基于阶比多尺度线调频小波路径追踪的滚动轴承故障诊断方法研究

摘要

滚动轴承是机械设备中最常见的零部件，其运行状态的好坏直接影响到整台机器的性能，对其进行状态监测与故障诊断具有重要的意义。机械设备运行过程中产生的振动信号包含了丰富的故障信息，将故障特征信息从振动信号中提取出来是机械设备故障诊断的关键。
　　 机械设备的故障振动信号通常为非平稳的，在变转速工况下的机械设备振动信号往往包含了更多的设备运转信息和故障信息，系统的缺陷更容易地被发现。以等时间间隔采用拾取的振动信号在转速波动工况下通常表现出非平稳性与低信噪比性，这导致目前常用的信号处理技术无法准确获取故障特征信息。本文在国家自然科学基金项目(项目编号:50875078)的资助下，针对现有信号处理方法时频聚集性不够、抗噪性能不强等特点，将阶比多尺度线调频小波路径追踪方法引入变转速工况下的滚动轴承故障诊断中。本文研究用多尺度线调频小波追踪算法自适应地准确估计变转速下的故障特征频率曲线，并依据阶比分析获取角域下的平稳信号，最后分别结合多尺度形态学解调与循环平稳解调方法诊断变转速工况下滚动轴承的故障。
　　 论文主要研究工作有
　　 (1)针对现有时频分析方法时频聚集性不够、抗噪性能不强等特点，将多尺度线调频小波路径追踪方法引入到轴承故障诊断，该方法具有较好的时频聚集性与抗噪性，非常适合诊断变转速工况下的滚动轴承故障。仿真信号分析证明了该方法的有效性与优越性。
　　 (2)针对变转速工况下的滚动轴承故障特征信息难以提取的问题，提出一种基于线调频小波路径追踪的阶比多尺度形态学解调的滚动轴承故障诊断方法。该方法先采用线调频小波路径追踪算法获得轴承的故障特征频率;再对非平稳转速下时域振动信号的包络进行等角度重采样得到角域平稳信号，并用基于信号局部峰值的方法确定多尺度形态学分析的结构元素;用各结构元素对重采样信号进行形态学操作，最后对操作结果的平均值做频谱分析，以完成阶比多尺度形态学的解调过程。线调频小波路径追踪算法能很好的提取轴承非平稳振动信号的故障特征频率，而多尺度形态学解调是对各尺度形态学分析结果的平均值进行频谱分析，能有效地抑制噪声，从而使得该方法具有很好的抗噪性能，适用于工程实际中变转速轴承振动信号的分析。仿真分析和应用实例证明了该方法的有效性和优越性。
　　 (3)将线调频小波路径追踪算法与循环平稳解调方法相结合，提出一种变转速滚动轴承的故障诊断方法。该方法首先采用线调频小波路径追踪算法获得轴承的故障特征频率;再对非平稳转速下时域振动信号的包络进行等角度采样，获得角域周期平稳信号，并获取角域信号的循环自相关函数;在特征循环阶比处对循环自相关函数进行切片，最后对切片进行解调分析得到切片解调谱，依据切片解调谱进行滚动轴承故障诊断。线调频小波路径追踪算法能准确、有效地提取轴承非平稳振动信号的故障特征频率，而循环平稳解调分析能有效提取淹没在噪声中的周期性故障特征，从而使得该方法具有很好的抗噪性能，适用于工程实际中变转速轴承振动信号的分析。仿真分析和应用实例证明了该方法的有效性和优越性。
　　 本文将阶比多尺度线调频小波路径追踪算法引入到变转速工况下的滚动轴承故障诊断中，并结合多尺度形态学解调以及循环平稳解调方法，实现了信号处理方法的优势互补，并利用阶次解调谱很好的识别了变转速工况下的滚动轴承的故障特征。仿真算例和应用实例表明，阶比多尺度线调频小波路径追踪算法在滚动轴承的故障诊断中具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

插图索引

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 滚动轴承故障诊断技术的现状

1．3 信号处理技术在滚动轴承故障诊断中的应用

1．3．1 滚动轴承故障的时域分析方法

1．3．2 滚动轴承故障的频域分析方法

1．3．3 滚动轴承故障的时频分析方法

1．4 论文研究思路及主要研究内容

1．4．1 论文的研究思路

1．4．2 论文的主要内容安排

第2章 滚动轴承的故障机理及诊断技术

2．1 概述

2．2 滚动轴承的结构

2．2．1 滚动轴承的固有振动

2．2．2 滚动轴承局部缺陷的特征频率

2．3 滚动轴承故障类型

2．4．滚动轴承振动与噪声的形成机理

2．5 滚动轴承故障诊断技术

2．5．1 振动诊断技术

2．5．2 声发射诊断技术

2．5．3 油膜电阻诊断技术

2．5．4 铁谱诊断技术

2．5．5 温度诊断技术

2．6 滚动轴承故障振动检测及步骤

2．7 本章小结

第3章 阶比多尺度线调频小波路径追踪方法

3．1 引言

3．2 MCPP方法原理和算法实现

3．2．1 多尺度基函数(chirplet原子)和chirplet图

3．2．2 最大投影系数求解

3．2．3 chirplet原子连接算法

3．3 仿真算例

3．3．1 单分量低信噪比信号

3．4 阶比分析

3．4．1 阶比的定义

3．4．2 阶比分析

3．5 基于多尺度线调频基小波路径追踪的阶比分析

3．6 本章小结

第4章 基于阶比多尺度形态学解调的滚动轴承故障诊断

4．1 引言

4．2 多尺度形态学及其计算

4．3 基于线调频小波路径追踪的阶比多尺度形态学解调

4．4 仿真信号分析

4．5 实测滚动轴承故障振动信号分析

4．6 本章小结

第5章 基于线调频小波路径追踪阶比循环平稳解调的滚动轴承故障诊断

5．1 引言

5．2 循环平稳解调

5．3 阶比循环平稳解调

5．4 仿真信号分析

5．5 实测滚动轴承故障振动信号分析

5．6 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表和录用的论文目录