小波分析在軸承故障診斷中的應(yīng)用

耿嘉潔（西南石油大學(xué)，四川 成都 610000）

小波分析在軸承故障診斷中的應(yīng)用

耿嘉潔（西南石油大學(xué)，四川 成都 610000）

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在石油、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用。其使用軸承來執(zhí)行各種子部件的旋轉(zhuǎn)或線性運動，同時減少摩擦和應(yīng)力。因此，軸承的實時監(jiān)控和診斷對于防止故障，提高安全性，避免生產(chǎn)裝配線的意外停機(jī)以及降低成本至關(guān)重要。我們提出了一種基于小波變換（DW T）的方法，用于分析來自滾動元件軸承的振動信號，以識別和多元化部件缺陷。實驗結(jié)果表明，DWT在軸承故障檢測和分類中獲得良好的準(zhǔn)確性和可靠性。

滾動軸承的性能-摩擦，使用壽命，剛度，速度等性能下降或完全故障可歸因于各種因素-軸承潤滑，軸承選擇，不正確的安裝以及其他各種材料或制造差異。其中40%的事件可歸因于某種形式的軸承故障[1]。因此，滾動軸承的實時監(jiān)測和診斷方法開發(fā)很有必要。

在本文中，我們研究的是加速度計接收到的振動信號。使用小波(Wavelet)變換對這些信號進(jìn)行分析，監(jiān)測和檢測。然后通過時域參數(shù)提取特征，如偏斜度，波峰因數(shù)，RMS和峰度。

1 信號檢測和變換

不同的軸承具有不同的轉(zhuǎn)速。根據(jù)軸承幾何形狀和轉(zhuǎn)速計算頻率可以得出如下所示的計算外圈缺陷和內(nèi)圈缺陷的公式:

在式(1)和(2)中，其中Nb是軸承數(shù)，Bd是球直徑，Pd是節(jié)圓直徑，β是接觸角，fs是軸頻率。

小波變換是聯(lián)合頻率和時間的方法[2]。在小波變換中，我們可以分解或重建信號，也可以消除噪聲。它基本上不需要窗口的傅里葉變換，基本信息在信號分量中以及窗口的寬度可以變化是它最重要的優(yōu)點。小波變換主要用于非平穩(wěn)瞬態(tài)信號分析。在傅里葉變換中，只有頻率信息可用，無需關(guān)注哪個是固定信號，而在短時傅里葉變換中，存在時間和頻率信息，但是窗口的寬度在這種情況下放大限制，因此需要進(jìn)行小波變換。傅里葉級數(shù)和傅立葉變換不適用于某些應(yīng)用，所以在這種情況下，我們更多使用小波變換。

f（t）的連續(xù)小波變換（CWT）定義為

連續(xù)小波變換能夠通過多尺度分析提取信號的奇異點?；驹硎钱?dāng)信號在奇異點附近的Lipschitz指數(shù)a＞0時，其連續(xù)小波變換的模極大值隨尺度的增大而增大；當(dāng)a＜0時，則隨尺度的增大而減小。噪聲對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)遠(yuǎn)小于0，而信號邊沿對應(yīng)的Lipschitz指數(shù)大于或等于0。因此，利用小波變換可以區(qū)分噪聲和信號邊沿，有效地檢測出強(qiáng)噪聲背景下的信號邊沿(奇變)。動態(tài)系統(tǒng)的故障通常會導(dǎo)致系統(tǒng)的觀測信號發(fā)生奇異變化，可以直接利用小波變換檢測觀測信號的奇異點，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)故障的檢測。

2 實驗分析

本研究中使用的實驗裝置是0.25HP-PMDC電機(jī)，負(fù)載為1-1.5KN，轉(zhuǎn)速為1980rpm。電機(jī)轉(zhuǎn)速由調(diào)節(jié)器變化。壓電加速度計安裝在PMDC電機(jī)上以測量振動。用于該測試的滾動軸承是SKF 6203 2RS（節(jié)距直徑=28.7mm，球直徑=6.747mm，球軸承數(shù)=8，接觸角=0）。我們通過改變電動機(jī)中的滾動軸承，分析了4種軸承條件-內(nèi)圈缺陷，外圈缺陷，內(nèi)加外圈缺陷和正常軸承運行情況。使用EMD創(chuàng)建人為故障，以模擬外部和內(nèi)部競爭條件，并通過數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）NI-9232收集相應(yīng)的缺陷頻率。

從實驗裝置接收的振動信號實時饋送到LABVIEW。然后將這些信號轉(zhuǎn)換為時域并使用FFT繪制。對后續(xù)信號執(zhí)行DB4，DB8，Sym5和Sym8母小波變換，并將其分解為3級，并提取感興趣的信號。信號以1980rpm的速度進(jìn)行，每個具有2.5KHz采樣頻率和1KHz采樣率的不同軸承缺陷2mm。

外部信號分析速度為1980rpm，缺陷頻率為99Hz，頻率為198Hz時的1次諧波。外圈缺陷是三軸諧波的軸頻。外部頻率來自文獻(xiàn)[3]所述的第3軸頻率，因為在這種情況下，內(nèi)部頻率是在軸頻率上得到的。

3 結(jié)語

本文的目的是提出一種使用小波變換識別不同軸承缺陷的方法。我們的實驗裝置包括滾動元件軸承，負(fù)載安裝在恒定速度旋轉(zhuǎn)的PMDC電機(jī)和壓電加速度計上以測量振動信號。然后將這些信號在時域中繪制并構(gòu)建其FFT。用DB4，DB8，Sym5和Sym8波將信號進(jìn)一步分解為3級，以提取統(tǒng)計性能參數(shù)，如RMS，偏度，峰值和峰值。結(jié)果表明，我們的實驗裝置能夠使用小波分析可以診斷出滾動軸承的缺陷。

[1]舒賾,徐曉麗,賈民平等.大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)RMRDS的研制[J].制造業(yè)自動化，1999,21(6):39-41.

[2]周小勇,葉銀忠.小波分析在故障診斷中的應(yīng)用[J].控制工程,2006,13(1):70-73.

[3]趙慧敏,夏超英,肖云魁等.柴油發(fā)動機(jī)曲軸軸承振動信號的雙譜分析[J].振動、測試與診斷,2009,29(1):14-18,114.