唐貴基　龐彬

摘要：變轉(zhuǎn)速工況下的滾動軸承微弱故障診斷同時面臨兩個難點：一是滾動軸承的故障特征信號容易被環(huán)境噪聲和干擾信號淹沒；二是滾動軸承故障振動信號的時變特征難以被常規(guī)頻譜方法提取。針對上述問題提出了基于時時能量階比譜的滾動軸承故障診斷方法。首先對變轉(zhuǎn)速工況下的滾動軸承微弱故障振動信號進行時時（time-time，TT）變換，在雙時域上刻畫軸承故障振動信號的時變特征；然后利用提出的時時能量定義計算軸承故障振動信號的時時能量，獲得軸承故障振動信號的時時能量信號；最后對時時能量信號進行階比分析得到軸承故障振動信號的時時能量階比譜，并根據(jù)時時能量階比譜的階次特征識別出軸承故障類型。分析了變轉(zhuǎn)速工況下的滾動軸承故障仿真信號和實驗測試信號，結(jié)果表明：時時能量信號能夠有效追蹤軸承故障振動信號的時變能量分布，增強故障特征信號的沖擊特征，時時能量階比譜較包絡(luò)階比譜抗噪能力更強，為變轉(zhuǎn)速工況滾動軸承微弱故障診斷提供一種有效方法。

關(guān)鍵詞：故障診斷；滾動軸承；TT變換；時時能量階比譜；變轉(zhuǎn)速工況

引言

滾動軸承作為旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，發(fā)揮著支撐和減少摩擦耗能的重要作用。當其出現(xiàn)故障時，不僅影響整個系統(tǒng)的生產(chǎn)工作，甚至引發(fā)重大安全事故。如能及時對其故障形式做出診斷，就可以減少軸承失效造成的經(jīng)濟損失和安全隱患。

滾動軸承的主要失效形式為其組成元件的局部損傷故障，局部損傷點在軸承運動部件旋轉(zhuǎn)過程中與其他部位重復(fù)接觸，產(chǎn)生沖擊信號。恒定轉(zhuǎn)速條件下的沖擊信號為等間隔周期信號，可利用以傅里葉變換為基礎(chǔ)的幅值譜和以Hilbert變換為核心的包絡(luò)分析方法識別滾動軸承的沖擊特征頻率。當振動信號中有大量噪聲和干擾信號存在時，需借助形態(tài)濾波、最大相關(guān)峭度解卷積、倒譜預(yù)白化、高階譜等方法對滾動軸承微弱故障特征進行增強。旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在實際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)速時常是波動的，對于變轉(zhuǎn)速工況的滾動軸承故障診斷更具現(xiàn)實意義。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變化使得故障沖擊信號不再是等間隔的周期性信號，沖擊周期隨轉(zhuǎn)速變化而變化，振動信號表現(xiàn)出顯著的時變特征。常規(guī)的譜分析方法分析此類信號時會出現(xiàn)頻率模糊現(xiàn)象。適用于恒定轉(zhuǎn)速的滾動軸承故障特征增強方法在分析變轉(zhuǎn)速滾動軸承故障振動信號時也遇到諸多難點。如形態(tài)濾波通過構(gòu)建最優(yōu)結(jié)構(gòu)元素長度的形態(tài)濾波器實現(xiàn)滾動軸承故障振動信號周期性沖擊特征提取，而最優(yōu)結(jié)構(gòu)元素長度與故障沖擊周期相關(guān)，處理時變沖擊故障信號時，無法實現(xiàn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)元素長度的設(shè)定。最大相關(guān)峭度解卷積以相關(guān)峭度為評價指標，通過設(shè)計一個解卷積濾波器使得輸出信號相關(guān)峭度最大化，實現(xiàn)故障特征增強。但相關(guān)峭度表達式包含沖擊周期參數(shù)T，在變轉(zhuǎn)速工況下，滾動軸承故障振動信號的沖擊周期不再是定值，因而相關(guān)峭度解卷積也不能直接用于滾動軸承時變故障特征增強。倒譜預(yù)白化通過倒譜編輯去除振動信號中的平穩(wěn)趨勢成分，保留信號中的非平穩(wěn)沖擊特征，而倒譜建立于傅里葉變換基礎(chǔ)之上，不適用于非平穩(wěn)時變信號分析。高階譜定義為高階統(tǒng)計量的多重傅里葉變換，也不適于分析非平穩(wěn)時變信號。

針對變轉(zhuǎn)速工況滾動軸承故障診斷這一難點問題，國內(nèi)外學者進行了深入研究。如文獻[12]提出基于瞬時轉(zhuǎn)速測量的轉(zhuǎn)速階比譜識別方法，用于變轉(zhuǎn)速工況軸承狀態(tài)監(jiān)測。文獻[13]應(yīng)用同步平均技術(shù)降低因負載而導致的轉(zhuǎn)速波動對故障沖擊信號的影響，從而有效提取滾動軸承的故障特征。文獻[14]成功將基于變量預(yù)測模型的模式識別方法用于變轉(zhuǎn)速滾動軸承故障智能識別。文獻[15]提出計算階比分析方法，實現(xiàn)了振動信號的等角度重采樣，使得適于分析恒定轉(zhuǎn)速的故障特征增強方法與譜分析方法具備分析變轉(zhuǎn)速滾動軸承故障振動信號的能力。利用計算階比分析的角域重采樣原理將滾動軸承時變非平穩(wěn)信號變成角域平穩(wěn)信號，再運用形態(tài)濾波、相關(guān)峭度解卷積、倒譜預(yù)白化、高階譜、譜峭度等分析方法提取滾動軸承故障信號的微弱故障特征。但受限于已有故障特征增強方法的局限性，對于變轉(zhuǎn)速的滾動軸承故障特征增強多置于階比重采樣之后，如何直接對原始振動信號進行特征增強，以保證更高的分析精度，具有重要的研究價值。

鑒于上述情況，在研究TT變換和階比分析基礎(chǔ)之上，提出了基于時時能量階比譜的變轉(zhuǎn)速工況滾動軸承微弱故障診斷方法。TT變換是在非平穩(wěn)時頻分析方法S變換基礎(chǔ)上推導而來的時時分析方法，能夠在時時域反映信號的幅值分布。利用此特性首先提出了時時能量的概念，通過計算振動信號的時時能量來反映滾動軸承的時變沖擊特性，直接實現(xiàn)了對原始振動信號的特征增強，然后對時時能量信號進行階比分析得到時時能量階比譜，提取滾動軸承的故障特征階次。通過仿真分析和實驗分析對該方法的有效性進行了驗證。