一種基于自相關(guān)加速度信號(hào)的滾動(dòng)軸承故障包絡(luò)譜癥狀改進(jìn)方法
包絡(luò)分析是滾動(dòng)軸承常用的故障診斷方法，它可以診斷滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈故障和外圈故障。傳統(tǒng)的包絡(luò)分析是建立在實(shí)測(cè)加速度信號(hào)上的，但其受噪聲的影響很大，尤其是在軸承早期故障階段。研究表明，對(duì)自相關(guān)加速度信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)分析，可以擴(kuò)大調(diào)幅現(xiàn)象。我們對(duì)故障滾動(dòng)軸承驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，分析了幾種影響包絡(luò)分析效果的因素。
加速度振動(dòng)信號(hào)中的沖擊和調(diào)制現(xiàn)象是滾動(dòng)軸承故障的典型癥狀，通過(guò)計(jì)算得到的調(diào)制頻率，可以找到滾動(dòng)軸承故障部位；利用非定常信號(hào)技術(shù)進(jìn)行包絡(luò)分析，可以得到?jīng)_擊激勵(lì)下的高頻振動(dòng)及其附加的包絡(luò)信號(hào)；而對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到軸承故障的癥狀。包絡(luò)分析方法廣泛應(yīng)用于滾動(dòng)軸承故障診斷中，滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜范圍非常之廣，而且信噪比通常很低。在故障早期，軸承部件損壞造成的沖擊較小，因此如果直接對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其調(diào)制現(xiàn)象很容易被噪聲所掩蓋，低頻范圍內(nèi)的諧波頻譜癥狀可能較小。為了擴(kuò)大振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)癥狀，特別是在故障早期階段，人們做了大量的研究。
我們比較了從原始振動(dòng)信號(hào)和自相關(guān)信號(hào)得到的包絡(luò)譜，從而對(duì)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)滾動(dòng)軸承進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，自相關(guān)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象比原始振動(dòng)信號(hào)明顯，因此對(duì)自相關(guān)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)分析可以有效地降低噪聲的影響。
為了調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)特性，我們用相關(guān)函數(shù)描述了隨機(jī)振動(dòng)樣本在不同時(shí)間的相關(guān)程度，如果對(duì)同一樣本進(jìn)行分析，則得到的信號(hào)為自相關(guān)
信號(hào)如下：
式中T為采樣時(shí)間，τ為延時(shí)時(shí)間。如果一個(gè)調(diào)制振幅的信號(hào)是：
將式2代入式1，考慮到隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)隨著時(shí)延的增加而迅速降為零，得到：
由方程可知，調(diào)制信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍然是調(diào)制信號(hào)，載波波形頻率和調(diào)制波形頻率基本保持不變。如果將自相關(guān)函數(shù)用于滾動(dòng)軸承故障診斷，則自相關(guān)函數(shù)中的故障癥狀將持續(xù)滿載。隨著時(shí)間τ延遲的增加，自相關(guān)波形中的噪聲是逐漸減小的，自相關(guān)分析后的信噪比是增大的。
因此，我們采用較低的信噪比來(lái)模擬滾動(dòng)軸承早期故障，采樣頻率為40KHz。下圖為帶噪聲的原始波形和不同采樣長(zhǎng)度的自相關(guān)波形：原始波形圖像不規(guī)則，無(wú)典型癥狀；但自相關(guān)波形中的調(diào)制波形癥狀表現(xiàn)得很明顯，降噪效果隨樣本長(zhǎng)度的增加而增加。
某電廠4號(hào)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為1500rpm。機(jī)組正常檢查時(shí)，自由端軸承聲音異常，溫度過(guò)高，輥數(shù)8個(gè)，輥徑40mm，接觸角為0度。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到內(nèi)滾道、外滾道和滾珠的故障頻率分別為118.2Hz、81.82Hz和66.5Hz。而下圖顯示了垂直加速度波形和頻譜。波形無(wú)典型癥狀。頻率的單峰出現(xiàn)在2.1 KHz附近，該頻率與軸承故障無(wú)直接關(guān)系，因此我們不能從這個(gè)頻率分量來(lái)判斷故障。
而下圖顯示了利用希爾伯特變換計(jì)算出的包絡(luò)波形和頻譜。頻率78.13Hz及其多次諧波分量突出。78.13Hz的1x和2x分量最為突出。這個(gè)頻率接近計(jì)算出的故障外競(jìng)爭(zhēng)頻率。這意味著軸承外圈被破壞了。
下圖為計(jì)算得到的自相關(guān)信號(hào)包絡(luò)波形和頻譜。與上圖相比，78.13Hz及其多次諧波分量更加突出。其他頻率成分的振幅降低。頻譜癥狀表現(xiàn)為斷層軸承外圈為突出。
下圖為1號(hào)方位水平方向加速度波形及其自相關(guān)波形以及原始信號(hào)和自相關(guān)信號(hào)的包絡(luò)譜。從圖譜中我們能得到經(jīng)過(guò)過(guò)渡期后，自相關(guān)波形趨于穩(wěn)定，與垂直振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)波形一致，然后利用穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)分析。從圖中我們發(fā)現(xiàn)，78.13Hz的頻率及其多次諧波分量在自相關(guān)包絡(luò)譜中也很突出。78.13Hz的振幅最大，156.26Hz的振幅次之。它與垂直振動(dòng)信號(hào)一樣，代表了出故障的外圈。
根據(jù)計(jì)算得到的自相關(guān)包絡(luò)譜，我們認(rèn)為滾動(dòng)軸承外圈存在損傷。在電機(jī)大修時(shí)，果然發(fā)現(xiàn)外圈有10mm直徑的剝蝕現(xiàn)象。在更換新的軸承后重新注入潤(rùn)滑脂，然后，軸承振動(dòng)和聲音均恢復(fù)了正常。
包絡(luò)分析是滾動(dòng)軸承故障診斷中應(yīng)用廣泛的技術(shù)。為了改善軸承早期斷層階段包絡(luò)譜的癥狀，我們提出了基于計(jì)算得到的自相關(guān)信號(hào)的包絡(luò)譜分析方法，代替了基于原始加速度波形的包絡(luò)譜分析方法。實(shí)例表明，該方法能有效地降低噪聲影響，有效地?cái)U(kuò)大頻譜癥狀。在信號(hào)分析時(shí)，在滿足分析頻率的要求范圍下，采樣長(zhǎng)度應(yīng)盡量長(zhǎng)，而采樣頻率不必過(guò)高；為了減少噪聲的影響，應(yīng)取消瞬態(tài)信號(hào)。
