小編導(dǎo)讀

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用場景下，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)院與浙江長興昇陽科技有限公司協(xié)同開展的滾動(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)軸承異常檢測和故障分類進(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LDK 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類工況，每類工況測試5個(gè)軸承。3類工況參數(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)通過便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器采集分別固定于測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：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)。

▌測試結(jié)果

3類試驗(yàn)工況軸承測試得出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類試驗(yàn)工況下15種軸承測試結(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語言和Matplotlib庫，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

為直觀顯示測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，并繪制成折線圖，如圖3所示：

（紅色曲線：水平方向加速度標(biāo)準(zhǔn)差；綠色曲線：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。

故障分類

技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)軸承故障分類進(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)一步做出說明。

由異常一折線圖可以看出，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)軸承故障診斷來說，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以內(nèi)，以下我們僅展示400Hz以內(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以下虛線為外圈故障頻率1倍頻、2倍頻和3倍頻的標(biāo)記線?？梢钥闯?，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，均可清晰檢測外圈故障。

結(jié)語

綜上所述，對(duì)于滾動(dòng)軸承的異常檢測可通過加速度標(biāo)準(zhǔn)差判斷，對(duì)于外圈故障分類可通過計(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.