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)果證明信號分析算法對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個軸承測試結(jié)果

 

3類試驗(yàn)工況下15個軸承測試結(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個數(shù)據(jù)樣本)和工況2的Bearing2_3(共533個數(shù)據(jù)樣本)。接下來，我們分析這兩個軸承的全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差（如圖1、圖2）。

圖1 Bearing1_4全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差

圖2 Bearing2_3全壽命周期加速度標(biāo)準(zhǔn)差

圖1-2可看出，Bearing1_4軸承和Bearing2_3軸承分別在進(jìn)行121個和315個采樣周期后發(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。

圖3 軸承故障特征頻率

我們再次提取Bearing1_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）

圖4 Bearing1_4第122包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

圖5 Bearing2_3第500包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

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。

圖6 Bearing2_1第479包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

圖7 Bearing3_4第1515包數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

（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中沖擊信號的中心頻率和帶寬，繼而對原始加速度信號進(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)對凱斯西儲大學(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）。

圖8 CWRU軸承數(shù)據(jù)集212.mat數(shù)據(jù)樣本包絡(luò)譜

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)，對沖擊信號特別敏感，特別適合軸承異常檢測。在軸承無故障運(yùn)轉(zhuǎn)時，振動信號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，振動信號中沖擊信號的密度增加，信號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)對比分析（如圖9、圖10）。

圖9 Bearing1_4全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)差和峭度系數(shù)

圖10 Bearing2_3全壽命周期標(biāo)準(zhǔn)差和峭度系數(shù)

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從背景噪聲信號中提取后進(jìn)行分析；軸承滾動體與內(nèi)外圈之間會存在滑動情況；振動傳感器安裝位置是否對軸承故障特征產(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.