小編導(dǎo)讀
上篇文章(《基于XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集的軸承故障診斷研究(一)》),必創(chuàng)科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差、FFT頻譜以及包絡(luò)譜等算法對(duì)軸承異常檢測和外圈故障診斷進(jìn)行研究,結(jié)果證明信號(hào)分析算法對(duì)軸承故障診斷行之有效。
在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備實(shí)際應(yīng)用場景下,軸承異常檢測方法除了標(biāo)準(zhǔn)差,還可使用峭度系數(shù)與之相結(jié)合,峭度系數(shù)判斷軸承處于正常狀態(tài)還是輕微異常狀態(tài),標(biāo)準(zhǔn)差判斷軸承異常狀態(tài)的嚴(yán)重程度。本文,我們將繼續(xù)研究軸承保持架故障和內(nèi)圈故障診斷,以及如何運(yùn)用峭度系數(shù)進(jìn)行軸承異常檢測。
保持架故障診斷
表1 3類試驗(yàn)工況下15個(gè)軸承測試結(jié)果
3類試驗(yàn)工況下15個(gè)軸承測試結(jié)果顯示(如表1),發(fā)生保持架故障的軸承分別為工況1的Bearing1_4(共122個(gè)數(shù)據(jù)樣本)和工況2的Bearing2_3(共533個(gè)數(shù)據(jù)樣本)。接下來,我們分析這兩個(gè)軸承的全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差(如圖1、圖2)。
圖1-2可看出,Bearing1_4軸承和Bearing2_3軸承分別在進(jìn)行121個(gè)和315個(gè)采樣周期后發(fā)生異常。Bearing1_4工況轉(zhuǎn)速為35Hz(N=35),帶入軸承故障特征頻率計(jì)算公式(如圖3)得出Bearing1_4軸承的保持架故障特征頻率F_FTF=13.49Hz。同理,將N=37.5帶入軸承故障特征頻率計(jì)算公式得出Bearing2_3軸承的保持架故障特征頻率 F_FTF=14.45Hz。
我們?cè)俅翁崛earing1_4軸承的第122包和Bearing2_3軸承的第500包數(shù)據(jù)樣本做包絡(luò)譜分析(如圖4、圖5),從中可以看出,在兩種不同工況下,包絡(luò)譜算法完全可診斷出軸承保持架故障。
(由于保持架故障特征頻率的3倍頻在100Hz以內(nèi),此處我們僅展示100Hz以內(nèi)的包絡(luò)譜)
(縱軸0刻度以下虛線為保持架故障特征頻率的1倍頻、2倍頻和3倍頻標(biāo)記線)
內(nèi)圈故障診斷
XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集測試工況為軸承外圈固定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn),滾動(dòng)體和內(nèi)圈損傷部位接觸位置與軸承載荷方位不斷變化,一旦產(chǎn)生損傷,內(nèi)圈故障信號(hào)可能存在被軸承轉(zhuǎn)頻調(diào)制現(xiàn)象。
通過分析加速度標(biāo)準(zhǔn)差,我們選取工況2的Bearing2_1軸承第479包數(shù)據(jù)樣本和工況3的Bearing3_4軸承第1515包數(shù)據(jù)樣本做包絡(luò)譜分析。經(jīng)過計(jì)算得出Bearing2_1軸承的內(nèi)圈故障特征頻率F_BPFI=184.38Hz,Bearing3_4軸承的內(nèi)圈故障特征頻率F_BPFI=196.68Hz。
(由于內(nèi)圈故障特征頻率的3倍頻在600Hz以內(nèi),此處僅展示600Hz以內(nèi)的包絡(luò)譜)
圖6-7分別展示Bearing2_1第479包和Bearing3_4第1515包數(shù)據(jù)樣本的包絡(luò)譜,從中可以看出,XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集的內(nèi)圈故障特征在理論故障特征頻率處的幅值并非很大,但卻存在一系列轉(zhuǎn)頻的諧波和邊頻帶,增加了內(nèi)圈故障的診斷難度,當(dāng)然這也是軸承內(nèi)圈故障的一種表現(xiàn)形式。
必創(chuàng)科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)嘗試運(yùn)用譜峭度方法找出原始加速度信號(hào)中沖擊信號(hào)的中心頻率和帶寬,繼而對(duì)原始加速度信號(hào)進(jìn)行帶通濾波后分析包絡(luò)譜,但效果提升并不理想。
特別提醒:以上軸承內(nèi)圈故障特征并不代表所有場景所有型號(hào)的軸承內(nèi)圈故障特征。
為進(jìn)一步論證軸承內(nèi)圈故障特征的其他表現(xiàn)形式,必創(chuàng)科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(CWRU)發(fā)布的軸承數(shù)據(jù)集進(jìn)行內(nèi)圈故障分析,該數(shù)據(jù)集包絡(luò)譜上的內(nèi)圈故障特征頻率處幅值變化非常明顯(如圖8)。
異常檢測
在《基于XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集的軸承故障診斷研究(一)》中,我們運(yùn)用加速度標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行軸承異常檢測,本篇我們研究用峭度系數(shù)進(jìn)行軸承異常檢測。
峭度系數(shù)(Kurtosis):是反映信號(hào)分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量,是歸一化的4階中心矩。峭度系數(shù)是無量綱參數(shù),它與軸承轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷等參數(shù)無關(guān),對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感,特別適合軸承異常檢測。在軸承無故障運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),振動(dòng)信號(hào)的幅值分布接近正態(tài)分布,峭度系數(shù)約為3。隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展,振動(dòng)信號(hào)中沖擊信號(hào)的密度增加,信號(hào)幅值的分布偏離正態(tài)分布,正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散,峭度系數(shù)也隨之改變。
技術(shù)人員為驗(yàn)證峭度系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差兩種異常檢測方法的差異,分別對(duì)Bearing1_4軸承和Bearing2_3軸承數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差與峭度系數(shù)對(duì)比分析(如圖9、圖10)。
圖9-10可看出,峭度系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差的呈現(xiàn)并非完全一致,在標(biāo)準(zhǔn)差無明顯變化情況下,峭度系數(shù)可能會(huì)發(fā)生較大變化,這表明峭度系數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)差更靈敏,可在軸承異常早期檢測到問題。因此,峭度系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差可共同結(jié)合進(jìn)行軸承異常檢測,通過峭度系數(shù)可判斷軸承所處狀態(tài),通過標(biāo)準(zhǔn)差可判斷軸承異常狀態(tài)的嚴(yán)重程度。
結(jié)論
必創(chuàng)科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集通過加速度標(biāo)準(zhǔn)差和峭度系數(shù)兩種方法對(duì)軸承異常檢測進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以及使用包絡(luò)譜方法進(jìn)行軸承故障分類,均取得良好效果。
另外還有很多軸承異常檢測和故障診斷的方法,例如振動(dòng)烈度閾值法、多傳感器(如溫度、轉(zhuǎn)速、麥克風(fēng)和磁力計(jì)等)融合診斷法等,在此我們不做詳細(xì)分析。在實(shí)際應(yīng)用場景中,人們還需考慮多種因素,例如:通過帶通濾波器將故障沖擊信號(hào)從背景噪聲信號(hào)中提取后進(jìn)行分析;軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間會(huì)存在滑動(dòng)情況;振動(dòng)傳感器安裝位置是否對(duì)軸承故障特征產(chǎn)生影響。某種故障可能存在多種表現(xiàn)形式,只有具體問題具體分析,才能準(zhǔn)確進(jìn)行軸承異常檢測和故障分類。
參考文獻(xiàn)
[1]Biao Wang,Yaguo Lei,Naipeng Li,Ningbo Li,“A Hybrid Prognostics Approach for Estimating Remaining Useful Life of Rolling Element Bearings”,IEEE Transactions on Reliability, pp. 1-12, 2018. DOI: 10.1109/TR.2018.2882682.