基于循环自相关函数的滚动轴承故障诊断方法研究

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1、华中科技大学硕士学位论文基于循环自相关函数的滚动轴承故障诊断方法研究姓名：陈智伶申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：史铁林;轩建平20090521华中科技大学硕士学位论文实际中也有较多应用，而人们对高阶循环平稳的研究一直处在起步探索研究阶段。围绕各阶循环统计量，众多学者投入了大量精力，逐渐发展完善，形成了一套完整的循环统计量理论。文献[20]探讨了双时同步平均法在齿轮箱故障诊断中的应用，研究表明，利用一阶循环矩分析，可以有效地提取出信号在某些噪声干扰下的特征频率。文献[21]运用一阶循环矩对周期性平

2、稳信号进行了分析，表明该方法虽有一定的降噪作用，但与传统功率谱分析等方法相比不太明显。文献[22]针对旋转机械振动信号在研究了二阶循环统计量的基础上，对比了阶循环统计量分析与传统的功率谱分析、同步平均析等方法。以故障滚动轴承振动信号为例，指出了各自的利弊。文献[23~24]介绍了包络解调的原理，研究了循环自相关函数的解调性能，通过理论推导，证明了循环自相关函数同样具有相似的解调性能，最后通过滚动轴承实际振动信号加以验证。文献[25]研究了谱相关密度函数的解调性能，找出了其解调规律，并将该规律成功应用于滚动轴承

3、故障诊断中。文献[26]研究了二阶循环平稳分析方法在齿轮箱故障诊断中的应用，并对比了一阶、二阶和三阶循环统计量理在齿轮箱故障诊断中的效果。文献[27]将循环自相关函数切片分析应用于滚动轴承故障诊断中，通过循环自相关函数切片分析，避免了常规方法中多个调制频率同时解调，容易形成相互干扰的问题。文献[28]采用将小波包与二阶循环统计量相结合的滚动轴承故障诊断方法，利用小波包对信号进行分解重构，再计算其的谱相关密度，实验证明证明能有效抑制干扰信号对解调结果的影响。用情况。文献[29]论述了高阶循环累计量在抑制高斯、非

4、高斯噪声方面的能力，对其提取信号特征的优越性能进行了肯定。同时也指出，处理过程复杂、处理时间长是应用高阶累积量进行特征提取的一个突出难题。文献[30]采用循环统计量分析方法，提取出滚动轴承振动信号特征向量后，结合人工神经网络进行故障诊断，也得到了理想的效果。总的来讲，目前在循环平稳分析方法领域，主要研究在应用一阶、二阶循环统计量提取信号故障特征方面[31~33]，二阶循环统计量理论最成熟，应用也最多，而高阶循环统计量理论及其应用的研究还处在探索起步阶段，虽然一些学者也对高阶循环统计量及高阶循环平稳分析方法进行

5、了一些实际应用的尝试，并取得了一定的成果[33~35]。但是总体来说研究较少，还有诸多急待探索的领域，特别在故障诊断领域更是寥寥无几。1.5本文的主要研究内容本文的主题在于如何有效地运用二阶循环统计量提取滚动轴承振动信号中的故5华中科技大学硕士学位论文障信息，继而分析轴承是否存在故障并确定其故障类别。围绕这个主题，本文的研究内容如下：第一章：绪论。从理论分析和工程应用的角度出发，介绍了滚动轴承故障诊断技术目前的发展状况；阐述了小波包分析和循环平稳理论的基本理论及在信号处理中的应用情况。第二章：二阶循环统计量理

6、论。简单介绍了循环平稳理论的基本概念，讨论了循环自相关函数、谱相关密度函数及循环平稳度三个二阶循环统计量的定义和特点。给出了循环自相关函数对调幅信号模型的数学计算及解调原理。利用调幅、调频、调幅调频信号模型对循环自相关函数的解调性能进行了分析。第三章：小波包与循环自相关函数相结合的滚动轴承故障诊断。在深入研究小波包分解重构算法的基础上，提出基于小波包特征能量~循环自相关函数的滚动轴承故障诊断方法。为滚动轴承故障诊断进行了理论准备。第四章：实验研究。根据滚动轴承运行过程中出现的故障特点，设计进行了滚动轴承模拟故

7、障实验。开发了与NI9233高速数据采集卡配套的滚动轴承数据采集系统。利用第三章提出的分析方法对实验数据进行了分析处理，并将分析结果与包络谱分析作了比较，验证了该方法在滚动轴承故障信息提取方面的有效性。第五章：总结与展望。根据全文得出相关的结论，并对相关研究内容作了展望。6华中科技大学硕士学位论文2二阶循环统计量理论1.5引言循环平稳信号是指一类特殊的非平稳信号，这类信号的非平稳性表现为循环平稳性，即其统计参量（均值、方差等）呈现周期或多周期平稳变化。在自然界中有许多自然信号包含循环平稳性，循环平稳理论在通讯

8、、雷达、模式识别、水文、气象等领域已取得了大量成果。故障诊断方面，鉴于轴、滚动轴承、齿轮等旋转机械自身结构、工作方式的特点，测取的振动信号注定具有循环平稳性。应用循环平稳信号分析方法进行旋转机械振动信号的故障特征提取已逐渐成为故障诊断领域研究的热点。根据其所呈现的周期性的统计数字特征，这些循环平稳信号可以分为低阶循环平稳（一阶、二阶循环平稳）和高阶循环平稳（三阶及以上循环平稳）。本章主要研究二阶循环