基于外加周期信号控制随机共振的轴承故障检测方法

摘要

本发明公开了一种基于外加周期信号控制随机共振的轴承故障检测方法，该方法将轴承故障信号经变尺度方法变换后输入双稳系统，同时外加单一频率周期信号为控制信号直接作用于系统。通过连续调节控制信号的幅值，双稳系统势垒高及Kramers逃逸速率发生改变，从而能够人为地产生或增强随机共振，有效地增强了双稳系统输出功率谱在输入信号频率处的谱值，最终可以准确地检测出轴承故障特征信号；该方法能实现随机共振的有效控制，为设备故障早期检测提供了一种新的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种故障信号检测方法，尤其涉及一种在轴承故障诊断中使用的故障信号检测方法。

背景技术

轴承是机器最常用却易磨损的部件。据不完全统计，旋转机器大约30%的故障由轴承故障引起的。产生轴承故障的原因有疲劳剥落，磨损，塑性变形，诱蚀，断裂，胶合，保持架损坏等。如果不能及时诊断轴承早期故障，将使机器设备产生严重故障，从而造成巨大的经济损失。因此，诊断出轴承的早期故障特征对避免严重故障的发生，保证机器设备的正常运行有着重大的现实意义。在轴承故障诊断领域，利用现代信号处理方法对轴承故障进行处理，从含有噪声的信号中准确提取故障特征信号，是当前故障诊断的研究热点之一。采用的方法大多利用信号与噪声特性上的差异，通过数学变换方法来削弱噪声，提取有用信号，不存在噪声与信号能量转换的物理机制，因而难以放大强噪声中的弱信号。其次，轴承故障信号由故障特征信号和背景噪声组成。大量的背景噪声会引起现场测量信号信噪比降低，当干扰严重时，甚至无法检测出轴承故障的早期特征，影响了旋转机器的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于外加周期信号控制随机共振的轴承故障检测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于外加周期信号控制随机共振的轴承故障检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）利用采集系统采集振动加速度信号；

（2）将轴承故障信号经变尺度方法变换为小频率信号；

（3）将变尺度后的轴承故障信号作用到双稳系统，分析双稳系统输出的功率谱，按频率压缩尺度比恢复实测轴承故障信号的采集尺度；

（4）外加单一频率周期信号作为控制信号作用于双稳系统，调节控制信号的幅值，从而人为地产生或加强随机共振，检测出轴承故障特征信号。

进一步地，所述步骤（1）具体为：将加速度传感器固定在振动台上，利用采集系统采集轴承的振动加速度信号即轴承故障信号；

进一步地，所述步骤（2）具体为：根据频率压缩尺度比                                                定义压缩采样频率，为故障信号的实际采样频率；由压缩采样频率得到数值计算步长为，使得轴承故障信号的每一频率成分（故障信号特征频率为）按频率压缩尺度比线性压缩，从而轴承故障信号的特征频率压缩为，使之满足随机共振已有的绝热近似理论中小频率信号的条件。

进一步地，所述步骤（3）具体为：将变尺度后的轴承故障信号作用到双稳系统，通过分析双稳系统输出的功率谱，捕捉故障信号的特征频率，最好按频率压缩尺度比恢复故障信号特征频率为。

进一步地，所述步骤（4）具体为：外加单一频率周期信号作为控制信号作用于双稳系统，通过调节控制信号的幅值，双稳系统势垒高及Kramers逃逸速率发生改变 ，从而能够人为地产生或增强随机共振，有效地增强双稳系统输出功率谱在输入信号频率处的谱值，实现随机共振的控制，检测出轴承故障特征信号。

本发明的有益效果是，本发明通过连续调节控制信号的幅值，双稳系统势垒高及Kramers逃逸速率发生改变，从而能够人为地产生或增强随机共振，有效地增强了双稳系统输出功率谱在输入信号频率处的谱值，最终可以准确地检测出轴承故障特征信号。轴承故障信号通过随机共振能有效放大故障特征信号，提高故障特征信号的信噪比，准确地获取故障特征信号频率，该方法实现了随机共振的有效控制，为设备故障早期检测提供了一种新的方法。该方法也适用于其它领域涉及强噪声中的微弱信号检测，可拓宽随机共振的应用，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为外加周期信号控制随机共振的频率检测原理框图。

图2为轴承振动信号功率谱图。

图3为含噪声的轴承振动信号功率谱图。

图4为时随机共振功率谱图。

图5为时随机共振功率谱图。

具体实施方式

本发明基于外加周期信号控制随机共振的轴承故障检测方法，具体步骤如下：

1、利用采集系统采集振动加速度信号；

将加速度传感器固定在振动台上，利用采集系统采集轴承的振动加速度信号即轴承故障信号。

2、将轴承故障信号经变尺度方法变换为小频率信号；

根据频率压缩尺度比定义压缩采样频率，其中，为故障信号的实际采样频率，为频率压缩尺度比。由压缩采样频率得到数值计算步长为，使得轴承故障信号的每一频率成分（故障信号特征频率为）按频率压缩尺度比线性压缩，从而轴承故障信号的特征频率压缩为，使之满足随机共振已有的绝热近似理论中小频率信号的条件。

3、将变尺度后的轴承故障信号作用到双稳系统，分析双稳系统输出的功率谱，按频率压缩尺度比恢复实测轴承故障信号的采集尺度；

将变尺度后的轴承故障信号作用到双稳系统，通过分析双稳系统输出的功率谱，捕捉故障信号的特征频率，最好按频率压缩尺度比恢复故障信号特征频率为。

4、外加单一频率周期信号作为控制信号作用于双稳系统，调节控制信号的幅值，从而人为地产生或加强随机共振，检测出轴承故障特征信号；

外加单一频率周期信号作为控制信号作用于双稳系统，通过调节控制信号的幅值，双稳系统势垒高及Kramers逃逸速率发生改变 ，从而能够人为地产生或增强随机共振，有效地增强双稳系统输出功率谱在输入信号频率处的谱值，实现随机共振的控制，检测出轴承故障特征信号。

以下通过实施例对本发明内容做进一步解释。用该方法对轴承故障信号进行处理。实验数据由Case Western Reserve University（CWRU）提供。图2是在实验室理想环境中测得的轴承振动信号的功率谱图，采样频率为，转速为1797rpm。由于实际现场环境中往往存在大量噪声并且随机共振的产生也需适当的噪声，因此，以噪声强度的高斯白噪声作为背景噪声增加到轴承振动信号中得到混合信号，功率谱图如图3所示。从图3可知，并无明显的故障特征信息。设定系统结构参数，且不存在外加周期信号即，频率压缩尺度比，压缩采样频率为。混合信号经压缩尺度比线性压缩之后作用到双稳系统，双稳系统输出功率谱如图4所示。当采用图1所示的方式外加参数为，的单一频率信号作为控制信号作用于双稳系统，则双稳系统输出功率谱如图5所示。与图4比较可知，图5的处有一明显的谱峰值，经频率尺度还原有，该频率即为故障特征信号的频率，其频率理论值为。