小編導(dǎo)讀

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，軸承一旦發(fā)生異常，人們往往希望可以既快速又準(zhǔn)確地判斷軸承所處異常狀態(tài)，以便對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性維護(hù)。異常檢測(cè)分析利于幫助大家判斷軸承處于正常狀態(tài)或異常狀態(tài)，故障分類(lèi)可有效診斷軸承處于哪種異常狀態(tài)。

本文基于西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院與浙江長(zhǎng)興昇陽(yáng)科技有限公司協(xié)同開(kāi)展的滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)得到的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)譜等多種算法對(duì)軸承異常檢測(cè)和故障分類(lèi)進(jìn)行研究。

XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集

▌試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)由交流電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器、轉(zhuǎn)軸、支撐軸承、液壓加載系統(tǒng)和測(cè)試軸承等組成，如圖1所示：

圖1 軸承加速壽命試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)可調(diào)節(jié)參數(shù)包括徑向力和轉(zhuǎn)速，其中徑向力由液壓加載系統(tǒng)產(chǎn)生，作用于測(cè)試軸承的軸承座，轉(zhuǎn)速由交流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)。試驗(yàn)軸承為L(zhǎng)DK UER204滾動(dòng)軸承，其參數(shù)如表1所示：

表1 LDK UER204滾動(dòng)軸承參數(shù)

 

▌試驗(yàn)工況

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3類(lèi)工況，每類(lèi)工況測(cè)試5個(gè)軸承。3類(lèi)工況參數(shù)如表2所示：

表2 軸承加速壽命試驗(yàn)工況

 

▌數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)通過(guò)便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器采集分別固定于測(cè)試軸承水平和豎直方向上的兩路加速度傳感器信號(hào)。試驗(yàn)參數(shù)為：

采樣頻率：25.6kHz

采樣間隔：1min

單次采樣時(shí)長(zhǎng)：1.28s

每通道單次采集加速度數(shù)據(jù)：32768個(gè)

▌儲(chǔ)存格式

采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為csv文件，文件按采集時(shí)間順序命名。其中第1列為水平方向加速度數(shù)據(jù)，第2列為豎直方向加速度數(shù)據(jù)。

▌測(cè)試結(jié)果

3類(lèi)試驗(yàn)工況軸承測(cè)試得出15種結(jié)果，其中包括對(duì)應(yīng)工況、數(shù)據(jù)樣本總數(shù)、實(shí)際壽命和失效位置，如表3所示：

表3 3類(lèi)試驗(yàn)工況下15種軸承測(cè)試結(jié)果

 

軸承故障

軸承故障形式主要有內(nèi)圈磨損、保持架斷裂、外圈磨損和外圈裂損，如圖2所示：

圖2 軸承故障形式

 

基于以上XJTU-SY軸承數(shù)據(jù)集，必創(chuàng)科技技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用Python語(yǔ)言和Matplotlib庫(kù)，取每樣本每通道前8192個(gè)數(shù)據(jù)做可視化分析。

 

異常檢測(cè)

為直觀顯示測(cè)試軸承全壽命周期運(yùn)行狀態(tài)，技術(shù)人員將該軸承所有數(shù)據(jù)樣本各通道加速度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果繪制成折線(xiàn)圖，用以分析該軸承出現(xiàn)異常的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

▌異常一

采用Bearing1_1數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)集在工況1（35Hz/12kN）共采集123個(gè)數(shù)據(jù)樣本（1.csv-123.csv），技術(shù)人員分別計(jì)算出數(shù)據(jù)樣本各通道加速度標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果，并繪制成折線(xiàn)圖，如圖3所示：

（紅色曲線(xiàn)：水平方向加速度標(biāo)準(zhǔn)差；綠色曲線(xiàn)：豎直方向加速度標(biāo)準(zhǔn)差）

圖3 Bearing1_1全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)折線(xiàn)圖顯示，數(shù)據(jù)樣本在75之前的加速度標(biāo)準(zhǔn)差基本恒定，并且數(shù)值很小，但在75之后，加速度標(biāo)準(zhǔn)差迅速且持續(xù)增大。由此可得出結(jié)論，該軸承在采集到75個(gè)測(cè)試周期時(shí)出現(xiàn)明顯異常，且異常程度愈發(fā)嚴(yán)重。

▌異常二

采用Bearing2_2數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)集在工況2（37.5Hz/11kN）共采集161個(gè)數(shù)據(jù)樣本（1.csv-161.csv）。該數(shù)據(jù)集全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差如圖4所示：

圖4 Bearing2_2全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)折線(xiàn)圖顯示，該軸承大約采集45個(gè)數(shù)據(jù)樣本后出現(xiàn)異常。

▌異常三

為避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)偶然性，技術(shù)人員再次采用Bearing3_1（工況3，40Hz/10kN，共2538個(gè)數(shù)據(jù)樣本）數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示：

圖5 Bearing3_1全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差

從圖中可明確看出，該軸承在大約采集2400個(gè)數(shù)據(jù)樣本后出現(xiàn)異常。

由以上三個(gè)異常結(jié)果可得出結(jié)論：在三種不同工況下，采用加速度標(biāo)準(zhǔn)差的方式均可進(jìn)行異常檢測(cè)。

故障分類(lèi)

技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)軸承故障分類(lèi)進(jìn)行深入研究，本篇主要以軸承外圈故障的診斷方法為例進(jìn)一步做出說(shuō)明。

由異常一折線(xiàn)圖可以看出，Bearing1_1數(shù)據(jù)集在75之前的數(shù)據(jù)樣本處于正常狀態(tài)，75之后處于異常狀態(tài)?；诖?，我們?nèi)≡摂?shù)據(jù)集第1包數(shù)據(jù)樣本作為正常狀態(tài)數(shù)據(jù)（如圖6-1、圖6-2），取第110包數(shù)據(jù)樣本作為異常狀態(tài)數(shù)據(jù)（如圖7-1、圖7-2）。

圖6-1 Bearing1_1第1包數(shù)據(jù)樣本原始加速度信號(hào)波形

圖6-2 Bearing1_1第1包數(shù)據(jù)樣本FFT頻譜

圖7-1 Bearing1_1第110包數(shù)據(jù)樣本原始加速度信號(hào)波形

圖7-2 Bearing1_1第110包數(shù)據(jù)樣本FFT頻譜

從圖6和圖7可以看出，兩包數(shù)據(jù)樣本的原始加速度信號(hào)波形和FFT頻譜均存在較大差異，但對(duì)于故障分類(lèi)幫助并不大。原始加速度信號(hào)波形僅是原始加速度數(shù)據(jù)，而故障特征無(wú)法清晰展現(xiàn)。FFT頻譜雖能看到發(fā)生較大頻譜變化，但FFT頻譜對(duì)于連續(xù)性信號(hào)比較敏感，相對(duì)軸承故障診斷來(lái)說(shuō)，選擇對(duì)非連續(xù)性的沖擊信號(hào)更敏感的包絡(luò)譜更為適用。

包絡(luò)譜：對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換之后得到解析信號(hào)，將解析信號(hào)的模取包絡(luò)，對(duì)該包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到的數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為幅值。包絡(luò)譜對(duì)沖擊事件比較敏感，因此非常適合提取軸承故障特征。

用包絡(luò)譜進(jìn)行軸承故障分類(lèi)方法：計(jì)算出四種軸承故障形式（內(nèi)圈磨損、保持架斷裂、外圈磨損和外圈裂損）的特征頻率以及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)樣本的包絡(luò)譜，根據(jù)包絡(luò)譜判斷是否和四種故障特征頻率一致。

當(dāng)軸承外圈固定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，故障特征頻率計(jì)算公式如圖8所示：

圖8 軸承故障特征頻率計(jì)算公式

參考表1(LDK UER204滾動(dòng)軸承參數(shù))可知：n=8；d=7.92；D=34.55；α=0。

▌?wù)撟C一

以Bearing1_1數(shù)據(jù)集為例，該數(shù)據(jù)集工況轉(zhuǎn)速為35Hz，即N=35。帶入外圈故障頻率計(jì)算公式得出Bearing1_1工況下外圈故障特征頻率：F_BPFO=107.91Hz。經(jīng)過(guò)計(jì)算，Bearing1_1第110包數(shù)據(jù)樣本的包絡(luò)譜如圖9所示：

（由于外圈故障特征頻率的3倍頻在400Hz以?xún)?nèi)，以下我們僅展示400Hz以?xún)?nèi)的包絡(luò)譜）

圖9 Bearing1_1第110包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

圖9中縱軸0以上信號(hào)為數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜，0以下虛線(xiàn)為外圈故障頻率1倍頻、2倍頻和3倍頻的標(biāo)記線(xiàn)。可以看出，包絡(luò)譜的三個(gè)最大峰值分別落在外圈故障頻率的1倍頻、2倍頻和3倍頻標(biāo)記線(xiàn)處，完美展示了外圈故障頻率特征。

▌?wù)撟C二

以Bearing2_2數(shù)據(jù)集為例，該數(shù)據(jù)集工況轉(zhuǎn)速為37.5Hz，即N=37.5。帶入外圈故障頻率計(jì)算公式得出Bearing2_2工況下外圈故障特征頻率：F_BPFO=115.62Hz。經(jīng)過(guò)計(jì)算，Bearing2_2第140包數(shù)據(jù)樣本的包絡(luò)譜如圖10所示：

圖10 Bearing2_2第140包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

▌?wù)撟C三

以Bearing3_1數(shù)據(jù)集為例，該數(shù)據(jù)集工況轉(zhuǎn)速為40Hz，即N=40。帶入外圈故障頻率計(jì)算公式得出Bearing3_1工況下外圈故障特征頻率：F_BPFO=123.32Hz。經(jīng)過(guò)計(jì)算，Bearing3_1第2500包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜如圖11所示：

圖11 Bearing3_1第2500包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

由圖9、圖10、圖11可得結(jié)論：在三種不同的工況下，使用包絡(luò)譜對(duì)軸承加速度信號(hào)進(jìn)行分析，均可清晰檢測(cè)外圈故障。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于滾動(dòng)軸承的異常檢測(cè)可通過(guò)加速度標(biāo)準(zhǔn)差判斷，對(duì)于外圈故障分類(lèi)可通過(guò)計(jì)算加速度信號(hào)的包絡(luò)譜判斷。

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.