王益有，史俊旭，毛鴻鋒，王亞杰

基于平方解調(diào)與階次分析的軸承故障診斷

王益有，史俊旭，毛鴻鋒，王亞杰

Wang Yiyou，Shi Junxu，Mao Hongfeng，Wang Yajie

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲412005）

針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)頻譜分析導(dǎo)致的譜分量重疊問(wèn)題及滾動(dòng)軸承故障信號(hào)的多載波調(diào)制特征，提出一種基于平方解調(diào)與階次分析的調(diào)制階次提取，并與軸承故障特征相結(jié)合的故障診斷方法。據(jù)此對(duì)某款異響新能源汽車進(jìn)行加速工況測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合驅(qū)動(dòng)總成各軸承故障特征階次確定故障原因。

平方解調(diào)；階次分析；軸承；故障診斷；新能源汽車

0　引言

軸承故障是新能源汽車異響的重要來(lái)源之一，其診斷的頻域特征提取方法包括頻譜分析、功率譜分析[1]、倒譜分析[2]、細(xì)化譜分析[3]、AR模型譜分析[4]、高階譜分析[5]、包絡(luò)譜分析[6]和廣義檢波濾波解調(diào)分析[7]等。

在某款新能源汽車的異響故障診斷中，發(fā)現(xiàn)異響故障特性隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化，通過(guò)對(duì)汽車加速過(guò)程的監(jiān)測(cè)，收集到全面的故障信號(hào)，以此快速識(shí)別故障原因。故障檢測(cè)在電機(jī)加速工況下進(jìn)行，所采集的振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，采用傳統(tǒng)的譜分析技術(shù)會(huì)出現(xiàn)頻譜分量重疊現(xiàn)象[8]。階次分析是一種分析旋轉(zhuǎn)或往復(fù)機(jī)械噪聲與振動(dòng)信號(hào)的技術(shù)，可用于分析轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的噪聲與振動(dòng)信號(hào)[6]。

針對(duì)新能源汽車異響故障的特點(diǎn)，以廣義檢波濾波解調(diào)中的平方解調(diào)和階次分析為基礎(chǔ)，提出調(diào)制階次提取并與軸承故障特征相結(jié)合的故障診斷方法。通過(guò)實(shí)例闡述利用該方法進(jìn)行故障診斷的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1　平方解調(diào)分析

調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)模型[9]為

式中：為時(shí)間；為信號(hào)幅值；n為調(diào)制頻率；為調(diào)幅的調(diào)制指數(shù)；為調(diào)頻的調(diào)制指數(shù)；z為載波頻率。

根據(jù)平方解調(diào)原理，對(duì)式（1）調(diào)制信號(hào)取平方，得

對(duì)式（2）()信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得

由式（3）可知，濾波后b()信號(hào)只包含直流分量、調(diào)制頻率基頻和調(diào)制頻率2倍頻的諧波成分。

2　階次分析

階次分析方法源于角度域采樣理論，通過(guò)同步采集旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行等角度增量重采樣得到角度域內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，則時(shí)域非穩(wěn)態(tài)信號(hào)在角度域下是穩(wěn)態(tài)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到清晰的階次譜。階次分析剔除了機(jī)械運(yùn)行變化的影響，是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析方法[2]，適用于變轉(zhuǎn)速工況的數(shù)據(jù)分析。

為了確定等角度采樣時(shí)間點(diǎn)，通常先設(shè)定參考軸的轉(zhuǎn)速模式，假定在一個(gè)很小的同步采樣時(shí)間間隔Δ內(nèi)，參考軸為勻角加速度運(yùn)動(dòng)，則數(shù)值積分后參考軸的轉(zhuǎn)角[6]為

式中：為同步采樣的參考轉(zhuǎn)速，其對(duì)應(yīng)時(shí)間=Δ×。利用插值法對(duì)插值，得到重采樣等角度間隔Δ所對(duì)應(yīng)的時(shí)間*，同樣插值得到重采樣等角度間隔Δ所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)或噪聲幅值，并對(duì)其進(jìn)行FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的階次圖譜。

3　軸承故障特征

當(dāng)軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體出現(xiàn)點(diǎn)蝕等損傷故障時(shí)，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程一定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率沖擊。根據(jù)缺陷位置不同，滾動(dòng)軸承的缺陷階次特征[6]為

1）內(nèi)圈滾道缺陷

2）外圈滾道缺陷

3）滾珠缺陷

4）保持架缺陷

式中：i為內(nèi)圈滾道缺陷階次；o為外圈滾道缺陷階次；b為滾珠缺陷階次；c為保持架缺陷階次；為滾動(dòng)體數(shù)目；為滾動(dòng)體直徑；m為節(jié)圓直徑；為軸承壓力角；r為電機(jī)軸與軸承中間的傳動(dòng)比。

文中基于平方解調(diào)的階次分析流程如圖1所示。

圖1　軸承故障診斷流程

4　軸承故障診斷實(shí)例

某款新能源汽車行駛過(guò)程中存在“嗡嗡”異響，主觀感受在中高速時(shí)更加明顯。將加速踏板完全踩下進(jìn)行全加速試驗(yàn)，同步采集車內(nèi)噪聲及動(dòng)力總成的振動(dòng)信號(hào)。圖2為現(xiàn)場(chǎng)采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，圖3為車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲信號(hào)，圖4為動(dòng)力總成振動(dòng)信號(hào)。

圖2　電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖3　車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲信號(hào)

圖4　動(dòng)力總成振動(dòng)信號(hào)

根據(jù)式（4）計(jì)算得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的角度位置，如圖5所示。

圖5　電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的角度曲線

根據(jù)平方解調(diào)原理得到A計(jì)權(quán)車內(nèi)噪聲及振動(dòng)信號(hào)的平方解調(diào)曲線。利用插值法對(duì)圖5中角度進(jìn)行等角度間隔插值，計(jì)算得到等角度重采樣時(shí)間，再利用插值法對(duì)平方解調(diào)曲線進(jìn)行時(shí)間插值，得到車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲平方解調(diào)等角度重采樣曲線和動(dòng)力總成振動(dòng)平方解調(diào)等角度重采樣曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲平方解調(diào)等角度重采樣曲線

圖7　動(dòng)力總成振動(dòng)平方解調(diào)等角度重采樣曲線

對(duì)圖6和圖7中平方解調(diào)幅值進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲平方解調(diào)階次譜和動(dòng)力總成振動(dòng)平方解調(diào)階次譜，如圖8、圖9所示。

圖8　車內(nèi)A計(jì)權(quán)噪聲平方解調(diào)階次譜

圖9　動(dòng)力總成振動(dòng)平方解調(diào)階次譜

從圖8中可以明顯看到0.164階及其2倍頻階次，說(shuō)明車內(nèi)噪聲存在0.164階調(diào)制，結(jié)合主觀感受，可以確認(rèn)車內(nèi)“嗡嗡”異響由0.164階調(diào)制聲引起。

從圖9中可以明顯看到0.164階及其2倍頻階次，說(shuō)明振動(dòng)信號(hào)存在0.164階調(diào)制，其特征與車內(nèi)噪聲一致，說(shuō)明車內(nèi)噪聲與動(dòng)力總成振動(dòng)明顯相關(guān)。

根據(jù)該款新能源汽車的傳動(dòng)系各軸承參數(shù)及速比，由式（5）～（8）計(jì)算得出動(dòng)力總成減速電機(jī)中間軸軸承故障特征階次，見(jiàn)表1，可以看出，車內(nèi)噪聲及動(dòng)力總成振動(dòng)的調(diào)制階次與中間軸軸承的保持架缺陷特征階次吻合，與其他軸軸承的缺陷特征不吻合，由此判斷整車異響是由減速機(jī)中間軸軸承故障導(dǎo)致。將減速機(jī)拆解后，發(fā)現(xiàn)中間軸軸承存在卡滯現(xiàn)象，更換中間軸軸承后車內(nèi)“嗡嗡”異響消失。

5　結(jié)束語(yǔ)

平方解調(diào)可以從故障調(diào)制信號(hào)中有效提取滾動(dòng)軸承周期性故障沖擊信號(hào)；階次分析去除運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化的影響，適用于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，可對(duì)變轉(zhuǎn)速工況數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。采用基于平方解調(diào)與階次分析的故障診斷方法對(duì)異響車輛加速工況的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合傳動(dòng)系各軸承故障特征階次確定異響故障原因，證明所提出的方法對(duì)汽車加速工況的異響故障診斷可行。

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2022-12-13

1002-4581（2023）02-0023-04

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A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.006