基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和emd的滾動軸承故障檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及滾動軸承故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和 EMD的滾動軸承故障檢測方法。 技術(shù)背景
[0002] 滾動軸承是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械零件之一，同時也是機(jī)械設(shè)備中最容易損壞的元件 之一，它的運(yùn)行狀況直接影響整臺設(shè)備的功能。據(jù)不完全統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械 中，大約有30%的機(jī)械故障都是由軸承引起的。軸承產(chǎn)生故障的原因有疲勞剝落、磨損、塑 性變形、銹蝕、斷裂、膠合以及保持架損壞等。如果不及時診斷軸承早期故障，將導(dǎo)致機(jī)器設(shè) 備產(chǎn)生嚴(yán)重故障，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，診斷出軸承的早期故障特征對避免嚴(yán)重 故障的發(fā)生，保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。然而，早期故障的特征本身是 很微弱的，實(shí)現(xiàn)早期故障微弱特征的提取極具挑戰(zhàn)性。
[0003] 在軸承故障診斷領(lǐng)域，利用現(xiàn)代信號處理方法對軸承故障進(jìn)行處理，從含有噪聲 的信號中準(zhǔn)確提取故障特征信號，是當(dāng)前故障診斷的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有特征提取方法大多是 從消除噪聲的角度出發(fā)來檢測故障特征，已經(jīng)在微弱特征提取和故障診斷中表現(xiàn)出了優(yōu)良 的特性，然而對于噪聲重度污染的微弱特征信號，一味的降噪雖然在一定程度上降低了噪 聲，但也削弱了特征信號，效果不理想。
[0004] 隨機(jī)共振是一種利用噪聲來增強(qiáng)微弱信號的新理論，它是以噪聲為媒介引起微弱 周期信號與非線性協(xié)同作用的非線性現(xiàn)象，已作為一種微弱特征提取方法，應(yīng)用到微弱信 號檢測領(lǐng)域。與傳統(tǒng)方法相比，它在削弱噪聲的同時強(qiáng)化微弱特征，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱 信號的檢測。然而，只有在輸入信號、噪聲和非線性系統(tǒng)之間滿足一定的匹配條件，才能產(chǎn) 生隨機(jī)共振現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)微弱特征的提取。
[0005] 實(shí)際在處理信噪比極低的微弱信號時，單一隨機(jī)共振的效果并不能達(dá)到我們的預(yù) 期目標(biāo)，會對診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和EMD的滾動 軸承故障檢測方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和EMD的滾動軸承故障檢測方法，該方法基于一種級 聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，所述級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)包括多個多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，其中，第一 級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為第二級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，第二級多穩(wěn)隨機(jī)共振系 統(tǒng)的輸出作為第三級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，以此類推，最后一級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的 輸出為級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出；該方法內(nèi)容包括以下步驟：
[0008] (1)計算待診斷機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率，提取待診斷機(jī)械設(shè)備的振動數(shù)據(jù)作為 級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為與振動數(shù)據(jù)相應(yīng)的振動 數(shù)據(jù)結(jié)果；對提取的振動數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，得到原始信號的頻譜，并確定頻譜中所 含的頻率成分；
[0009] (2)對多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行最佳選取，將振動信號引入一個級聯(lián)多穩(wěn)隨 機(jī)共振系統(tǒng)；所述多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)通過Langevin方程dx/dt = -dU (X)/dx+s (t) +n (t) 進(jìn)行描述；
[0010] 式中，U(x)為多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)勢能函數(shù)，
其中 a、b、c為參數(shù)；s (t)為微弱信號；Tl (t)是均值為0、方差為1、強(qiáng)度為D的白噪聲；調(diào)節(jié)其 參數(shù)a、b、c使其與輸入振動信號達(dá)到最佳匹配并且伴隨出現(xiàn)隨機(jī)共振現(xiàn)象；
[0011] (3)對級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的每一級輸出信號進(jìn)行傅里葉變換，取其頻譜，觀察 每一級頻譜中是否有故障特征頻率成分；為使提取特征信號的過程更加明確，對每一級多 穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出進(jìn)行傅里葉變換，觀察其頻譜中的頻率成分；
[0012] (4)將級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)最后一級的輸出作為級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸 出，對系統(tǒng)輸出進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，提取各個信號中含有的且與預(yù)知的故障特征頻率相符 頻率成分，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸饨Y(jié)果判斷該滾動軸承是否存在故障以及發(fā)生故障的部位。
[0013] 在步驟（4)中，所述將級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)最后一級的輸出作為級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī) 共振系統(tǒng)的輸出，對系統(tǒng)輸出進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，其?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾倪^程包括如下步驟：
[0014] a、將原始信號分解為有限個本征模函數(shù)：
式中，x(t)表 示原始信號；Cl表示第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；rn(t)為提取η個模式分量之后的殘余量；
[0015] 其中每一個基本模式分量代表了原始信號中包含的不同時間尺度的特征信號，也 就是一個漸進(jìn)的單頻信號，殘余量代表了原始數(shù)據(jù)中的趨勢量信息；
[0016] b、將分解出來的本征模函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，得到時-頻聯(lián)合譜圖，x(t)的 Hi Ibert變換可以表示為X (t)與1/ π t的卷積P . v .表示 取積分的主值。
[0017] 由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和EMD的滾動 軸承故障檢測方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：本發(fā)明利用多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng) 對時域波形降噪的優(yōu)良特性，首先對有噪信號進(jìn)行級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振輸出，能量逐漸由高 頻向低頻轉(zhuǎn)移的同時，使信號得到降噪，其中，前一級多穩(wěn)隨機(jī)共振的輸出作為后一級的輸 入，然后進(jìn)一步提取軸承故障的特征信號，對降噪后的信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，使EMD的物 理意義更加明確，實(shí)現(xiàn)了軸承機(jī)械故障的有效診斷。本發(fā)明克服了強(qiáng)噪聲背景下微弱信號 提取難的問題，使被噪聲淹沒的微弱故障信息得以放大，對滾動軸承的早期故障診斷具有 重要意義。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明所述一種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和EMD的滾動軸承故障檢測方法的 流程圖；
[0019] 圖2是原始信號的時域波形和頻譜圖；
[0020] 圖3是原始信號直接進(jìn)行EMD分解結(jié)果；
[0021] 圖4是級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)效果圖；
[0022] 圖5是1級級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振輸出的EMD分解結(jié)果；
[0023] 圖6是2級級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振輸出的EMD分解結(jié)果；
[0024] 圖7是3級級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振輸出的EMD分解結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0026] 本發(fā)明方法是基于一種級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，所述的級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)包 括多個隨機(jī)共振系統(tǒng)，其中，第一級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為第二級隨機(jī)共振系統(tǒng)的 輸入，第二級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為第三級隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，以此類推，最后一 級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出為級聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出。
[0027] 本發(fā)明的一種基于級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振和EMD的滾動軸承故障檢測方法步驟流程 圖如圖1所示，該方法具體包括以下步驟：
[0028] (1)計算待診斷機(jī)械設(shè)備的故障特征頻率，提取待診斷機(jī)械設(shè)備的振動數(shù)據(jù)作為 級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入，級聯(lián)多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為與振動數(shù)據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù) 結(jié)果；
[0029] 對提取的振動數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，得到原始信號的頻譜，并確定頻譜中所 含的頻率成分；
[0030] (2)對多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行最佳選取，調(diào)節(jié)參數(shù)a、b、c的大小使其與輸 入信號達(dá)到最佳匹配；
[0031] (3)對每一級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)輸出信號進(jìn)行傅里葉變換，取其頻譜，觀察每一級 頻譜中是否有故障特征頻率成分；
[0032] 為了使提取特征信號的過程更加明確，對每一級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出進(jìn)行傅 里葉變換，觀察其頻譜中的頻率成分。
[0033] (4)將最后一級多穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出作為級聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出，對系統(tǒng) 輸出進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，根?jù)EMD結(jié)果判斷該旋轉(zhuǎn)軸承是否存在故障以及發(fā)生故障的部 位。所述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾倪^程如下：
[0034] a、將原始信號分解為有限個本征模函數(shù)：
> 式中，x(t)表示 原始信號；Cl表示第i個本征模態(tài)函數(shù)分量；rn(t)為提取η個模式分量之后的殘余量；
[0035] 其中每一個基本模式分量代表了原始