本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，具體是指一種滾動(dòng)軸承故障診斷的核回歸分解方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

滾動(dòng)軸承是各類機(jī)器中廣泛應(yīng)用的重要機(jī)械部件，也是機(jī)器中最容易損壞的元件之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備是完全依賴于滾動(dòng)體軸承的健康狀況，幾乎占40-50％的設(shè)備故障。軸承的故障可能是及其嚴(yán)重的，可能導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線的停工,甚至導(dǎo)致人員的傷亡。現(xiàn)階段對(duì)軸承的故障診斷主要通過人工經(jīng)驗(yàn)或儀器判斷軸承的運(yùn)行狀態(tài)，但在實(shí)際獲取振動(dòng)信號(hào)中往往由于工作情況復(fù)雜、環(huán)境噪聲大、設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處在工作狀態(tài)等原因，有時(shí)很難獲得故障特征比較明顯的信號(hào)。因此，信號(hào)去噪已經(jīng)成為軸承故障信號(hào)處理的關(guān)鍵步驟。目前的故障診斷系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差、操作繁瑣等局限性，尚不能得到廣泛的應(yīng)用推廣。為了解決滾動(dòng)軸承故障診斷困難、誤判率高等技術(shù)問題，軸承的故障診斷系統(tǒng)的研究也變得越來越有意義。

在現(xiàn)有的各類軸承故障診斷技術(shù)中，振動(dòng)信號(hào)的分析仍然是主要的一種方法。基于傅里葉變換的信號(hào)頻域表示,揭示了時(shí)間函數(shù)和頻譜函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,在傳統(tǒng)的平穩(wěn)信號(hào)分析和處理中發(fā)揮了極其重要的作用，但用傅里葉變換的方法提取信號(hào)頻譜時(shí),需要利用信號(hào)的全部時(shí)域信息,這是一種整體變換,缺少時(shí)域定位功能。小波變換是近幾年來一種新的變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換局部化的思想，同時(shí)又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，小波變換可以更好的觀察信號(hào)的局部特性，可以同時(shí)觀察信號(hào)的時(shí)間和頻率信息，這是傅里葉變換達(dá)不到的。但使用小波變換抑制噪聲往往會(huì)在處理低信噪比信號(hào)時(shí)導(dǎo)致振蕩效應(yīng)，同時(shí)在進(jìn)行小波變換時(shí)需要手動(dòng)選擇適合的小波，這樣對(duì)實(shí)際工程問題的處理上大大增加了所需的時(shí)間。美國(guó)工程院士黃鍔博士提出的emd(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥?已經(jīng)被證明是一種自適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和挖掘方法，非常適合非線性和非平穩(wěn)時(shí)間序列的處理，而無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)，其本質(zhì)上也是對(duì)數(shù)據(jù)序列或信號(hào)的平穩(wěn)化處理。emd算法的目的在于將性能不好的信號(hào)分解為一組性能較好的本征模函數(shù)，所分解出來的各個(gè)分量包含了原信號(hào)的不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)。選擇適合的分量，然后進(jìn)行希爾伯特變換獲得時(shí)頻譜圖，得到有物理意義的頻率。但在工作環(huán)境中,如何正確選擇添加噪聲振幅仍需進(jìn)一步研究，模態(tài)混疊的頻繁出現(xiàn)也是emd的主要缺點(diǎn)之一，模態(tài)混疊是信號(hào)中斷引起的，中斷是一種不定形式的擾動(dòng)信號(hào)，在實(shí)際處理中經(jīng)常會(huì)遇到的情況。中斷會(huì)導(dǎo)致混淆時(shí)頻分布，進(jìn)而破壞imf的物理意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種滾動(dòng)軸承故障診斷的核回歸分解方法及系統(tǒng)，并采用核回歸分解方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，提取軸承相關(guān)特征并進(jìn)行識(shí)別。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)采集，采用加速度傳感器采集待測(cè)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，該加速度傳感器安裝在待測(cè)軸承的軸承座上，加速度傳感器輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集分析儀連接，多通道數(shù)據(jù)采集分析儀將提取后的數(shù)據(jù)通過保存后傳送到計(jì)算機(jī)；

(2)采用核回歸分解方法對(duì)加速度傳感器所測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，核回歸分解方法：

(2.1)首先將多通道數(shù)據(jù)采集分析儀得到的數(shù)據(jù)作為原始信號(hào)用高斯核函數(shù)進(jìn)行第一次核回歸處理得到一個(gè)殘余變量，所用核回歸分解的公式為：

式中：f∑,1(t)為原始信號(hào)，f∑,1(ti)為核函數(shù)中心，λ1為帶寬參數(shù)，f∑,2(t)為

核回歸變換后得到的新信號(hào)，k1為高斯核函數(shù)；

(2.2)然后將所得的殘余變量與原信號(hào)相減得到一個(gè)新的分量表示為第一個(gè)殘余分量，然后對(duì)f∑,2(t)再進(jìn)行核回歸公式處理，以此類推不斷得到新的殘余分量，但所有的分解并不是無(wú)窮盡的分解，當(dāng)滿足我們給定的標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止分解，其公式為:

式中:t為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，cj(t)為用核回歸得到的分量；當(dāng)滿足上式中設(shè)定的閾值，核回歸處理停止進(jìn)行下一步分析；

然后，對(duì)于沒有處理完整導(dǎo)致的每一個(gè)新的殘余分量中所包含了一些多余的信息進(jìn)行軟閾值處理，進(jìn)一步將所得的分量進(jìn)行消噪處理，其閾值公式為：

θj＝mad(cj(t))/0.6745(3)

式中：mad為平均絕對(duì)偏差；

(2.3)核回歸的最后一步就是將所有得到的殘余分量進(jìn)行重構(gòu)，通過將所有的殘余分量進(jìn)行累加之后得到新的信號(hào)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和精細(xì)故障診斷；

(3)最后將所有的分量疊加得到新的信號(hào)之后進(jìn)行希爾伯特包絡(luò)譜分析，在時(shí)頻轉(zhuǎn)換中得出滾動(dòng)軸承故障信息。

進(jìn)一步設(shè)置是所述步驟(2.2)中公式(2)所設(shè)定的核回歸處理停止的閾值為0.2。

本發(fā)明還提供一種基于核回歸分解方法的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，包括有用于安裝待測(cè)滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)軸、用于驅(qū)動(dòng)位于傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力單元、設(shè)置于待測(cè)軸承的軸承座上用于采集待測(cè)滾軸軸承加速度數(shù)據(jù)的加速度傳感器、以及多通道數(shù)據(jù)采集分析儀和計(jì)算機(jī)，加速度傳感器輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集分析儀連接，多通道數(shù)據(jù)采集分析儀將提取后的數(shù)據(jù)通過保存后傳送到計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)中采用核回歸分解方法對(duì)加速度傳感器所測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，核回歸分解方法：

首先將多通道數(shù)據(jù)采集分析儀得到的數(shù)據(jù)作為原始信號(hào)用高斯核函數(shù)進(jìn)行第一次核回歸處理得到一個(gè)殘余變量，所用核回歸分解的公式為：

式中：f∑,1(t)為原始信號(hào)，f∑,1(ti)為核函數(shù)中心，λ1為帶寬參數(shù)，f∑,2(t)為核回歸變換后得到的新信號(hào)，k1為高斯核函數(shù)；

然后將所得的殘余變量與原信號(hào)相減得到一個(gè)新的分量表示為第一個(gè)殘余分量，然后對(duì)f∑,2(t)再進(jìn)行核回歸公式處理，以此類推不斷得到新的殘余分量，但所有的分解并不是無(wú)窮盡的分解，當(dāng)滿足我們給定的標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止分解，其公式為:

式中:t為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，cj(t)為用核回歸得到的分量；當(dāng)滿足上式中設(shè)定的閾值，核回歸處理停止進(jìn)行下一步分析；

然后，對(duì)于沒有處理完整導(dǎo)致的每一個(gè)新的殘余分量中所包含了一些多余的信息進(jìn)行軟閾值處理，進(jìn)一步將所得的分量進(jìn)行消噪處理，其閾值公式為：

θj＝mad(cj(t))/0.6745(3)

式中：mad為平均絕對(duì)偏差；

核回歸的最后一步就是將所有得到的殘余分量進(jìn)行重構(gòu)，通過將所有的殘余分量進(jìn)行累加之后得到新的信號(hào)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和精細(xì)故障診斷；

最后將所有的分量疊加得到新的信號(hào)之后進(jìn)行希爾伯特包絡(luò)譜分析，在時(shí)頻轉(zhuǎn)換中得出滾動(dòng)軸承故障信息。

進(jìn)一步設(shè)置是動(dòng)力單元包括有電機(jī)，電機(jī)的輸出軸通過皮帶傳動(dòng)單元與傳動(dòng)軸傳動(dòng)連接，所述的傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器安裝待測(cè)滾動(dòng)軸承。

本發(fā)明所采用的核回歸方法是一種新的數(shù)字信號(hào)處理方法，基于emd原理將首先將信號(hào)用核回歸技術(shù)分解成幾個(gè)尺度同時(shí)每個(gè)尺度又包含一定的特征信息，但每個(gè)尺度又包含了一些無(wú)用的信息。因此，結(jié)合軟閾值方法和標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)化本算法，以此來達(dá)到去噪聲的效果,最后應(yīng)用希爾伯特包絡(luò)譜方法將信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，通過對(duì)新的信號(hào)處理之后得到結(jié)果并判斷出故障信息。

通過實(shí)際的應(yīng)用，本發(fā)明在處理滾動(dòng)軸承故障信號(hào)中具有良好的效果，該方法更適于在機(jī)械系統(tǒng)中去噪和故障檢測(cè)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明具有傳輸性能好，速度快，操作簡(jiǎn)單，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器滾動(dòng)軸承的故障，具有良好的工程應(yīng)用效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。

圖1為本發(fā)明的核回歸分解方法故障診斷圖；

圖2為本發(fā)明的核回歸方法路線圖；

圖3為本發(fā)明軸承外圈故障信號(hào)的處理結(jié)果；

圖4為本發(fā)明軸承復(fù)合故障信號(hào)處理結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明所提到的方向和位置用語(yǔ)，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「內(nèi)」、「外」、「頂部」、「底部」、「?jìng)?cè)面」等，僅是參考附圖的方向或位置。因此，使用的方向和位置用語(yǔ)是用以說明及理解本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

如圖1至圖4所示，為本發(fā)明實(shí)施例中，包括電機(jī)、帶傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、故障軸承、加速度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集分析儀、pc機(jī)，圖1所述故障軸承通過電機(jī)、帶傳動(dòng)軸及聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸相連，加速度傳感器固定在測(cè)試軸承軸承座上，加速度傳感器輸出端與多通道數(shù)據(jù)采集分析儀連接，分析儀將提取后的數(shù)據(jù)通過保存后傳送到計(jì)算機(jī)，本實(shí)施例該計(jì)算機(jī)采用傳統(tǒng)的x86或x64的pc機(jī)，pc機(jī)結(jié)合核回歸分解技術(shù)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)。操作步驟如下：

(1)首先選擇數(shù)據(jù)采集器，本發(fā)明采用加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，該加速度傳感器安裝在待測(cè)軸承的軸承座上，采樣頻率一般為25600hz，根據(jù)傳感器具體的參數(shù)設(shè)定，在圖2實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果后實(shí)時(shí)傳入pc機(jī)中。

(2)其次本發(fā)明將采用核回歸分解方法對(duì)加速度傳感器所測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理。核回歸分解方法：

首先將多通道數(shù)據(jù)采集分析儀得到的數(shù)據(jù)作為原始信號(hào)用高斯核函數(shù)進(jìn)行第一次核回歸處理得到一個(gè)殘余變量，所用核回歸分解的公式為：

式中：f∑,1(t)為原始信號(hào)，f∑,1(ti)為核函數(shù)中心，λ1為帶寬參數(shù)，f∑,2(t)為核回歸變換后得到的新信號(hào)，k1為高斯核函數(shù)。

然后將所得的殘余變量與原信號(hào)相減得到一個(gè)新的分量表示為第一個(gè)殘余分量，然后對(duì)f∑,2(t)再進(jìn)行核回歸公式處理，以此類推不斷得到新的殘余分量。但所有的分解并不是無(wú)窮盡的分解，當(dāng)滿足我們給定的標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止分解。其公式為:

式中:t為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，cj(t)為用核回歸得到的分量。當(dāng)滿足上式中設(shè)定的閾值，一般我們?cè)O(shè)為0.2時(shí)，核回歸處理停止進(jìn)行下一步分析。

除此之外，在上述處理過程中有可能沒有處理完整，每一個(gè)新的殘余分量中又包含了一些多余的信息，因此本發(fā)明借鑒emd的方法進(jìn)行軟閾值處理，進(jìn)一步將所得的分量進(jìn)行消噪處理。其閾值公式為：

θj＝mad(cj(t))/0.6745(3)

式中：mad為平均絕對(duì)偏差。

核回歸的最后一步就是將所有得到的殘余分量進(jìn)行重構(gòu)，通過將所有的殘余分量進(jìn)行累加之后得到新的信號(hào)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和精細(xì)故障診斷。

(3)最后將所有的分量疊加得到新的信號(hào)之后進(jìn)行希爾伯特包絡(luò)譜分析，在時(shí)頻轉(zhuǎn)換中得出軸承故障信息。具體操作流程參考如圖2所示。

如圖1中，所述的核回歸分解技術(shù)軸承故障診斷系統(tǒng)，故障信息由加速度傳感器采集。

如圖1中加速度傳感器安裝在故障軸承上，放置在測(cè)試軸承的軸承座上，進(jìn)行徑向方向的振動(dòng)信號(hào)采樣。

如圖1中多通道數(shù)據(jù)采集分析儀型號(hào)為avant-mi-7016，有16個(gè)通道，每個(gè)通道具有信號(hào)采集、抽取、濾波、、信號(hào)源輸出的功能，使本系統(tǒng)在硬件上變得更加可靠且簡(jiǎn)化了許多信號(hào)處理的中間步驟，實(shí)用方便。

參看圖1，圖1為本發(fā)明所提供的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)框圖。

滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)用于檢測(cè)滾動(dòng)軸承的故障現(xiàn)象，并將故障振動(dòng)信號(hào)上傳到pc機(jī)。具體的方案中，電機(jī)帶動(dòng)帶傳動(dòng)，聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速提供到模擬的試驗(yàn)臺(tái)中，并通過故障軸承上加速度傳感器采集參數(shù)信號(hào)，將這些采集的參數(shù)信號(hào)通過核回歸方法進(jìn)行處理，從而判別出設(shè)備的狀況，對(duì)這種設(shè)備狀況的描述即為故障現(xiàn)象，如軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體等故障現(xiàn)象。具體的計(jì)算方法可以下列公式計(jì)算：

外圈故障公式：

內(nèi)圈故障公式：

滾動(dòng)體故障公式：

式中：fr為旋轉(zhuǎn)頻率，n為軸承滾動(dòng)體數(shù)，φ為徑向方向接觸角，d為滾動(dòng)體平均直徑，d為軸承的平均直徑。

實(shí)例案例1：

如圖3所示是通過該滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)所處理得到的結(jié)果圖，根據(jù)現(xiàn)有的軸承信息可以計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中軸承外圈的故障頻率為91.15hz，從圖中可以快速地辨別故障的頻率為87.5hz與理論值相近，其中29.8hz為該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，可以判定此滾動(dòng)軸承的故障類型為軸承外圈故障。

實(shí)施案例2：

在實(shí)例1的基礎(chǔ)上，本實(shí)施案例2將進(jìn)一步處理更加復(fù)雜的軸承故障，通過計(jì)算本實(shí)驗(yàn)中故障軸承為復(fù)合故障包括軸承內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體故障。通過對(duì)測(cè)試軸承的數(shù)據(jù)計(jì)算可以得到內(nèi)圈的故障頻率為197.05hz，外圈故障頻率為121.51hz，滾動(dòng)體故障為79.25hz。從圖4中可以得出頻率為120hz與外圈故障匹配,160hz與滾動(dòng)體故障的二倍頻符合,202.5hz與內(nèi)圈故障基本符合。從而進(jìn)一步說明本發(fā)明具有較好的處理效果，值得推廣應(yīng)用。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，如rom/ram、磁盤、光盤等。

以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。