滚动轴承故障响应相似性表征及其影响因素研究

摘要

滚动轴承作为机械设备中最常见的基础零件之一，被广泛地应用于各行各业，它的工作性能往往能决定整个设备的工作状态。但是滚动轴承由于在工作过程中起到承担载荷的作用，而且它的工作环境非常复杂，容易发生损坏。因此，国内外的许多学者对滚动轴承的状态监测和故障诊断进行了大量的研究。
　　现有的轴承故障诊断方法，大多是通过共振解调技术在振动信号中找出故障特征频率，并将其作为判断故障有无的主要依据。但是通过有无故障特征频率来推断轴承故障，在方法上存在缺陷，易造成虚假故障的误报。当轴承运行的工况急剧发生变化或者传感器发生失效采集到失真数据时，会导致信号出现与故障特征频率一致的周期性包络。
　　本文以滚动轴承故障响应为研究对象，对周期性出现的同源故障响应共同的属性特征及其影响因素展开研究。主要内容有:
　　分别用时域波形、基于重要点的分段线性表示、倒频谱和二次傅立叶变换实现对滚动轴承故障响应的特征表示。分别用欧氏距离、动态时间弯曲、符号化表示、余弦距离和概率统计实现对滚动轴承冲击响应故障特征的相似性度量。并用实验数据验证了这四种特征表示方法和五种相似性度量方法在提取和度量冲击响应故障信息的有效性。
　　针对每种振动信号的特征表示方法都有其各自适用范围，本文通过对比分析不同的相似性度量方法度量每种表征方法的相似性结果，证实二次傅立叶变换和动态时间弯曲是表征和度量故障响应特征信息的最佳特征表示方法和度量方法，得出了滚动轴承故障响应的相似性表征并验证了它的正确性。
　　针对轴承转速变化的影响，本文建立了在变转速条件下滚动轴承故障振动信号的仿真模型。分析了在变转速下同源响应与非同源响应的相似性，得出转速变化会降低故障响应之间的相似性，导致滚动轴承故障响应相似性表征中同源和非同源响应的动态时间弯曲距离的阈值变大。并用实测数据验证了转速对故障响应相似性表征的影响。
　　针对信号传输路径的影响，改变轴承损伤点的位置，研究信号传输路径改变对滚动轴承故障响应相似性表征的影响。得出当故障点位置在外圈12点钟方向时，同源故障响应的相似性最高，非同源故障响应的相似性最低，且相似性表征中区分同源与非同源故障响应的动态时间弯曲距离的阈值最大，区分效果最明显。外圈3点钟方向次之，6点钟方向效果最差。
　　针对背景噪声的影响，本文从仿真模型和实测信号两个角度，分别向信号中不断加入背景噪声，得出了背景噪声对故障响应相似性表征的影响。其次，对含有背景噪声的振动信号进行了网络型迭代奇异谱滤波处理，完成了对背景噪声的有效剥离，削弱了背景噪声对故障响应相似性表征的影响。
　　基于以上研究，本文总结出了滚动轴承故障响应的相似性表征及变工况和背景噪声对故障响应相似性表征的影响，并运用网络型迭代奇异谱分析的方法对背景噪声进行了有效剥离。随着工况变化和背景噪声的干扰，虽然故障响应相似性表征中用以区分同源与非同源响应的动态时间弯曲阈值会发生变化，但表征中的相似性指标依然适用。仿真和实验的结果表明结论是准确、可靠的。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 相似性特征表示的研究现状

1．3 相似性度量的研究现状

1．4 变工况对故障响应影响的研究现状

1．5 背景噪声对故障响应影响的研究现状

1．6 本文的主要内容和各章节安排

2滚动轴承故障响应特征表示

2．1 时域波形表示

2．2 基于重要点的分段线性表示

2．3 倒频谱特征表示

2．4 二次傅立叶变换特征表示

2．5 本章小结

3 滚动轴承故障响应相似性表征

3．1 滚动轴承故障响应相似性计算

3．1．1 欧氏距离

3．1．2 动态时间弯曲

3．1．3 符号化距离

3．1．4 余弦距离

3．1．5 概率统计

3．2 相似性度量方法与特征表示方法最佳组合选取

3．2．1 基于时域波形表示的相似性度量方法选取

3．2．2 基于重要点的分段线性表示法的相似性度量方法选取

3．2．3 基于倒频谱特征表示法的相似性度量方法选取

3．2．4 基于二次傅立叶变换表示法的相似性度量方法选取

3．3 四种特征表示方法对比与故障响应相似性表征

3．4 滚动轴承故障响应相似性表征验证

3．4．1 仿真验证

3．4．2 实验验证

3．5 本章小结

4 变工况对故障响应相似性表征的影响

4．1 转速变化对故障响应相似性表征的影响

4．1．1 仿真验证

4．1．2 实验验证

4．2 传输路径变化对故障响应相似性表征的影响

4．3 本章小结

5背景噪声对故障响应相似性表征的影响及噪声的消除

5．1 仿真分析

5．2 实验分析

5．3 基于网络型迭代奇异谱分析的背景噪声消除

5．3．1 网络型迭代奇异谱分析

5．3．2 仿真验证

5．3．3 实验验证

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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