利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，涉及粒子濾波 降噪處理以及譜峭度計(jì)算。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備尤其是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中重要的零部件之一，但是其壽命的隨機(jī)性 較大，容易損壞，目前還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其壽命的長(zhǎng)短。近年來(lái)，科技和工業(yè)生產(chǎn)都在快速的 發(fā)展，機(jī)械設(shè)備逐漸向高速化、大型化和自動(dòng)化發(fā)展，這在提高生產(chǎn)力的同時(shí)對(duì)設(shè)備的安全 維護(hù)也提出了更高的要求，在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)一個(gè)微小的問(wèn)題都將造成不可挽回的巨額損 失。鑒于滾動(dòng)軸承在機(jī)械設(shè)備中的地位，可以得出滾動(dòng)軸承能否正常運(yùn)行工作關(guān)系著機(jī)械 設(shè)備乃至生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而掌握滾動(dòng)軸承運(yùn)行的工作狀態(tài)以及故障的形成和發(fā)展， 是目前機(jī)械故障診斷領(lǐng)域中所研宄的重要課題之一。
[0003] 根據(jù)故障診斷技術(shù)機(jī)理的不同，診斷滾動(dòng)軸承故障的常用方法有振動(dòng)分析法、噪 聲分析法、油樣分析法、溫度分析法、油膜電阻法、聲發(fā)射診斷等。這些分析方法中，振動(dòng)分 析法是運(yùn)用最廣泛的一種方法。振動(dòng)信號(hào)包含豐富的設(shè)備異常或故障的信息，通過(guò)對(duì)振動(dòng) 信號(hào)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和分析，可以判斷機(jī)械系統(tǒng)及其部件是否正常運(yùn)行，并以此確定機(jī)械 故障產(chǎn)生的原因，判斷故障產(chǎn)生的具體部位和損傷程度。較常用的振動(dòng)診斷方法有倒頻譜 分析、特征參數(shù)分析法、沖擊脈沖法、包絡(luò)分析法、小波分析等。雖然診斷方法很多，但是對(duì) 早期的微弱故障診斷仍然是一個(gè)難題。因?yàn)樵诠收显缙冢桀l段信號(hào)能量非常微弱、特征 信號(hào)成分極易被噪聲和其他頻段信號(hào)俺沒(méi)，未經(jīng)任何處理的原始頻段微弱信號(hào)中很難提取 出有用的特征信號(hào)成分，如何提取被淹沒(méi)在噪聲無(wú)用頻段內(nèi)的微弱故障特征信號(hào)是目前國(guó) 內(nèi)外研宄焦點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 振動(dòng)信號(hào)是典型的非平穩(wěn)、非線性的時(shí)序信號(hào)，粒子濾波在解決非線性濾波問(wèn)題 時(shí)，隨機(jī)量不會(huì)受到高斯分布的制約，比高斯模型具有更廣泛的分布，對(duì)非線性特性有很強(qiáng) 的建模能力。本發(fā)明提供了一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，解決了 普通的快速譜峭度方法難以實(shí)現(xiàn)在低信噪比的情況下診斷出軸承故障的問(wèn)題。
[0005] 一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，具體過(guò)程如下：
[0006] 粒子濾波是以狀態(tài)空間方程為主對(duì)信號(hào)濾波，所以首先要建立軸承振動(dòng)信號(hào)的狀 態(tài)空間方程。對(duì)于一個(gè)非線性、非高斯系統(tǒng)，狀態(tài)空間模型的一般表達(dá)式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1.利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，其特征在于如下步驟： (一） 濾波降噪，過(guò)程如下： (1) 初始化；由先驗(yàn)概率P(Xtl)產(chǎn)生粒子群，所有粒子權(quán)值為1/N ; (2) 更新；在k時(shí)刻，更新粒子權(quán)值，
并且歸一化權(quán)值
；則得k時(shí)刻未知參數(shù)X最小均方估計(jì)為
(3) 重采樣；得到新的粒子集合i 1W ; (4) 預(yù)測(cè)；利用狀態(tài)方程f預(yù)測(cè)未知參數(shù)<+1 ; (5) 時(shí)刻k = k+Ι，轉(zhuǎn)到步驟（2); (二） 濾波降噪之后，采用快速譜峭度的算法計(jì)算得到峭度圖，過(guò)程如下： (6) 構(gòu)造一個(gè)截止頻率f。= 1/8+ ε的低通濾波器h(n)，其中f s= 1，ε > O ;低通濾 波器的截止頻率增大ε是為了消除過(guò)度帶的影響；基于h(n)構(gòu)造準(zhǔn)解析低通濾波器hQ(η) 和準(zhǔn)解析高通濾波器h (η)，其分析頻帶分別為[0, 0. 25]、[0. 25, 0. 5]，即：
(7) 分別以Iitl (η)和Ill (η)進(jìn)行低通和高通濾波，對(duì)濾波結(jié)果做2倍降采樣；如此迭代 進(jìn)行，獲得濾波器樹(shù)及相應(yīng)的濾波結(jié)果；其中4(?)表示第k層第i個(gè)濾波器產(chǎn)生的濾波結(jié) 果，其中i取值為〇到2 k-l ;同時(shí)<(?)也是信號(hào)在中心頻帶A= (1+2)21^1和帶寬（Af) k =2H的復(fù)包絡(luò)，2倍降采樣是保證濾波器每一層中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與原始數(shù)據(jù)相同； (8) 對(duì)于每一個(gè)濾波器結(jié)果，按照式
計(jì)算峭度：
(9) 將所有的譜峭度匯總，從而得到"快速譜峭度圖"； (10) 選擇角度最大的頻帶做解調(diào)分析，計(jì)算功率譜得到頻譜圖。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用粒子濾波與譜峭度的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，涉及粒子濾波降噪處理以及譜峭度計(jì)算。該方法提出了在快速譜峭度的基礎(chǔ)上，利用粒子濾波降噪處理提高信噪比，解決了快速譜峭度在低信噪比情況下可行性差的問(wèn)題。首先建立振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)方程；然后提取背景噪聲，將其與狀態(tài)方程之和作為觀測(cè)方程；最后聯(lián)立狀態(tài)方程與觀測(cè)方程建立狀態(tài)空間模型；采用粒子濾波算法對(duì)信號(hào)重新估計(jì)，得到新的序列即是降噪之后的信號(hào)；最后用快速譜峭度的方法，獲取最佳分析頻帶，得出故障頻率。本發(fā)明的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，降低故障信號(hào)中的噪聲干擾，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承早期微弱故障的診斷。
【IPC分類】G01M13-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104677632
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031512
【發(fā)明人】李宏坤, 任遠(yuǎn)杰
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日