚴(yán)重故障(保持架兜孔磨損超限、保持架窗梁折斷未失、保 持架窗梁折斷失落和軸承滾子因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序、保持架端圈斷 裂)時(shí)均不能發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器強(qiáng)烈振動(dòng)，危及相鄰部件安全，甚至引發(fā)重大事故。因此， 迫切需要發(fā)明一種既能識(shí)別金屬保持架故障，又能識(shí)別非金屬保持架故障的新技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診 斷方法，該方法不僅能夠識(shí)別金屬保持架故障，也能識(shí)別非金屬保持架故障。
[0006] -種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，利用安裝在軸承座承載區(qū)的 振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器和軸上的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，同步采集振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感 器所測(cè)沖擊信號(hào)或/和加速度信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)方法提取沖擊或/和振動(dòng)信號(hào)中的滾子通過(guò) 承載區(qū)的信息，識(shí)別滾子間距變化，并輸出經(jīng)分析決策后的軸承故障信息。本發(fā)明不僅適用 于金屬保持架軸承，也適用于非金屬保持架軸承的故障診斷。該方法無(wú)須振動(dòng)、沖擊校準(zhǔn)， 適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性、準(zhǔn)確率高，能識(shí)別保持架兜孔磨損超限、保持架窗梁折斷未失、保持架窗 梁折斷失落和因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的滾子亂序、保持架端圈斷裂等故障，從 而實(shí)現(xiàn)軸承保持架在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷、預(yù)警。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持 架故障診斷方法，包含以下步驟：
[0008] 首先，利用安裝在軸承座承載區(qū)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器和軸上的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行 轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，然后，用檢測(cè)診斷計(jì)算機(jī)同步采集振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器所測(cè)沖擊信號(hào)S(i) 或/和振動(dòng)加速度信號(hào)V(i)，最后，用安裝在檢測(cè)診斷計(jì)算機(jī)中識(shí)別軸承滾子通過(guò)承載區(qū)間 距變化值編制的保持架故障診斷專家系統(tǒng)軟件，識(shí)別保持架兜孔磨損超限、保持架窗梁折 斷未失、保持架窗梁折斷失落和軸承滾子因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序、保持 架端圈斷裂，從而實(shí)現(xiàn)軸承保持架故障在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警。
[0009] -種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特征在于:所述識(shí)別軸承 滾子間距變化異常的方法是，在運(yùn)轉(zhuǎn)中，在保持架攜帶滾子逐個(gè)通過(guò)軸承承載區(qū)而軸承的 內(nèi)、外環(huán)和滾子沒(méi)有故障時(shí)，因主要由單個(gè)滾子承受載荷而使軸承的外環(huán)產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力而 導(dǎo)致振動(dòng)；當(dāng)存在外環(huán)故障或雜質(zhì)時(shí)，則主要因滾子逐個(gè)通過(guò)外環(huán)故障的突變應(yīng)力而導(dǎo)致 振動(dòng)或/和沖擊，通過(guò)所測(cè)沖擊信號(hào)或/和振動(dòng)加速度信號(hào)中含有的由滾子承受載荷而使軸 承的外環(huán)產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱"滾子應(yīng)力信號(hào)"，如果可以直接獲取應(yīng)力信號(hào)，則等 效于振動(dòng)加速度信號(hào)），當(dāng)保持架正常時(shí)，即各個(gè)滾子相互之間的間距只能在正常范圍內(nèi)抖 動(dòng)，則滾子應(yīng)力信號(hào)中所反應(yīng)的相鄰2個(gè)滾子通過(guò)承載區(qū)的間隔Lo、允許的極限兜孔間隙 dou、軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d的函數(shù)為：
[0010] Abs(L〇-L)<dou (1)
[0011] 式中，Abs ()為求取絕對(duì)值函數(shù)，L為滾子的平均間距:L = Do X Ji/Z;
[0012] 則有識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為：
[0013] Lo>L+dou (2)
[0014] 或 L〇〈L-dou (3)〇
[0015] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)信號(hào)之方法為：
[0016] A，對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S( i)或/和振動(dòng)加速度信號(hào)V( i)按保留保持架信號(hào)最大整 周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nb進(jìn)行截取后，進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的沖擊頻譜FS(i)或/和振動(dòng)頻譜FV ⑴；
[0017] B，對(duì)沖擊頻譜FS(i)或/和振動(dòng)頻譜FV( i)按保留自動(dòng)搜索滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì) 應(yīng)譜號(hào)Pf、Pf左右1階保外邊頻譜號(hào)Pb進(jìn)行頻域?yàn)V波（即保留譜號(hào)Pf、Pf-Pb和Pf+Pb)，通過(guò) 整周期時(shí)域回歸（即傅里葉逆變換），得到滾子應(yīng)力信號(hào)XS(i)或/和XV(i);
[0018] C，對(duì)滾子應(yīng)力信號(hào)XS(i)或/和XV(i)，獲取保持架滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值序 列L(n)(單位為mm)，方法是:計(jì)算信號(hào)XS(i)或/和XV(i)的所有極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樣本序列號(hào) PS(n) (η的總長(zhǎng)度等于保持架最大整周期數(shù)Y乘滾子數(shù)Z)，從而計(jì)算出各個(gè)滾子相繼通過(guò)承 載區(qū)域相鄰滾子的間距變化值序列L(n)，其計(jì)算方法如下：
[0019] 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率fs(例如fs = 200fn)，采樣點(diǎn)數(shù)N(例如N=2048)，軸承的關(guān) 鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d、接觸角α，則有：
[0020] 由于軸以轉(zhuǎn)頻fn轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣頻率為fS(例如fs = 200fn)，則軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的采樣點(diǎn)數(shù) 為M = fs/fn(例如M = 200);而滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw= (D〇-dcosa)*fn/(2Do)，即滾子通過(guò)外 環(huán)承載區(qū)的間距對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)DS為：
[0021 ] DS = fs/fw = fs/( (D〇-dcosa)*fn/(2Do))
[0022] DS所對(duì)應(yīng)的滾子間距L = Do*3i/Z
[0023] 設(shè)實(shí)際相鄰滾子間距對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為x(n)=PS(n)-PS(n-l)
[0025] D，單樣本報(bào)警策略：
[0026] 根據(jù)識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為：
[0027] 根據(jù)式（2) Lo>L+dou 或根據(jù)式(3) Lo〈L-dou
[0028] 則有報(bào)警函數(shù)為
[0029] L(n)>L+dou (5)
[0030] 或 L(n)〈L-dou (6)
[0031] 若樣本存在最大整數(shù)個(gè)Y(例如Y = 4)的保持架周期，有X(〈 = Y)個(gè)周期存在兜孔間 隙超差信息，
[0032] 則預(yù)警函數(shù)為:BJ=(X-l)/Y> = 0.50^l^:Y = 4，X = 3，BJ = 0.50)，^l^n:Y = 8，X = 5,BJ = 0.50)
[0033] 則一級(jí)報(bào)警函數(shù)為:^=04)/^ = 0.75^1^4 = 4^ = 4,81 = 0.75),^1^4 = 8,X = 7,BJ = 0.75)；
[0034] E，綜合報(bào)警策略之一:若單樣本報(bào)警策略發(fā)現(xiàn)預(yù)警，則連續(xù)監(jiān)測(cè)L = 6次(包括當(dāng)前 單樣本預(yù)警的樣本）;若有Μ次單樣本預(yù)警和N次單樣本一級(jí)報(bào)警，
[0035]則綜合預(yù)警函數(shù)為：
[0036] BJ=((M-1)+2N)/L> = 0.5,（例如：L = 6，M = 2，N=1，BJ = 0.50)
[0037] 則綜合一級(jí)報(bào)警函數(shù)為：
[0038] BJ=((M-l)+2N)/L> = 5/6，^|^n:L = 6，M = 2，N=2，BJ = 5/6)
[0039] F，綜合報(bào)警策略之二:若單樣本報(bào)警策略發(fā)現(xiàn)一級(jí)報(bào)警，則連續(xù)監(jiān)測(cè)L = 6次(包括 當(dāng)前單樣本一級(jí)報(bào)警的樣本）；若有Μ次單樣本預(yù)警或一級(jí)報(bào)警，
[0040] 則綜合預(yù)警函數(shù)為：
[0041] BJ=((M-1)+2N)/L> = 0.5,（例如：L = 6，M = 2，N=1，BJ = 0.50)
[0042] 則綜合一級(jí)報(bào)警函數(shù)為：
[0043] 8了=((]?-1)+2~)/1> = 5/6，（例如丄=6，]\1 = 2，~=2,8了 = 5/6)
[0044] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:保持架最大整周期數(shù)Y及保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù) 點(diǎn)數(shù)Nmi?的計(jì)算方法如下：
[0045] 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率fs(如fs = 200fn或fs = 400fn，fn為轉(zhuǎn)頻），采樣點(diǎn)數(shù)N(如N = 4096)，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d、接觸角α，計(jì)算保持架公轉(zhuǎn)周 期所包含點(diǎn)數(shù)Nb:
[0047] 計(jì)算保持架最大整周期數(shù)Y = fix(length(S(i))/Nb)SY = fix(length(V(i))/ Nb)式中，fix表示向0方向取整(如fix(4.9) =4，fix(4.1) =4); length表示取數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)；
[0048] 保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的方法是:對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S(i)或/和 振動(dòng)加速度信號(hào)V (i)進(jìn)行截取前Y X Nb點(diǎn)，即Nmax = Y X Nb。
[0049] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf的自動(dòng)搜索的方法如 下：
[0050] 輸入跟蹤采樣頻率€8(如€8 = 200;1；'11或€8 = 400;1；'11，;1；'11為轉(zhuǎn)頻），數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)1'1111￡?(如'￡? =4000 )，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d、接觸角α，計(jì)算滾子應(yīng)力信號(hào) 頻率f對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf:
[0052] 式中roundO表示四舍五入取整；
[0053]計(jì)算1階保外譜號(hào)Pb:
[0055] 根據(jù)沖擊頻譜FS(i)或/和振動(dòng)頻譜FV(i)，從譜號(hào)Pf-3到譜號(hào)Pf+3對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻 譜幅值A(chǔ)f( j) (j = 1，2......7)搜索最大值Pmax及對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pfmax，若Pfmax不等于Pf且Pmax* 7/sum(Af(j))>2(其中sum表示求和），則更新譜號(hào)Pf = Pmax，否則不更新譜號(hào)Pf〇
[0056] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:整周期時(shí)域回歸的方法如下：
[0057]整周期時(shí)域回歸理論是為了精準(zhǔn)識(shí)別傅里葉變換譜號(hào)而特別提出的一種信號(hào)處 理方法，是指根據(jù)所需提取的特征頻率對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間長(zhǎng)度或周期點(diǎn)數(shù)，對(duì)原始待分析信 號(hào)進(jìn)行按保留最大整周期數(shù)截?cái)嗵幚恚妙l域?yàn)V波，對(duì)頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后(如剔除導(dǎo)致 引入干擾的頻率成分)利用逆傅里葉變換（相位信息保留不變)得到經(jīng)過(guò)處理后的時(shí)域信 號(hào)，達(dá)到提取或消除干擾信號(hào)的目的。
[0058]所述整周期時(shí)域回歸具體方法是:按得到的自動(dòng)搜索后的譜號(hào)Pf，重新計(jì)算1階保 外譜號(hào)Pb，同時(shí)計(jì)式(9)得到的保外譜號(hào)Pb為Pbo,式(7)得到的保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù) Nb 為 Nbo:
[0060]更新得到的保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù)Nb、保持架最大整周期數(shù)Y及保留保持架 信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax:
[0062] 重新計(jì)算保持架最大整周期數(shù)Y = f ix(length(S(i ) )/Nb)或Y = f ix(length(V (i))/Nb)
[0063] 重新保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的方法是:對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S(i) 或/和振動(dòng)加速度信號(hào)v( i)進(jìn)行截取前Y X Nb點(diǎn)，即Nmax = Y X Nb。
[0064] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于:保留滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf、滾子應(yīng)力信號(hào)頻 率f譜號(hào)Pf左右1階保外譜號(hào)Pb進(jìn)行頻域?yàn)V波（即保留譜號(hào)Pf、Pf-Pb和Pf+Pb)，其特征在于： 正常情況下，軸承中所有滾子按頻率fw等間距通過(guò)承載區(qū)，其頻譜特征是頻率fw或其對(duì)應(yīng) 譜號(hào)Pf，當(dāng)某個(gè)滾子間隔出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)對(duì)頻率fw進(jìn)行頻率調(diào)制(相位抖動(dòng)），調(diào)制頻率即為 保持架公轉(zhuǎn)頻率，即左右1階保外譜號(hào)pb，故保留譜號(hào)Pf、Pf_Pb和Pf+Pb等同于提取各滾子 通過(guò)承載區(qū)間距變化特征。
[0065] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：識(shí)別保持架兜孔磨損超限之方法，等同于兜孔間隙大于 極限兜孔間隙dou的報(bào)警方法，識(shí)別保持架窗梁折斷未失之方法，等同于折斷窗梁處相鄰2 個(gè)滾子間隔增加至2倍dou，符合大于dou的報(bào)警方法，識(shí)別保持架窗梁折斷失落和識(shí)別軸承 滾子因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序之方法，等同于部分滾子兜孔間隙大于極限 兜孔間隙dou，識(shí)別保持架端圈斷裂之方法，等同于斷裂處的滾子允許更大的兜孔間隙，故 保持架的此類故障均符合步驟2之報(bào)警方法。
[0066] 一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，既能識(shí)別金屬保持架故障， 也能識(shí)別非金屬保持架故障，其技術(shù)特征在于:本發(fā)明所利用方法為識(shí)別軸承滾子通過(guò)承 載區(qū)間距變化，與保持架本身材質(zhì)無(wú)關(guān)，只需滾子與軸承外環(huán)滿足金屬材質(zhì)。
[0067] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：
[0068] (1)本發(fā)明所需信號(hào)源可用沖擊，也可用振動(dòng)，也包括同時(shí)利用沖擊和振動(dòng)，該方 法無(wú)須振動(dòng)、沖擊校準(zhǔn)，適應(yīng)性強(qiáng)；
[0069] (2)所述方法中采用整周期回歸理論，消除現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限、非整周期造成頻譜 泄露及其與傅里葉頻率分辨率之矛盾，可大大提高滾子應(yīng)力信號(hào)譜號(hào)的精準(zhǔn)性；
[0070] (3)所述方法中采用滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw譜號(hào)Pf的自動(dòng)搜索的方法，允許實(shí)際采 樣過(guò)程的跟蹤誤差、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的局部打滑等外界干擾因素，方法具有較高魯棒性；
[0071] (4)所述方法中采用單樣本報(bào)警和綜合報(bào)警相結(jié)合的策略，保證故障識(shí)別的準(zhǔn)確 率，有效減小誤判。
【附圖說(shuō)明】
[0072] 圖1-1為識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法示意圖；
[0073] 圖2-1為單根窗梁折斷失落機(jī)械仿真模型；
[0074] 圖2-2為單根窗梁折斷失落原始信號(hào)V(i);
[0075] 圖2-3為按最大整周期截取后信號(hào)；
[0076]圖2-4為整周期時(shí)域回歸后滾子應(yīng)力信號(hào)XV(i);
[0077] 圖2-5為滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值L(n)及本發(fā)明方法識(shí)別結(jié)果；
[0078] 圖2-6為保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序原始信號(hào)V(i);
[0079] 圖2-7為滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值L(n)及本發(fā)明方法識(shí)別結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0080]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0081] 1、本實(shí)施例是利用機(jī)械仿真軟件模擬行轉(zhuǎn)速跟蹤采樣(如圖2-1單根窗梁折斷失 落），獲取滾子通過(guò)外環(huán)應(yīng)力信號(hào)，有效性等同于振動(dòng)加速度信號(hào)V(i)如圖2-2,其中fs = 400f η，N=8000，允許的極限兜孔間隙dou = 3mm。
[0082] 2、當(dāng)保持架正常時(shí)，即各個(gè)滾子相互之間的間距只能在正常范圍內(nèi)抖動(dòng)，則滾子 應(yīng)力信號(hào)中所反應(yīng)的相鄰2個(gè)滾子通過(guò)承載區(qū)的間隔Lo、允許的極限兜孔間隙dou、軸承中 徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d的函數(shù)為：
[0083] Abs(L〇-L)<dou (1)
[0084] 式中，Abs ()為求取絕對(duì)值函數(shù)，L為滾子的平均間距:L = Do X Ji/Z;
[0085] 則有識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為：
[0086] Lo>L+dou (2)
[0087] 或 Lo〈L_dou (3)〇
[0088] 3、識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)信號(hào)之方法為：
[0089] A，按圖1-1所示示意圖，對(duì)所獲取的振動(dòng)加速度信號(hào)V(i)按保留保持架信號(hào)最大 整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nb進(jìn)行截取后，進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的振動(dòng)頻譜FV(i)，如圖2-3;
[0090] B，對(duì)振動(dòng)頻譜FV(i)按保留自動(dòng)搜索滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf、Pf左右1階 保外邊頻譜號(hào)Pb進(jìn)行頻域?yàn)V波（即保留譜號(hào)Pf、Pf-Pb和Pf+Pb)，通過(guò)整周期時(shí)域回歸（即傅 里葉逆變換），得到滾子應(yīng)力信號(hào)XV( i)，如圖2-4;
[0091] C，對(duì)滾子應(yīng)力信號(hào)XV(i)，獲取保持架滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值序列L(n)(單位 為mm)，方法是:計(jì)算信號(hào)XV(i)的所有極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樣本序列號(hào)PS(n)(n的總長(zhǎng)度等于保 持架最大整周期數(shù)Y乘滾子數(shù)Z)，從而計(jì)算出各個(gè)滾子相繼通過(guò)承載區(qū)域相鄰滾子的間距 變化值序列L(n)，其計(jì)算方法如下：
[0092] 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率f s = 400fn，采樣點(diǎn)數(shù)N=8000，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑 0〇 = 227_、滾子數(shù)2=15、滾子直徑(1 = 34111111、接觸角€[ = 0，則有：
[0093]由于軸以轉(zhuǎn)頻fn轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣頻率f s = 400fn，則軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的采樣點(diǎn)數(shù)為M = fs/fn =400;而滾子應(yīng)力信號(hào)頻率€￥=(0〇-(1〇〇8€[)村11/(20())，即滾子通過(guò)外環(huán)承載區(qū)的間距對(duì)應(yīng) 的采樣點(diǎn)數(shù)DS為：
[0094] DS = fs/fw = fs/( (D〇-dcosa)*fn/(2Do))
[0095] DS所對(duì)應(yīng)的滾子間距 L = Dq*jt/Z = 47· 5428mm
[0096] 設(shè)實(shí)際相鄰滾子間距對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為x(n)=PS(n)-PS(n-l)
[0098]如圖 2-4;
[0099] D，單樣本報(bào)警策略：
[0100] 根據(jù)識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為：
[0101] 根據(jù)式(2)Lo>L+dou 或根據(jù)式(3)Lo〈L-dou
[0102] 則有報(bào)警函數(shù)為
[0103] L(n)>L+dou (5)
[0104] 或 L(n)〈L-dou (6)
[0105] 樣本存在最大整數(shù)個(gè)Y = 8的保持架周期，有8個(gè)周期存在兜孔間隙超差信息，
[0106] 則一級(jí)報(bào)警函數(shù)為:^=(84)/^ = 7/1
[0107] 4、保持架最大整周期數(shù)Y及保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的計(jì)算方法如 下：
[0108] 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率f s = 400fn，采樣點(diǎn)數(shù)N=8000，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑 Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d、接觸角α，計(jì)算保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù)Nb:
[0110]計(jì)算保持架最大整周期數(shù) Y = fix(length(V(i))/Nb)=fiX(8000/941)=8;
[0111 ] 式中，fix表示向0方向取整(如fix(4.9) = 4，fix(4.1)=4); length表示取數(shù)據(jù)總 點(diǎn)數(shù)。
[0112]保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的方法是：對(duì)所獲取的振動(dòng)加速度信號(hào)V (士）進(jìn)行截取前丫><他點(diǎn)，8卩'》= ￥\他=7528。
[0113] 5、滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf的自動(dòng)搜索的方法如下：
[0115] 式中roundO表示四舍五入取整；
[0116] 計(jì)算1階保外譜號(hào)Pb:
[0118] 根據(jù)振動(dòng)頻譜FV( i)，從譜號(hào)Pf-3到譜號(hào)Pf+3對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜幅值A(chǔ)f (j) (j = 1， 2......7)搜索最大值Pmax及對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pfmax，若Pfmax不等于Pf且Pmax*7/sum(Af (j) )>2(其 中sum表示求和），則更新譜號(hào)Pf = Pmax，否則不更新譜號(hào)Pf，本實(shí)例中Pf = Pmax，不更新。
[0119] 綜上所述，步驟(3)得到滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值L(n)如圖2-5所示，按照允許 dou = 3mm計(jì)算，樣本存在最大整數(shù)個(gè)Y = 8的保持架周期，有8個(gè)周期存在兜孔間隙超差信 息，則報(bào)警函數(shù)為:BJ=(8-l)/8 = 0.875,輸出一級(jí)報(bào)警。
[0120] 圖2-6為機(jī)械仿真軸承滾子因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序原始信號(hào)， 圖2-7本發(fā)明方法識(shí)別結(jié)果，樣本存在整數(shù)個(gè)Y = 8的保持架周期，有8個(gè)周期存在兜孔間隙 超差信息，則報(bào)警函數(shù)為:BJ=(8-l)/8 = 0.875,輸出一級(jí)報(bào)警。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟： 首先，利用安裝在軸承座承載區(qū)的振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器和軸上的轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速 跟蹤采樣，然后，用檢測(cè)診斷計(jì)算機(jī)同步采集振動(dòng)沖擊復(fù)合傳感器所測(cè)沖擊信號(hào)s(i)或/和 振動(dòng)加速度信號(hào)v(i)，最后，用安裝在檢測(cè)診斷計(jì)算機(jī)中識(shí)別軸承滾子通過(guò)承載區(qū)間距變 化值編制的保持架故障診斷專家系統(tǒng)軟件，識(shí)別保持架兜孔磨損超限、保持架窗梁折斷未 失、保持架窗梁折斷失落和軸承滾子因保持架窗梁連續(xù)大量失落而發(fā)生的亂序、保持架端 圈斷裂，從而實(shí)現(xiàn)軸承保持架故障在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特征 在于，所述識(shí)別軸承滾子間距變化異常的方法是，在運(yùn)轉(zhuǎn)中，在保持架攜帶滾子逐個(gè)通過(guò)軸 承承載區(qū)而軸承的內(nèi)、外環(huán)和滾子沒(méi)有故障時(shí)，因主要由單個(gè)滾子承受載荷而使軸承的外 環(huán)產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)；當(dāng)存在外環(huán)故障或雜質(zhì)時(shí)，則主要因滾子逐個(gè)通過(guò)外環(huán)故 障的突變應(yīng)力而導(dǎo)致振動(dòng)或/和沖擊，通過(guò)權(quán)利要求1所測(cè)沖擊信號(hào)或/和振動(dòng)加速度信號(hào) 中含有的由滾子承受載荷而使軸承的外環(huán)產(chǎn)生應(yīng)變應(yīng)力信號(hào)，當(dāng)保持架正常時(shí)，即各個(gè)滾 子相互之間的間距只能在正常范圍內(nèi)抖動(dòng)，則滾子應(yīng)力信號(hào)中所反應(yīng)的相鄰2個(gè)滾子通過(guò) 承載區(qū)的間隔Lo、允許的極限兜孔間隙dou、軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直徑d的函數(shù)為： Abs(Lq-L)〈dou (1) 式中，AbsO為求取絕對(duì)值函數(shù)，L為滾子的平均間距:L = DoXVZ; 則有識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為： Lo>L+dou (2) 或 Lo〈L_dou (3)〇3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特征 在于，識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)的信號(hào)之方法為： A，對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S(i)或/和振動(dòng)加速度信號(hào)V(i)按保留保持架信號(hào)最大整周期 數(shù)點(diǎn)數(shù)Nb進(jìn)行截取后，進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的沖擊頻譜FS( i)或/和振動(dòng)頻譜FV( i); B，對(duì)沖擊頻譜FS( i)或/和振動(dòng)頻譜FV( i)按保留自動(dòng)搜索滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜 號(hào)Pf、Pf左右1階保外邊頻譜號(hào)Pb進(jìn)行頻域?yàn)V波，通過(guò)整周期時(shí)域回歸，得到滾子應(yīng)力信號(hào) XS(i)S/^PXV(i); C，對(duì)滾子應(yīng)力信號(hào)XS(i)或/和XV(i)，獲取保持架滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化值序列L (n)，單位為mm，方法是:計(jì)算信號(hào)XS(i)或/和XV(i)的所有極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樣本序列號(hào)PS (η)，n的總長(zhǎng)度等于保持架最大整周期數(shù)Y乘滾子數(shù)Z，從而計(jì)算出各個(gè)滾子相繼通過(guò)承載 區(qū)域相鄰滾子的間距變化值序列L(n)，其計(jì)算方法如下： 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率fs，采樣點(diǎn)數(shù)N，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直 徑d、接觸角α，則有： 由于軸以轉(zhuǎn)頻fn轉(zhuǎn)動(dòng)，采樣頻率為fs，則軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的采樣點(diǎn)數(shù)為M = fs/fn;而滾子應(yīng) 力信號(hào)頻率fw=(D〇-dC〇sa)*fn/(2DO)，即滾子通過(guò)外環(huán)承載區(qū)的間距對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)DS 為： DS = fs/fw = fs/( (DO_dcosa)*fn/(2Do)) DS所對(duì)應(yīng)的滾子間距L = Do*3i/Z 設(shè)實(shí)際相鄰滾子間距對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為x(n)=PS(n)-PS(n-l)D，單樣本報(bào)警策略： 根據(jù)識(shí)別軸承滾子間距變化異常的報(bào)警函數(shù)為： 根據(jù)式(2) Lo>L+dou 或根據(jù)式(3) Lo〈L_dou 則有報(bào)警函數(shù)為 L(n)>L+dou (5) 或L(n)〈L_dou (6) 若樣本存在最大整數(shù)個(gè)Y的保持架周期，有X個(gè)周期存在兜孔間隙超差信息，x〈=Y， 則預(yù)警函數(shù)為:BJ= (Χ-1 )/Υ> = 0 · 50， 則一級(jí)報(bào)警函數(shù)為:BJ= (Χ-1 )/Υ> = 0.75; E，綜合報(bào)警策略之一:若單樣本報(bào)警策略發(fā)現(xiàn)預(yù)警，則連續(xù)監(jiān)測(cè)L = 6次;若有M次單樣 本預(yù)警和N次單樣本一級(jí)報(bào)警， 則綜合預(yù)警函數(shù)為： BJ=((M-1)+2N)/L> = 0.5， 則綜合一級(jí)報(bào)警函數(shù)為： BJ=((M-l)+2N)/L> = 5/6， F，綜合報(bào)警策略之二:若單樣本報(bào)警策略發(fā)現(xiàn)一級(jí)報(bào)警，則連續(xù)監(jiān)測(cè)L = 6次;若有M次 單樣本預(yù)警或一級(jí)報(bào)警， 則綜合預(yù)警函數(shù)為： BJ=((M-1)+2N)/L> = 0.5， 則綜合一級(jí)報(bào)警函數(shù)為： BJ=((M-l)+2N)/L> = 5/6〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特 征在于，保持架最大整周期數(shù)Y及保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)N max的計(jì)算方法如下： 根據(jù)輸入跟蹤采樣頻率fs，采樣點(diǎn)數(shù)N，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、滾子直 徑d、接觸角α，計(jì)算保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù)Nb:計(jì)算保持架最大整周期數(shù) Y = fix(length(S(i))/Nb)SY = fix(length(V(i))/Nb) 式中，fix表示向0方向取整;length表示取數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)； 保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的方法是:對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S(i)或/和振動(dòng) 加速度信號(hào)V(i)進(jìn)行截取前YXNb點(diǎn)，即Nmax = YXNb。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特 征在于，滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf的自動(dòng)搜索的方法如下： 輸入跟蹤采樣頻率fs，最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax，軸承的關(guān)鍵參數(shù):軸承中徑Do、滾子數(shù)Z、 滾子直徑d、接觸角α，計(jì)算滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf:式中roundO表示四舍五入取整； 計(jì)算1階保外譜號(hào)Pb:根據(jù)沖擊頻譜FS(i)或/和振動(dòng)頻譜FV(i)，從譜號(hào)Pf-3到譜號(hào)Pf+3對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻譜幅 值A(chǔ)f (j) (j = 1，2......7)搜索最大值Pmax及對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pfmax，若Pfmax不等于Pf且Pmax*7/sum (Af( j)) >2，其中sum表示求和，則更新譜號(hào)Pf = Pmax，否則不更新譜號(hào)Pf。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，其特 征在于，整周期時(shí)域回歸的方法如下： 整周期時(shí)域回歸理論是為了精準(zhǔn)識(shí)別傅里葉變換譜號(hào)而特別提出的一種信號(hào)處理方 法，是指根據(jù)所需提取的特征頻率對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間長(zhǎng)度或周期點(diǎn)數(shù)，對(duì)原始待分析信號(hào)進(jìn) 行按保留最大整周期數(shù)截?cái)嗵幚恚妙l域?yàn)V波，對(duì)頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理后利用逆傅里葉變 換得到經(jīng)過(guò)處理后的時(shí)域信號(hào)，達(dá)到提取或消除干擾信號(hào)的目的； 所述整周期時(shí)域回歸具體方法是:按得到的自動(dòng)搜索后的譜號(hào)Pf，重新計(jì)算1階保外譜 號(hào)Pb，同時(shí)計(jì)式(9)得到的保外譜號(hào)Pb為Pbo,式(7)得到的保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù)Nb為 Nbo：更新得到的保持架公轉(zhuǎn)周期所包含點(diǎn)數(shù)Nb、保持架最大整周期數(shù)Y及保留保持架信號(hào) 最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax:重新計(jì)算保持架最大整周期數(shù) Y = fix(length(S(i))/Nb)SY = fix(length(V(i))/ Nb) 重新保留保持架信號(hào)最大整周期數(shù)點(diǎn)數(shù)Nmax的方法是:對(duì)所獲取的沖擊信號(hào)S(i)或/和 振動(dòng)加速度信號(hào)V (i)進(jìn)行截取前Y X Nb點(diǎn)，即Nmax = Y X Nb。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種識(shí)別軸承滾子間距變化的保持架故障診斷方法，保留 滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf、滾子應(yīng)力信號(hào)頻率fw譜號(hào)Pf左右1階保外譜號(hào)Pb進(jìn)行頻 域?yàn)V波，即保留譜號(hào)Pf、Pf_Pb和Pf+Pb，其特征在于，正常情況下，軸承中所有滾子按頻率fw 等間距通過(guò)承載區(qū)，其頻譜特征是頻率fw或其對(duì)應(yīng)譜號(hào)Pf，當(dāng)某個(gè)滾子間隔出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì) 對(duì)頻率fw進(jìn)行頻率調(diào)制，調(diào)制頻率即為保持架公轉(zhuǎn)頻率，即左右1階保外譜號(hào)Pb，故保留譜 號(hào)Pf、Pf-Pb和Pf+Pb等同于提取各滾子通過(guò)承載區(qū)間距變化特征。
【文檔編號(hào)】G01M13/04GK106017927SQ201610330761
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】李修文, 唐德堯
【申請(qǐng)人】唐智科技湖南發(fā)展有限公司