本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機械故障檢測和診斷領域，具體涉及一種滾動軸承早期故障實時檢測方法。

背景技術：

1、旋轉(zhuǎn)機械設備已被廣泛應用于工業(yè)和生活領域。常見的旋轉(zhuǎn)機械設備包括發(fā)動機、電機和變速箱等。旋轉(zhuǎn)機械設備在長期工作過程中，不可避免地會出現(xiàn)退化和故障，其中由軸承故障引起的旋轉(zhuǎn)機械設備故障最常見。為了及時了解軸承健康狀況和避免軸承故障對整個旋轉(zhuǎn)機械設備工作性能的影響，有必要對軸承早期故障進行實時檢測。

2、目前，現(xiàn)存的軸承早期故障實時檢測技術通常采用固定采樣頻率連續(xù)采集軸承健康狀態(tài)數(shù)據(jù)。固定采樣頻率連續(xù)采集數(shù)據(jù)則假定軸承退化速率在服役期間是不變的。實際上，軸承的退化速率在其服役期間是變化的。軸承在其服役期間出現(xiàn)故障的概率也是變化的。因此，基于固定采樣頻率的軸承早期故障檢測方法會采集較多的數(shù)據(jù)量，從而增加數(shù)據(jù)傳輸、處理、存貯等方面的費用。盡管可以通過降低采樣頻率解決上述問題，但是，較低的采樣頻率可能降低早期故障檢測的可靠性和靈敏度。

3、另外，旋轉(zhuǎn)機械設備可能在不同的轉(zhuǎn)速下工作，工作轉(zhuǎn)速的變化會引起故障頻率的變化。從單一采樣頻率采集的數(shù)據(jù)中，可能無法高效地抽取故障特征。

4、為了克服現(xiàn)存故障檢測方法的缺點，本發(fā)明專利公布一種滾動軸承早期故障實時檢測方法。本發(fā)明專利公布的方法考慮到軸承的退化規(guī)律，自適應地確定轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)，即在軸承退化較輕微時期，采用較大的采樣間隔，從而在轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)獲得較少的采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)；而在軸承退化較嚴重時期，采用較小的采樣間隔，從而在轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)獲得較多的采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)?？紤]到軸承的退化規(guī)律，本發(fā)明專利設計了自適應確定轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)的故障檢測方法。另外，為了可靠和靈敏地識別電機軸承早期故障，本發(fā)明專利引入累積和cusum技術，通過累積自適應獲取數(shù)據(jù)中的微弱故障信息來識別早期故障。本發(fā)明專利在確保軸承早期故障檢測可靠性的情況下降低了數(shù)據(jù)采集量，有效地降低了數(shù)據(jù)的傳輸、儲存和處理費用，提高了早期故障檢測的靈敏度和可靠性。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對背景技術中指出的問題，本發(fā)明公開了一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，自適應地確定轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)，有效地降低數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理費用；另外，采用cusum技術累積微弱的故障信息，能夠提高軸承早期故障檢測的靈敏度和可靠性。

2、技術方案：本發(fā)明公開了一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，具體包括以下步驟：

3、步驟1：確定先驗知識；

4、步驟2：獲取n組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)；

5、步驟3：計算得出故障特征；

6、步驟4：累積故障特征包含的微弱故障信息，得到軸承故障指標；

7、步驟5：判斷是否產(chǎn)生早期故障和實現(xiàn)自適應數(shù)據(jù)獲取。

8、進一步地，所述步驟1中，先驗知識包括：振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置、轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0、最少個數(shù)nmin、最多個數(shù)nmax、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)l、故障特征均值m、閾值t。

9、進一步地，所述步驟1中，振動傳感器安裝在擬檢測軸承處，用于采集軸承振動數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸附近，用于測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

10、進一步地，根據(jù)權利要求1所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟1中，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0根據(jù)被檢測軸承健康狀態(tài)而定；當被檢測軸承為全新軸承時，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0設定為最少個數(shù)nmin；當被檢測軸承健康狀態(tài)未知時，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0設定為其中，round()為四舍五入函數(shù)，所得結(jié)果為整數(shù)；轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)l為在一個檢測時間窗口內(nèi)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)，也可以看作為時間窗口長度；故障特征均值m為軸承無故障時故障特征的平均值；閾值t為預設的軸承故障指標臨界值。

11、進一步地，所述步驟2中，根據(jù)轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)n獲取n組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)x＝[x1，x2，x3，…，xi，…，xn]；由于數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)為l，因此數(shù)據(jù)x中每組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)長度均為l；針對第i組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)xi，其可以表示為xi＝[x(i),x(i+n),x(i+2n),…,x(i+(l-1)n)]。

12、進一步地，所述步驟2中，周期同步單點采樣數(shù)據(jù)x的組數(shù)n在第一個檢測時間窗口內(nèi)為初始個數(shù)n0，而在后續(xù)檢測時間窗口內(nèi)根據(jù)軸承故障指標來自適應確定。

13、進一步地，所述步驟3中，分別計算n組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)的標準差z，并將其看作為故障特征，

14、z＝[z(1),z(2),z(3),…,z(i),…,z(n)]t，

15、其中，

16、進一步地，所述步驟4中，利用累積和cusum技術累積故障特征z包含的微弱故障信息得到累積和c，將累積和c的最終值c(n)記作為軸承故障指標w；在cusum方法計算過程中設定故障特征均值m作為期望值，對于數(shù)據(jù)z中的每個數(shù)據(jù)，計算其與均值m之間的差值得到數(shù)據(jù)q，

17、q＝[q(1),q(2),q(3),…,q(i),…q(n)]t，

18、其中q(i)＝z(i)-m；計算數(shù)據(jù)q的累積和c，

19、c＝[c(1),c(2),c(3),…,c(i),…,c(n)]，

20、其中，c(i)＝max(c(i-1)+q(i),0)，c(0)＝0，將累積和c的最終值c(n)記作為軸承故障指標w。

21、進一步地，所述步驟5中，將軸承故障指標w與閾值t對比，如果軸承故障指標w小于閾值t，則判定為無故障，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)n自適應地調(diào)整為并返回步驟2繼續(xù)進行早期故障檢測；如果軸承故障指標w大于等于閾值t，則認為已出現(xiàn)早期故障。

22、有益效果：

23、1.本發(fā)明方法公布了一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，克服了現(xiàn)存軸承故障實時檢測方法的缺點，可以自適應地確定轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)。在保證故障檢測可靠性的情況下，有效地減少了數(shù)據(jù)采集量，進而降低了數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲費用。

24、2.本發(fā)明方法利用cusum技術累積自適應獲取數(shù)據(jù)中的微弱故障信息，可以提高早期故障檢測的可靠性與靈敏度。

25、3.本發(fā)明方法的計算復雜度較低，可以采用處理速度較低的控制單元，從而降低了控制單元成本。

26、4.本發(fā)明方法不受旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)速的影響。

技術特征：

1.一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟1中，先驗知識包括：振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置、轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0、最少個數(shù)nmin、最多個數(shù)nmax、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)l、故障特征均值m、閾值t。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟1中，振動傳感器安裝在擬檢測軸承處，用于采集軸承振動數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸附近，用于測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟1中，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0根據(jù)被檢測軸承健康狀態(tài)而定；當被檢測軸承為全新軸承時，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0設定為最少個數(shù)nmin；當被檢測軸承健康狀態(tài)未知時，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點初始個數(shù)n0設定為其中，round()為四舍五入函數(shù)，所得結(jié)果為整數(shù)；轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)l為在一個檢測時間窗口內(nèi)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)，也可以看作為時間窗口長度；故障特征均值m為軸承無故障時故障特征的平均值；閾值t為預設的軸承故障指標臨界值。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟2中，根據(jù)轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)n獲取n組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)x＝[x1，x2，x3，…，xi，…，xn]；由于數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)為l，因此數(shù)據(jù)x中每組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)長度均為l；針對第i組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)xi，其可以表示為xi＝[x(i),x(i+n),x(i+2n),…,x(i+(l-1)n)]。

6.根據(jù)權利要求5所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟2中，周期同步單點采樣數(shù)據(jù)x的組數(shù)n在第一個檢測時間窗口內(nèi)為初始個數(shù)n0，而在后續(xù)檢測時間窗口內(nèi)根據(jù)軸承故障指標來自適應確定。

7.根據(jù)權利要求6所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟3中，分別計算n組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)的標準差z，并將其看作為故障特征，

8.根據(jù)權利要求7所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟4中，利用累積和cusum技術累積故障特征z包含的微弱故障信息得到累積和c，將累積和c的最終值c(n)記作為軸承故障指標w；在cusum方法計算過程中設定故障特征均值m作為期望值，對于數(shù)據(jù)z中的每個數(shù)據(jù)，計算其與均值m之間的差值得到數(shù)據(jù)q，

9.根據(jù)權利要求8所述的一種滾動軸承早期故障實時檢測方法，其特征在于，所述步驟5中，將軸承故障指標w與閾值t對比，如果軸承故障指標w小于閾值t，則判定為無故障，將轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)周期內(nèi)同步采樣數(shù)據(jù)點個數(shù)n自適應地調(diào)整為并返回步驟2繼續(xù)進行早期故障檢測；如果軸承故障指標w大于等于閾值t，則認為已出現(xiàn)早期故障。

技術總結(jié)
本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)機械故障檢測和診斷領域，公開了一種滾動軸承早期故障實時檢測方法。本發(fā)明方法包括：確定先驗知識；獲取N組周期同步單點采樣數(shù)據(jù)；計算得出故障特征；累積故障特征包含的微弱故障信息，得到軸承故障指標；判斷是否產(chǎn)生早期故障和實現(xiàn)自適應數(shù)據(jù)獲取。本發(fā)明利用累積和CUSUM技術累積故障特征包含的微弱故障信息，提高早期故障檢測的可靠性與靈敏度，在保證故障檢測可靠性的情況下，有效地降低了數(shù)據(jù)采集量，進而降低了數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲費用。

技術研發(fā)人員：蔣威,趙艷青,仇璟,王旭,陳彪,陳鋼,朱俊,張銳,包海濤,陳勇,宋新剛
受保護的技術使用者：淮陰工學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9