基于SNRgram方法的滾動(dòng)軸承故障特征提取

劉妮娜

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通工程實(shí)踐中心，南京 210031)

滾動(dòng)軸承的健康狀態(tài)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、制造和加工以及運(yùn)輸具有重要影響[1]，其故障診斷在近年來(lái)受到越來(lái)越多的重視和關(guān)注。由于振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承損傷比較敏感，常通過(guò)分析滾動(dòng)軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)檢測(cè)其故障；然而，工業(yè)機(jī)械裝備運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，采集的振動(dòng)加速度信號(hào)受多種干擾噪聲的污染，增加了滾動(dòng)軸承故障診斷的難度。因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的信號(hào)處理方法以從嘈雜信號(hào)中提取故障特征成為研究熱點(diǎn)。

包絡(luò)分析是常用的滾動(dòng)軸承故障診斷方法，共振頻帶選擇的準(zhǔn)確與否決定著診斷效果，如何識(shí)別含有豐富故障相關(guān)成分的共振頻帶是核心問(wèn)題?？焖偾投葓D(Fast Kurtogram)是一種典型的共振頻帶識(shí)別方法[2]，但峭度容易受到隨機(jī)脈沖的干擾，在振動(dòng)信號(hào)包含強(qiáng)隨機(jī)脈沖時(shí)識(shí)別的共振頻帶傾向于包含隨機(jī)脈沖而不是周期性故障脈沖。為提升高斯噪聲和隨機(jī)脈沖干擾情況下的共振頻帶識(shí)別性能：文獻(xiàn)[3]采用帶通濾波信號(hào)包絡(luò)譜的峭度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)提出了Protrugram方法；文獻(xiàn)[4]采用帶通濾波信號(hào)功率譜的峭度作為軸承故障信息的評(píng)價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[5]將帶通濾波信號(hào)功率譜的稀疏度作為共振頻帶的識(shí)別指標(biāo)；這些方法提高了低信噪比情況下共振頻帶識(shí)別的準(zhǔn)確性，但頻域的峭度或稀疏度容易受離散諧波的干擾而誤導(dǎo)共振頻帶辨識(shí)。在快速峭度圖法的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]以平方包絡(luò)的負(fù)熵和平方包絡(luò)譜的負(fù)熵作為評(píng)價(jià)指標(biāo)并提出了信息圖法(Infogram)用于共振頻帶識(shí)別，雖然其頻帶識(shí)別性能優(yōu)于快速峭度圖法，但平方包絡(luò)信號(hào)的負(fù)熵同樣對(duì)隨機(jī)脈沖敏感且平方包絡(luò)譜的負(fù)熵也容易受到離散諧波的干擾，導(dǎo)致信息圖法對(duì)強(qiáng)隨機(jī)脈沖和離散諧波的魯棒性差。為增強(qiáng)周期性脈沖特征的提?。何墨I(xiàn)[7]引入窄帶濾波信號(hào)的包絡(luò)諧波噪比評(píng)估軸承故障脈沖進(jìn)而辨識(shí)共振頻帶；文獻(xiàn)[8]提出基于平方包絡(luò)譜相關(guān)峭度的共振頻帶識(shí)別方法；這2個(gè)評(píng)估指標(biāo)都借助自相干函數(shù)的周期性檢測(cè)特性評(píng)估軸承故障相關(guān)成分，但包絡(luò)諧波噪比無(wú)法有效評(píng)估強(qiáng)背景噪聲中隱藏的軸承故障特征信息，而信號(hào)的包絡(luò)譜則不具備嚴(yán)格的周期性。因此，有必要開(kāi)發(fā)對(duì)背景噪聲、隨機(jī)脈沖和離散諧波魯棒性強(qiáng)的故障信息評(píng)估指標(biāo)和共振頻帶識(shí)別方法。

為提高強(qiáng)背景噪聲和隨機(jī)脈沖情況下軸承故障診斷的性能，引入基于包絡(luò)譜的信噪比測(cè)度作為軸承故障信息的評(píng)估指標(biāo)，從頻域的角度量化窄帶濾波信號(hào)中包含的軸承故障特征信息；并進(jìn)一步提出了基于信噪比測(cè)度的共振頻帶識(shí)別方法(SNRgram)，用于滾動(dòng)軸承的故障診斷。

1 信息圖法

在基于包絡(luò)分析的軸承故障診斷中，通常先根據(jù)一定準(zhǔn)則確定一個(gè)包含豐富故障信息的共振頻帶，然后對(duì)帶通濾波信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析以識(shí)別軸承故障。共振頻帶的識(shí)別是包絡(luò)分析方法的核心且決定了軸承故障檢測(cè)的性能。信息圖法采用1/3-二叉樹(shù)濾波器組對(duì)振動(dòng)信號(hào)的全頻帶[0,fs/2]進(jìn)行劃分(fs為信號(hào)采樣頻率)，在第i分解水平(i=0,1,1.6,2,2.6,3,…)，全頻帶被分解為2i個(gè)寬度相同的窄頻帶，每個(gè)頻帶的帶寬為fs/2i+1。假設(shè)x(n)為一個(gè)離散振動(dòng)加速度信號(hào)(n=0,1,2,…,N-1)，N為信號(hào)長(zhǎng)度，分解水平為i時(shí)，第b個(gè)窄頻帶的帶通濾波信號(hào)可以表示為

xi,b(n)=Fi,b{x(n)}，

(1)

式中：Fi,b{·}為分解水平為i時(shí)由第b個(gè)窄頻帶構(gòu)造的帶通濾波器。

基于希爾伯特變換H{·}，窄帶濾波信號(hào)xi,b(n)的平方包絡(luò)可以表示為

ai,b(n)=│xi,b(n)+jH{xi,b(n)}│2，

(2)

基于離散傅里葉變換T{·}，窄帶濾波信號(hào)xi,b(n)的平方包絡(luò)譜為

Ai,b(fn)=│T{ai,b(n)}│，

(3)

因此，分解水平為i時(shí)第b個(gè)窄頻帶的帶通濾波信號(hào)的平方包絡(luò)譜的負(fù)熵(Negentropy, NE)為[6]

(4)

式中：fn為平方包絡(luò)譜的第n個(gè)譜頻率；〈·〉為平均值算子。

遍歷所有窄頻帶即可得到不同中心頻率和帶寬的帶通濾波信號(hào)的負(fù)熵值，進(jìn)而構(gòu)造由中心頻率和帶寬表征的二維圖(即信息圖)，然后根據(jù)最大負(fù)熵值選擇最優(yōu)的帶通濾波信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析以檢測(cè)滾動(dòng)軸承故障。然而，在實(shí)際工業(yè)場(chǎng)景下，采集的軸承振動(dòng)信號(hào)通常受到復(fù)雜干擾噪聲的污染，信息圖法對(duì)強(qiáng)隨機(jī)脈沖和離散諧波的魯棒性較差，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別包含豐富軸承故障信息的共振頻帶。

2 SNRgram方法

為提高共振頻帶識(shí)別的準(zhǔn)確性，引入基于包絡(luò)譜的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)測(cè)度作為軸承故障信息的評(píng)估指標(biāo)，進(jìn)一步用于識(shí)別包含豐富軸承故障相關(guān)成分的共振頻帶。鑒于1/3-二叉樹(shù)濾波器組具有較高的計(jì)算效率和較好的頻帶劃分性能，本文采用1/3-二叉樹(shù)濾波器組對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻帶劃分和帶通濾波處理。分解水平為i時(shí)分解得到的第b個(gè)窄頻帶的濾波信號(hào)的平方包絡(luò)譜的SNR定義為[9]

(5)

αk=(fn│kfc-δΔf

式中：αk為離散頻率組成的集合；fc為軸承故障特征頻率；Δf為包絡(luò)譜的頻率分辨率；δ為一個(gè)小的正整數(shù)；K為故障特征頻率的諧波數(shù)量；fM為感興趣的頻率范圍的最大值；M為譜頻率的數(shù)量。在本研究中，δ=3，K=3，fM設(shè)置為覆蓋前3階軸承故障特征頻率。

遍歷所有的窄頻帶可以評(píng)估不同中心頻率和帶寬得到的帶通濾波信號(hào)中包含的軸承故障特征信息(即SNR值)，進(jìn)而可以構(gòu)造一個(gè)由中心頻率和帶寬表征的二維圖。本文以SNR為導(dǎo)向識(shí)別信號(hào)的共振頻帶，命名為SNRgram，則基于SNRgram的包絡(luò)分析方法的主要實(shí)施步驟如下：

1)設(shè)置合適的采樣頻率，利用振動(dòng)加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集軸承振動(dòng)加速度信號(hào)。

2)設(shè)置合適的分解水平，使用1/3-二叉樹(shù)濾波器組分解軸承振動(dòng)加速度信號(hào)，得到一組具有不同中心頻率和帶寬的窄帶濾波信號(hào)。

3)根據(jù)(2)式和(3)式計(jì)算每個(gè)窄帶濾波信號(hào)的平方包絡(luò)譜，根據(jù)軸承參數(shù)計(jì)算其故障特征頻率，根據(jù)(5)式計(jì)算每個(gè)窄帶濾波信號(hào)的SNR，得到不同中心頻率和帶寬的窄帶濾波信號(hào)中軸承故障特征信息的評(píng)估結(jié)果，即SNR值。

4)由不同中心頻率和帶寬的窄帶濾波信號(hào)的SNR值構(gòu)造二維圖SNRgram，根據(jù)最大SNR準(zhǔn)則選擇具有最大SNR的窄帶濾波信號(hào)并將其作為最優(yōu)的解調(diào)濾波信號(hào)。

5)根據(jù)(2)式和(3)式計(jì)算最優(yōu)帶通濾波信號(hào)的平方包絡(luò)譜并與軸承故障特征頻率進(jìn)行分析對(duì)比，檢測(cè)故障特征頻率及其諧波的譜線以識(shí)別滾動(dòng)軸承故障。

3 仿真分析

構(gòu)建仿真信號(hào)x(t)[5,9]驗(yàn)證SNRgram方法在滾動(dòng)軸承故障診斷中的性能，即

x(t)=x1(t)+x2(t)+x3(t)+n(t)，

(6)

(7)

(8)

(9)

將信噪比-15 dB的高斯白噪聲添加到仿真信號(hào)中增加故障特征提取的難度。軸承故障脈沖分量的共振頻率和脈沖重復(fù)頻率(即故障特征頻率)分別為4 800 ，71 Hz，隨機(jī)脈沖分量的共振頻率為8 000 Hz，假設(shè)信號(hào)的采樣頻率為20 kHz，采樣長(zhǎng)度為1 s。軸承故障仿真信號(hào)及其包絡(luò)譜如圖1所示：時(shí)域波形中的周期性故障脈沖完全淹沒(méi)在強(qiáng)烈的干擾噪聲成分中且無(wú)法觀測(cè)到；在包絡(luò)譜中雖然可以檢測(cè)到軸承故障特征頻率及其倍頻，但受到大量干擾頻率成分的影響而無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別軸承故障。

圖1 軸承故障仿真信號(hào)及其包絡(luò)譜Fig.1 Bearing fault simulation signal and its envelope spectrum

為準(zhǔn)確識(shí)別軸承故障，需保證分解所得最深層頻帶的帶寬大于故障特征頻率的3倍。采用SNRgram方法對(duì)軸承故障仿真信號(hào)進(jìn)行處理，并與Kurtogram[2]，Infogram[6]，RCCgram[10]和ICS2gram[11]方法進(jìn)行對(duì)比分析，均采用相同的濾波器組進(jìn)行頻帶劃分且分解水平(取值為4)保持一致。不同方法選擇頻帶的中心頻率和帶寬見(jiàn)表1,處理結(jié)果如圖2和圖3所示。

表1 不同方法所識(shí)別頻帶的中心頻率和帶寬Tab.1 Central frequency and bandwidth of frequency bands identified by different methods

分析可知：SNRgram和RCCgram選擇了相同的頻帶進(jìn)行帶通濾波特征提取且包含軸承故障仿真信號(hào)的共振頻率，在圖2c和3a中可以清楚檢測(cè)到軸承故障特征頻率71 Hz及其前4階諧波的譜線，表明SNRgram和RCCgram準(zhǔn)確識(shí)別出了軸承故障信號(hào)的共振頻帶；而Kurtogram選擇了包含隨機(jī)脈沖的頻帶，Infogram選擇了包含離散諧波的頻帶，ICS2gram所選頻帶也未包含軸承故障信號(hào)的共振頻率，從而導(dǎo)致其濾波信號(hào)的包絡(luò)譜中無(wú)法檢測(cè)到軸承故障特征頻率及其諧波成分；分析結(jié)果不僅驗(yàn)證了SNRgram方法在解調(diào)頻帶方面的有效性，也表明其抵抗隨機(jī)脈沖和離散諧波干擾的能力更強(qiáng)。

圖2 SNRgram方法的處理結(jié)果Fig.2 Processing results of SNRgram method

圖3 對(duì)比方法的處理結(jié)果Fig.3 Processing results of comparison methods

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為證實(shí)SNRgram方法在實(shí)際滾動(dòng)軸承故障診斷中的性能，采用外圈故障和內(nèi)圈故障軸承數(shù)據(jù)[12-14]進(jìn)行驗(yàn)證分析，軸承信號(hào)由安裝在測(cè)試軸承正上方的加速度傳感器以51.2 kHz的采樣頻率采集得到。試驗(yàn)軸承為MB ER-16K型深溝球軸承，球徑為9 mm，球組節(jié)圓直徑為33.5 mm，球數(shù)為9，則軸承外圈、內(nèi)圈的故障特征頻率分別為轉(zhuǎn)頻的3.57，5.43倍。

4.1 軸承外圈故障檢測(cè)

在10 Hz轉(zhuǎn)頻下采集的外圈故障軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)，結(jié)果如圖4a所示，軸承故障引起的周期性脈沖特征淹沒(méi)在嘈雜的背景噪聲中，只能夠觀測(cè)到一些隨機(jī)脈沖特征；在圖4b所示的包絡(luò)譜中，與故障無(wú)關(guān)的頻率成分具有顯著的幅值，很難識(shí)別軸承外圈故障特征頻率(35.7 Hz)及其諧波頻率成分。

圖4 外圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)及其包絡(luò)譜Fig.4 Vibration signal of bearing with outer ring fault and its envelope spectrum

設(shè)置分解水平為6，分別采用SNRgram，Kurtogram，Infogram，RCCgram和ICS2gram方法對(duì)外圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，不同方法所識(shí)別最優(yōu)頻帶的中心頻率和帶寬見(jiàn)表2，最優(yōu)濾波信號(hào)的包絡(luò)譜如圖5和圖6所示。

表2 不同方法所識(shí)別外圈故障信號(hào)頻帶的中心頻率和帶寬Tab.2 Central frequency and bandwidth of frequency band of outer ring fault signal identified by different methods

圖5 SNRgram方法對(duì)外圈故障信號(hào)的處理結(jié)果Fig.5 Processing results of outer ring fault signal by SNRgram method

分析可知：由于軸承振動(dòng)信號(hào)存在強(qiáng)隨機(jī)脈沖，Kurtogram和ICS2gram未能準(zhǔn)確識(shí)別包含軸承故障信息的共振頻帶，其包絡(luò)譜中無(wú)明顯的周期性沖擊成分；Infogram和RCCgram的包絡(luò)譜中雖然呈現(xiàn)出一系列譜峰，但與軸承外圈故障特征頻率并無(wú)關(guān)聯(lián)，說(shuō)明其選擇了錯(cuò)誤的頻帶；只有SNRgram方法成功識(shí)別到了包含軸承外圈故障信息的共振頻帶，在圖5c中可清晰觀測(cè)到外圈故障特征頻率35.1 Hz及其諧波成分70.2 Hz和105.3 Hz。此外，由于故障信息評(píng)估指標(biāo)的內(nèi)在缺陷，RCCgram，ICS2gram的評(píng)估指標(biāo)分別采用包絡(luò)譜中所有頻率成分的幅值以及0 Hz成分的幅值對(duì)故障相關(guān)頻率成分及其相鄰頻率成分的幅值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，均沒(méi)有對(duì)干擾頻率成分進(jìn)行有效區(qū)分，從而導(dǎo)致其錯(cuò)誤識(shí)別共振頻帶，表明傳統(tǒng)的頻帶識(shí)別方法對(duì)干擾噪聲的魯棒性較差，也進(jìn)一步表明SNRgram方法在復(fù)雜干擾噪聲情況下選擇軸承故障相關(guān)共振頻帶的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性。

圖6 對(duì)比方法對(duì)外圈故障信號(hào)的處理結(jié)果Fig.6 Processing results of outer ring fault signal by comparison methods

4.2 軸承內(nèi)圈故障檢測(cè)

在60 Hz轉(zhuǎn)頻下采集的內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)加速度信號(hào)如圖7所示：時(shí)域波形中，強(qiáng)烈的干擾噪聲完全掩蓋了軸承內(nèi)圈故障引起的周期性脈沖特征，只能觀察到零星的隨機(jī)脈沖特征；包絡(luò)譜中，只能在軸承內(nèi)圈故障特征頻率325.8 Hz處檢測(cè)到微弱的譜線，而其他高階諧波頻率成分則淹沒(méi)在復(fù)雜的干擾頻率成分中。

圖7 內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)及其包絡(luò)譜Fig.7 Vibration signal of bearing with inner ring fault and its envelope spectrum

設(shè)置分解水平為4，采用SNRgram，Kurtogram，Infogram，RCCgram和ICS2gram方法對(duì)內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，不同方法所識(shí)別頻帶的中心頻率和帶寬見(jiàn)表3，最優(yōu)濾波信號(hào)的包絡(luò)譜如圖8和圖9所示。分析可知：SNRgram和RCCgram識(shí)別的頻帶相同，其包絡(luò)譜中能夠清楚觀測(cè)到軸承內(nèi)圈故障特征頻率及其諧波成分，表明兩者均選擇了正確的共振頻帶；Kurtogram未能識(shí)別到軸承內(nèi)圈故障相關(guān)的共振頻帶；Infogram和ICS2gram的包絡(luò)譜中只能觀測(cè)到326 Hz的譜線，諧波頻率成分則淹沒(méi)在噪聲中，說(shuō)明其未能識(shí)別出包含豐富軸承內(nèi)圈故障信息的共振頻帶。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)雜干擾情況下SNRgram方法識(shí)別軸承故障相關(guān)共振頻帶的有效性。

表3 不同方法所識(shí)別內(nèi)圈故障信號(hào)頻帶的中心頻率和帶寬Tab.3 Central frequency and bandwidth of frequency band of inner ring fault signal identified by different methods

圖8 SNRgram方法對(duì)內(nèi)圈故障信號(hào)的處理結(jié)果Fig.8 Processing results of inner ring fault signal by SNRgram method

圖9 對(duì)比方法對(duì)內(nèi)圈故障信號(hào)的處理結(jié)果Fig.9 Processing results of inner ring fault signal by comparison methods

5 結(jié)束語(yǔ)

SNRgram方法可提高隨機(jī)脈沖和離散諧波干擾下軸承振動(dòng)信號(hào)共振頻帶識(shí)別的準(zhǔn)確性。由頻域計(jì)算得到的信噪比測(cè)度能夠有效評(píng)估窄帶濾波信號(hào)中包含的滾動(dòng)軸承故障相關(guān)成分，且對(duì)隨機(jī)脈沖和離散諧波干擾具有較強(qiáng)的抵抗能力，是一種有效的軸承故障特征信息度量指標(biāo)。相對(duì)于Kurtogram，Infogram，RCCgram和ICS2gram方法，SNRgram方法對(duì)隨機(jī)脈沖和離散諧波干擾具有更強(qiáng)的魯棒性，具有更高的頻帶識(shí)別準(zhǔn)確性，能夠有效識(shí)別軸承故障相關(guān)共振頻帶并提取軸承故障脈沖特征。頻帶劃分方式對(duì)包絡(luò)分析方法的故障特征提取性能也有重要影響，將嘗試采用更精細(xì)化的頻帶劃分方式，如基于諧波小波包分解的頻帶劃分方式[15]等對(duì)SNRgram方法進(jìn)行優(yōu)化和提升。