滚动轴承故障诊断的阶比多尺度形态学解调方法收

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1、滚动轴承故障诊断的阶比多尺度形态学解调方法收摘要：针对变转速下滚动轴承的故障诊断问题，提出滚动轴承故障诊断的阶比多尺度形态学解调方法。该方法先采用线调频小波路径追踪算法获得轴承的故障特征频率，再对非平稳转速下时域振动信号的包络进行等角度重采样得到平稳信号，并用基于信号局部峰值的方法确定多尺度形态学分析的结构元素，用各结构元素对重采样信号进行形态学操作，最后对操作结果的平均值做频谱分析，以完成阶比多尺度形态学的解调过程。线调频小波路径追踪算法能很好地提取轴承非平稳振动信号的故障特征频率，而多尺度形态学解调是对各尺度形态学分析结果的平均值进行频谱分析，能有效地抑制噪声，从而使得该方法具有很

2、好的抗噪性能，适用于工程实际中变转速轴承振动信号的分析。仿真分析和应用实例证明了该方法的有效性和优越性。关键词：故障诊断；滚动轴承；线调频小波；阶比跟踪；多尺度形态学分类号：TH165+.3；TP133.33文献标识码：A文章编号：10044523(2013)02025208引言滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的部件之一，各种旋转机械输出轴的支撑大多采用滚动轴承形式。滚动轴承的运行状态对整台机器的安全运行影响最大［1］，其运行状态的正常与否将直接影响到整个机组的性能，因此滚动轴承的状态监测和故障诊断技术研究具有重要的工程应用价值。滚动轴承发生故障时，会产生周期性的脉冲冲击力，从而产生振

3、动信号的调制现象，频谱图上表现为固有频率两侧出现间隔均匀的调制边频带［2］。传统的轴承故障诊断方法通过对轴承振动信号进行解调诊断故障。常用的软件解调方法有广义检波滤波解调、希尔伯特变换解调。在广义检波滤波解调分析中，由于取绝对值、检波过程或平方过程都会使载波频率有可能出现高次谐波而产生混频效应，因此需要选择合适的采样频率以避免这种混频效应［3］。Hilbert解调由于Hilbert算子的加窗效应，使得解调结果出现非瞬时响应特性，即在解调出的调制信号两端及有突变的中间部位产生调制，表现为幅值按指数衰减波动，从而使解调误差增大［4］。数学形态分析是基于积分几何和随机集的非线性信号分析方法。

4、该方法通过形态变换将一个复杂信号分解为具有物理意义的各个部分，使其与背景剥离，同时保留信号主要的形状特征［5］。数学形态学在考察信号时使用结构元素探针，通过结构元素探针在信号中不断移动来提取有用信息进行特征分析和描述［6,7］。多尺度形态学的结构元素由信号产生，具有一定的适应性，能更有效地提取信号的冲击特征［8〜10］。对故障振动信号进行多尺度形态学操作，提取故障信号的冲击特征，然后进行频谱分析，能较好地迗到解调的目的。与传统的解调分析比较，由于算法只涉及加减运算，不需要对信号进行绝对值、Hilbert算子等运算，一方面可以减少由于算子运算产生的混频效应、加窗效应等；另一方面降低了算法

5、的复杂度。且不需要对运算结果进行低通滤波，无需预先选择截止频率，因此多尺度形态学解调是一种很好的解调分析方法。根据轴承故障特征频率公式［11］，轴承故障特征频率与轴承的相关尺寸和转速相关。当转速变化时，轴承的故障特征频率会随转速一起变化，从而此时的故障特征频率不再是某一固定值，而是随时间变化的一条故障频率曲线。傅里叶变换以及其他的解调方法需要信号满足平稳化的要求，因此传统的轴承故障诊断方法不适用于转速变化情况下的轴承故障诊断。EmmanuelJCandes等近年来提出的线调频小波路径追踪算法能有效提取信号的瞬时频率［12］。本文将线调频小波路径追踪算法与多尺度形态学解调方法相结合，提出

6、了基于线调频小波路径追踪的阶比多尺度形态学解调方法，并用于转速大范围波动情况下的滚动轴承故障诊断。当滚动轴承发生故障时，其载波频率一般为外环的各阶固有频率，而调制频率为产生疲劳剥落元件（内环、外环或滚动体）的通过频率及其倍频［13］。本文方法先用线调频小波路径追踪算法估计转速波动滚动轴承的故障特征频率；再依据获得的通过频率对等时间间隔采样的滚动轴承振动信号进行插值和重采样，得到等角度采样的角域平稳信号；最后用信号局部峰值方法确定多尺度形态学分析的结构元素，根据各结构元素对重采样信号进行形态学操作，进而获得操作结果平均值的阶次谱以诊断滚动轴承故障。仿真信号和实验信号分析结果表明，基于线调

7、频小波路径追踪的阶比多尺度形态学解调的方法可以有效地应用于滚动轴承的故障诊断。1线调频小波路径追踪算法式（1）定义的多尺度线性调频基函数在动态分析时间段内的瞬时频率为au+2b111,在时频面的表示如图1所示。通过信号在多尺度线性调频基函数上的逐段投影分析，计算获得每个时间分析段I内的最大投影系数和对应的线调频基元函数，该基元函数即为在时间分析段I中与分析信号最为相似的频率成分，适合在小的动态分析时间段内逐段拟合频率呈曲线变化的频率成分。线调频