（机械设计及理论专业论文）基于循环平稳信号处理的滚动轴承故障诊断方法研究.pdf

中请上海交通大学工学博士学住论文 基于循环平稳信号处理的 滚动轴承故障诊断方法研究 摘要 滚动轴承是机械设备中常用、关键的零部件，其工作状态是否正常直接关系到整 台机组乃至整条生产线的生产质量和安全。研究滚动轴承的监测和诊断技术，对于避 免重大事故及变革维修体制等具有重要的理论研究价值和实际应用意义。 本文在分析了滚动轴承现有诊断技术的基础上，根据滚动轴承近似对称的结构特 征及其旋转的工作方式，针对当轴承元件出现损伤时，由损伤点引起冲击调制使观测 到的振动信号表现出循环平稳性这一现象，深入研究了基于循环统平稳信号处理的滚 动轴承振动信号特征提取方法。具体内容如下： 1 ) 研究了一阶循环统计量。基于旋转机械振动中常见的调幅振动信号模型，证 明了这类信号的循环平稳性。对比了循环均值和时域同步平均分析，指出这两者在提 取信号中的一阶周期性特征信息方面具有相同的效果，但是二者的理论基石却完全不 一样。对时域同步平均方法予以改进，得到循环时变同步平均方法，该方法能够更全 面地反映一阶多周期信号中的多周期特征。研究还指出，循环均值不能实现对调幅信 号的解调功能，因此不适合用来分析调幅信号。 2 ) 深入研究了循环自相关函数的解调性能。对比循环自相关函数解调、基于 h i l b e r t 变换的包络解调及平方解调，指出了它们虽在解调时具有相似的功效，但却存 在本质上的差异：循环自相关函数是通过非线性二次变换和循环因子的共同作用获取 循环平稳信号中的周期成分，将调幅信息直接解调到循环频率轴上；包络解调法有解 调功能，却忽略了载波信息；而平方解调则是通过平方变换，实现对信号解调。包络 解调和平方解调都只是实现了循环自相关函数解调的局部功能。 3 ) 对循环自相关函数在特定循环频率处的切片信息进行了研究。对比了循环自 相关函数的模、实部和虚部切片分析。结果表明：循环自相关函数模的切片分析可以 在不同循环频率处获取到调幅振动信号中的不同特征信息，并且在某些特定的循环频 率处，可提取出单一的特征频率成分。在理论研究和仿真分析的基础上，找出了循环 自相关函数模的切片分析的一般性规律。 4 ) 研究了谱相关密度函数。引入时域平滑循环周期图法，用于获取循环平稳信 号的谱相关密度函数。谱相关密度函数通常可以采用对称与非对称两种变换形式加以 实现。不同的变换形式会对谱相关密度函数的信息具体表现形式产生影响。推导了谱 机械系统与振动国家重点实验至 中文摘要 相关密度函数的一般表达式，给出了一般换形式下谱相关密度函数分布规律图。同时 研究指出尽管变换形式不同，但是谱相关密度函数反映的信息特征实质是一样的，都 可以揭示出循环平稳信号中的全部信息。 5 ) 针对故障滚动轴承冲击调幅振动信号的特点，改进了循环平稳度的定义，用 于判别非平稳信号中包含周期成分强弱的程度。针对具有不同循环平稳度的非平稳信 号，研究指出要采用不同的信号分析与处理方法，才能有效地识别和诊断。 6 ) 噪声干扰是信号特征提取中会遇到的一个重要问题，本文探讨性研究了白噪 声对循环谱密度的影响，指出了二阶循环统计量对加性白噪声的渐进免疫性能。 7 ) 本文也研究了高阶循环统计量理论及其实现方法。在理论研究的基础上，本 文对比了二阶统计量、高阶统计量和循环统计量的一些性能指标，指出高阶循环统计 量具有更好的抗噪声干扰性能。将二阶循环统计量的切片分析理论引入到高阶循环统 计量分析中，能够更加直观地将信号的高阶循环统计量分布表述出来，为高阶循环统 计量的工程应用奠定了一定的基础。但是，高阶循环统计量具有算法复杂、计算效率 低等缺陷，在一定的程度上限制了其实用性。 8 ) 鉴于二阶循环平稳分析对白噪声的渐进免疫性、对有色噪声的敏感性以及高 阶循环平稳分析的计算复杂性，传统的循环平稳分析方法对几乎循环平稳信号的循环 平稳特征提取存在缺憾。本文根据m o f l e t 小波自身的特点以及连续小波变换的优越 性，针对弱冲击调制信号，采用最小熵m o r l e t 匹配小波基选择原理选择适合提取冲击 特征的小波基，利用最大似然估计阈值消噪方法，实现弱冲击信号的冲击特征强化。 对于旋转机械早期故障而言，因为早期故障引起的弱冲击调制导致了几乎循环平稳现 象，利用基于m o r l e t 小波的弱冲击信号冲击特征强化方法，强化这类几乎循环平稳信 号的循环平稳特征，从而为这类信号有效地进行循环平稳分析奠定了基础。 9 ) 本文还研究了故障滚动轴承的循环平稳振动模型，在传统振动模型基础上， 本文引入冲击的幅值、周期以及响应等三个时变量因子，得到了可以模拟内圈、外圈 以及滚动体等故障的综合振动模型。新模型与传统模型相比，更加贴近故障滚动轴承 的实际情况。并通过仿真实验，证明了该模型的循环平稳性。 1 0 ) 最后，本文进行了大量的实验研究，对不同类型故障的滚动轴承，对比了传 统功率谱分析、包络分析、平方解调分析、二阶循环平稳分析、循环双谱分析，基于 m o f l e t 小波的循环平稳特征强化分析等分析方法的分析结果，论证了理论研究成果的 正确性和有效性。将循环统计量分析方法和改进的b p 神经网络相结合，构建了一个 滚动轴承故障智能诊断系统，为滚动轴承的智能诊断提供了一种新的解决思路。 关键词：循环平稳，循环统计量，特征提取，小波分析，滚动轴承，故障诊断，智能 诊断 机械系统与振动国家重点实验室 中请上海交通大学工擘博士学位论文 r e s e a r c h0 nt h ef a u i 卫d n g n o s i sm e t h o d o fr o l l i n ge l e m e 卜n rb e a r i n g b a s e d0 nc y c l o s t a t i o n a r ys i g n a i p r o c e s s i n g a b s t r a c t r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n gl so n eo tt h em o s tw i d e l yu s e dc o m p o n e n t si na l m o s ta l lk i n d s o f m a c h i n e r y i t sw o r k i n gc o n d i t i o nh a si n f l u e n c eo np r o d u c tq u a l i t ya n dw o r k i n gs a f e t yi n i n d u s t r yd i r e c t l y s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt or e s e a r c ho nb e a r i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i st e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l yf o rb e a r i n ge a r l yf a u l t s o m et e c h n i q u e so fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gf o rr o l l i n ge l e m e n tb e a t i n gh a v eb e e n a n a l y z e di nt h et h e s i s s i n c es y m m e t r yo ra p p r o x i m a t e l ys y m m e t r yo fw o r k i n gp a r t so fa b e a r i n ga n di t su n i q u e l yp e r i o d i c a lr o t a t i n gw o r k i n gm o d e ，v i b r a t i o no fad e s t r o y e db e a t i n g g e n e r a l l ye x h i b i t ss t r o n gp e r i o d i c i t y t h e s ep e r i o d i c a lp u l s e sb r i n ga m p l i t u d em o d u l a t i o n ( a m ) c h a r a c t e r i s t i c c o n s i d e r i n gt h ea b o v er e a s o n s ，an e ws i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o df o r b e a r i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gi ss t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , f i r s t o r d e rc y c l i cs t a t i s t i c s ，n a m e dc y c l i cm e a n ( c m ) v a l u e ，i ss t u d i e d a n e x a m p l er e s u l th a sb e e no b t a i n e db yc y c l i cm e a nf o rt h ea m p l i t u d em o d u l a t i o ns i g n a l ， w h i c hp r o v e dt h es i g n a le x h i b i t c y c l o s t a t i o n a r i t y t h er e s u l t so fc ma n a l y s i sa n d s y n c h r o n o u sa v e r a g e ( s a ) a n a l y s i sa r ec o m p a r e d i ti sp o i n t e do u tt h a tt h et w om e t h o d s p o s s e s ss i m i l a rp e r f o r m a n c ef o ri d e n t i f y i n gt h ef i r s t o r d e rp e r i o d i c a lf e a t u r eo ft h es i g n a l h o w e v e r , t h e i rb a s i st h e o r i e sa r ed i f f e r e n t ，t h ec mi sb a s e do ns i n e - w a v eg e n e r a t i n g a l g o r i t h m ，b u tt h es ai sj u s tb a s e do nt h ea v e r a g ee s t i m a t e am o d i f i e dc y c l i ct e m p o r a r y s y n c h r o n o u sa v e r a g e ( c t s a ) m e t h o di sp u tf o r w a r d t h ec t s aa n a l y s i sm e t h o dc a n e x h i b i tt h ef i r s t - - o r d e rm u l t i - p e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a lm u c hm o r ec l e a r l y o u r r e s e a r c ha l s oi n d i c a t e st h a tc y c l i cm e a nd o e sn o tp o s s e s sd e m o d u l a t i o nf u n c t i o n af u r t h e rc o n c l u s i o ni si n t r o d u c e dt h a tc y c l i ca u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( c a f ) p o s s e s s e sd e m o d u l a t i o nc a p a b i l i t y c o m p a r i n gc a fw i t he n v e l o p ed e m o d u l a t i o na n d s q u a r ed e m o d u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a tt h et h r e em e t h o d sh a v eas i m i l a rp e r f o r m a n c eo n e x t r a c t i n gf e a t u r ef r e q u e n c i e so fa na ms i g n a l h o w e v e r , t h et h r e em e t h o d sa l s oh a v e e s s e n t i a ld i f f e r e n c e c a fc a no b t a i nt h ep e r i o d i c a li n f o r m a t i o nf o rac y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l b yn o n l i n e a rt r a n s f o r ma n dc y c l i c f a c t o r i td e m o d u l a t e st h ea mc o m p o n e n t st oc y c l i c f r e q u e n c ya x i sd i r e c t l y e n v e l o pd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo n l ye x t r a c t sa mf r e q u e n c i e s f r o mt h eo r i g i n a ls i g n a l ，a n dd o e sn o to b t a i na n yi n f o r m a t i o na b o u tc a r r i e rw a v e s q u a r e d e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei s j u s tas p e c i a lp a r to f t h ec a fw h e nt i m el a gi se q u a lt oz e r o f u r t h e rs t u d yf o c u s e so nt h es l i c e so fa m p l i t u d eo fc a l fa td i f f e r e n tc y c l i cf r e q u e n c i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es l i c e so ft h em o d u l eo fc a fc a i le x t r a c td i f f e r e n ti n f o m a t i o n 机械系统与振动国家重点实验室 a b s t r a c t c o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tc y c l i cf r e q u e n c i e s a ts o m ec e r t a i nc y c l i cf r e q u e n c i e s ，t h e m o d u l eo fc a fe v e nc a l le x t r a c tp u r ef e a t u r ef r e q u e n cy _ s e v e r a le x a m p l e sh a v eb e e n a n a l y z e da n dc o m m o nr u l e sa r es u m m a r i z e d s p e c t r u mc o r r e l a t i o nd e n s i t yf u n c t i o n ( s c d ni ss t u d i e di n t h i st h e s i s t h et i m e s m o o t h e da n df r e q u e n c ys m o o t h e dc y c l i cp e r i o d o g r a ma r ei m p o r t e dt oo b t a i ns c d f s l i c e s o fs c d ff o rs o m ec y c l i cf r e q u e n c i e sa r ea n a l y z e d a n dt h es i m i l a rr u l e sa r eo b t a i n e da s c a fn l e r ea r em a n yk i n d s o ft r a n s f o t i nm o d e so fs c d et h es y n m m t r i c a ta n d n o n s y m m e t r i c a lt r a n s f 0 1 i l l a t i o n sa r ec o m m o n l yu s e d t h er e s u l to fs c d fv i aau s u a l t r a n s f o r m a t i o ni sd e d u c t e d t h er e s u l ts h o w st h a td i f i e r e n tt r a n s f 0 1 1 1 1w i l la f f e c ti n f o r m a t i o n e x p r e s s i o nf o rs c d fh o w e v e gt h ee s s e n c e sw h i c ht h es c d fp r o v i d e da r et h es a m e d e g r e eo fc y c l o s t a t i o n a r y ( d c s ) i sd i s c u s s e d ，a n das p e c i a ld c sd e f i n i t i o nf o r e n g l n e e r i n ga p p l i c a t i o ni sp r o v i d e d i ti sas c a l ef o rt h ei n t e n s i t yo fp e r i o d i c a li n f o r m a t i o n f o rn o n s t a t i o n a r ys i g n a l av i e w p o i n ti sr e f e r r e dt h a t c o r r e s p o n d i n gs i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u es h o u l db ea d o p t e dt oa n a l y z es i g n a lw i t hd i f i e r c n td c s h 碘e r - o r d e rc y c l i cs t a t i s t i c s ( h o c s ) t h e o r yi s a l s od i s c u s s e d s o m ep e r f o r m a n c e s h a v eb e e nc o m p a r e dw i t hs e c o n d + o r d e rs t a t i s t i c s ，h i g h e r - o r d e rs t a t i s t i c sa n dh i g h e r - o r d e r c y c l i cs t a t i s t i c s t h ec o n e l u s i o ni st h a th o c sh a sb e t t e ra n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e t h e s l i c ea n a l y s i sm e t h o do fs o c si se x t e n d e dt oh o c sd o m a i n w h i c hc a ne x p r e s st h er e s u l t s o fh o c sm o r ec l e a r l y h o w e v c r , h o c sh a ss o m el i m i t a t i o n s s u c ha st h ei m p l e m e n t m e t h o di sc o m p l e x l ya n dt h ec a l c u l a t i o nd a t ai st o ol o n g an e wc y c l o s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i cs t r e n g t h e n i n gm e t h o do fw e a kc y c l o s t a t i o n a r y s i g n a lb a s e do nm o r l e tc o n f i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r r n ( c w t ) i sa d v a n c e d t h i sm e t h o d u s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o r l e tw a v e l e ta n dt h ea d v a n t a g eo fc w t a c c o r d i n gt ot h e m i n i m u mo fe n t r o p yp r i n c i p l ea n dt h et h r e s h o l dm a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t em e t h o d ，a n d a tl a s tc a i ls t r e n g t h e nt h ec y c l o s t a t i o n a r yc h a r a c t e r i s t i c so f t h ew e a kc y c l o s t a t i o n a r ys i g n a l t h et r a d i t i o n a lv i b r a t i o nm o d e lo ff a u l tr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g si sm o d i f i e da n dg e t sa n e wc y c l i cm o d e l ，t h en e wm o d e lu s e st h r c er a n d o mt i m e v a r y i n gp a r a m e t e r st os i m u l a t e t h et i m e v a r y i n go ft h ea m p l i t u d e ，t h ep e r i o do ft h ei m p u l s ea n dt h er e s p o n s eo ft h es y s t e m t ot h i si m p u l s e t h e s ei m p r o v e m e n t sm a k et h en e wm o d e la p p r o a c ht ot h er e a lw o r k c o n d i t i o no f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sm u c hm o r ec l o s e l y e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sw e l ld o n ea t1 a s t s e v e r a ld i f f e r e n tk i n d so fr o l l i n ge l e m e n t b e a r i n gl o c a lf a u l t sa r ei n v e s t i g a t e d t h ev i b r a t i o nd a t aa r ca c q u i r e da n da n a l y z e d t h e r e s u l t sv e r i f i e st h ea c c u r a c yo fc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nt h ep r e s e n ts t u d ya n d d e m o n s t r a t e si t s a v a i l a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，a ni n t e l l i g e n c e d i a g n o s i ss y s t e mo fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sb a s e do nc y c l i cs t a t i s t i c sa n db pn e u r a l n e t w o r k si se s t a b l i s h e d w h i c hp r o v i d e san e wk i n do fm e t h o dt os o l v et h ei n t e l l i g e n c e d i a g n o s i sp r o b l e mo f r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s k e y w o r d s ：c y c l o s t a t i o n a r y , c y c l i cs t a t i s t i c s ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m ， r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，i n t e l l i g e n td i a g n o s i s i v 机械系统与振动国家重点实验室 申请上海交通大学工学博士学位论文 符号说明 说明 时问 采样长度 循环频率 时间滞后 圆频率 相位 频率 采样频率 时变矩 循环矩 时变累积量 循环累积量 时变均值 循环均值 时变自相关函数 循环自相关函数 时变谱函数 谱相关密度函数 三阶时变矩 三阶循环矩 三阶循环矩谱 三阶时变累计量 三阶循环累计量 三阶循环累计量谱 谱相关系数 尺度因子 平移因子 单位 j j 胞 s r a d l s r a d 胁 h z 机械系统与振动国家重点实验室 号 ， ， ， ， _ ， ， l 一，。，。，t蚋一峒删嵋一删舢。 符号说明 母小波函数 小波基函数 小波系数 阻尼比 固有频率 有阻尼固有频率 时间平均算子 工作轴的旋转频率 滚动体的通过频率 外圈的通过频率 内圈的通过频率 i 幅值调制 频率调制( 相位调制) 功率谱密度 信噪比 循环均值 循环自相关函数 谱相关密度函数 循环平稳度 连续小波变换 离散小波变换 其它符号在文中出现处说明。 h z h z h z h z h z h z v 2 ，j 以 机械系统与振动国家重点实验室 螂批忡；l q，厶厶矗肼肌脚害|叫一嬲一 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 砚褊暑 日期：硐年年月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密豳。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 日期：司年午月 同襦b指导教师签名：f ；系逆一 日期：砂司年乒月衫日 中请上海交通大学工学博士擘位论文 第一章绪论 从理论分析与工程应用的角度出发，简要阐述了论文的选题背景和研究意叉针对机械设备 故障诊断、滚动轴承故障诊断，循环平稳信号处理等方面，分析了滚动轴承故障诊断的国内外研 究现状、研究进展与发展趋势，循环平稳信号处理在旋转机械故障诊断中的应用研究现状等在 此基础上，给出了论文的主要研究内容 1 1 选题背景 随着科学技术的高度发展，工业化程度的不断提高，机械设备的精密程度、复杂 程度及自动化程度越来越高。高技术的采用对现代化设备，特别是电力、石化、冶金、 航天、航海、核工业等工业的设备安全性、可靠性提出越来越高的要求。然而随着大 量生产设备的老化，导致许多老设备、老机组已接近其寿命期，进入。耗损故障期”， 故障率逐渐增大。一旦某处发生故障，将有可能引发一系列的连锁反应，导致整台设 备乃至整条生产线的不正常运行，其结果轻则造成巨大的经济损失，重则导致恶性的 事故，造成深远的社会危害。 因机械设备故障而引发的重大甚至是灾难性的人员伤亡和财产损失的例子不胜 枚举1 9 8 6 年1 月2 8 日，美国航天飞机“挑战者”号由于管道泄漏，液体燃料未能 进入高温区而引发爆炸事故，导致7 名宇航员全部遇难，总计经济损失约1 2 亿美元， 并使美国航天事业的发展一度处于停滞状态，对整个航天事业产生巨大打击：1 9 8 6 年4 月2 6 日，前苏联切尔诺贝利核电站4 号反应堆爆炸起火，大量放射性物质外泄， 致使3 1 人死亡，2 3 7 人受到放射性严重伤害，1 3 万居民紧急疏散，损失达3 0 亿美元， 污染并波及到周边各国；1 9 8 8 年2 月2 8 日，陕西秦岭发电厂2 0 0 m w 的5 号汽轮发 电机组在解列后进行超速实验过程中发生了轴系断裂事故，造成经济损失约3 0 0 0 万 元l 嵋川。上述等等令人触目惊心的数字使得人们日益关注着机械设备的状态监测和故 障诊断问题，发展和完善各种离线与在线监测技术，希望可以防患于未然。我国把开 展设备状态监测和故障诊断工作的要求纳入到国营工业交通设备管理条例中，明 文规定：“要根据生产需要，逐步采用现代故障诊断和状态监测技术，发展以状态监 测为基础的预防维修体制。”1 4 l 滚动轴承是电力、石化、冶金、机械、航空航天以及一些军事工业部门中使用最 广泛的机械零件，也是最易损伤的元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有着 密切的关联。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械设备中，约有3 0 的机械故障是与 轴承损伤有关联的。可见，滚动轴承工作状态是否正常对于整个机械设备乃至整条生 产线的运行状态有着重大的影响。因此，开展滚动轴承故障诊断与预报的研究对避免 机械系统与振动国家重点实验室 第章培论 重大事故、变革维修体制和促进经济发展等都具有重要的现实意义。 在滚动轴承的状态监测与故障诊断技术中。研究振动信号处理理论和方法是提取 故障特征、有效开展故障诊断研究的基础。然而，在滚动轴承运行过程中，采集信号 时难免会受到大量非监测部件振动的干扰，造成有效信号的湮没。这种现象在滚动轴 承早期故障阶段时表现得尤为明显。如何采用有效的分析工具和算法，分离轴承振动 信号和其他干扰信号，实现故障的早期监测和诊断，一直是人们急于解决而又未能很 好解决的难题。 循环平稳信号处理理论是产生于上个世纪中叶，并在上个世纪末期得到迅速发展 的一种新兴的信号处理手段，它的研究对象是非平稳信号中的一类特殊信号循环 平稳信号，这类信号具有周期性变化或者多周期性变化的统计参量。与传统的信号处 理手段分析相比，循环平稳信号处理引入了循环频率这个概念，从而将非平稳信号转 化为在一定程度上平稳的信号进行处理。该方法能够很好地进行非平稳信号中弱周期 性信号的检测，对于具有循环平稳特性的旋转机械振动信号处理有非常重要的意义。 基于以上背景，本课题提出了基于循环统计量理论的滚动轴承的故障诊断方法的 研究本文旨在较为深入地研究循环平稳信号处理理论，以此为主主要围绕着低阶循 环平稳理论、高阶循环平稳理论、基于小波预处理的循环平稳处理理论和滚动轴承早 期故障循环平稳振动模型等几个方面展开了深入的研究，并将所取得的理论研究成果 应用于滚动轴承早期故障诊断过程中予以试验验证。期望本文的工作对循环平稳信号 处理理论和滚动轴承的故障诊断技术研究有所裨益。 1 2 滚动轴承故障诊断技术研究现状 l 工l滚动轴承的放障特点 滚动轴承具有一个突出的特点，其寿命离散程度非常大因此，若仅呆板地按照 设计寿命对轴承进行定期维修，则势必造成：一方面，对超过设计寿命而完好工作的 滚动轴承拆下来作为报废件处理，造成资源浪费：另一方面，对未达到设计寿命而出 现故障的轴承，或是到定期维修时拆下来报废，使得机器在轴承出现故障后和拆下前 这段时间里工作精度下降，或是未到维修时限就出现了损伤加剧现象，导致整台机械 发生严重故障。由此可见，对重要用途的轴承来说，定期维修很不科学，要随时进行 工况的监测和故障的判别。这样不仅可以防止设备工作精度下降，减少事故发生的机 率，还可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，具有重要的现实意义 轻微损伤的轴承可以从使用情况，特别是轴承工作表面的磨损状况、磨损轨迹等 征兆来推断出其失效的真正原因。损伤严重的轴承是因突发事故而完全报废的轴承， 最终的破损状况往往早已掩盖了初始损伤的痕迹，暴露出来的只是轴承最终咬死和烧 毁的现象，以及已破损的轴承零件的残骸。这些原因使得人们容易混淆轴承损伤的最 主要根源，只能从轴承的工作条件、润滑状况、支承的整体结构以及损伤的形式做出 机械系统与振动国家重点实验室 中请上海交通大学工学博士学位论文 推断，并借助其他科学的分析方法来验证。因此，在滚动轴承的实际使用过程中，应 该立足于轴承损伤状况的监测与识别，研究早期故障诊断技术，以预防因轴承损伤而 引发的停机、停产和设备损坏等重大经济损失和人员伤亡事故 1 2 2滚动轴承监测与诊断研究进展及现状 滚动轴承状态监测和故障诊断技术起源于2 0 世纪3 0 年代，现已进入实用化和商 业化的发展阶段m l ，从监测方法发展情况来看，大致经历了五个不同的发展阶段： 第一阶段是借助听音棒等简易仪器仪表来监测轴承的工作状态和损伤情况。人工 经验在诊断中占有主导地位，诊断的准确性和可信度都比较差。 第二阶段是采用频谱分析仪器来诊断轴承故障。快速f o u r i e r 变换技术的出现， 使得频谱分析技术得到长足发展。将滚动轴承元件有损伤时产生的振动信号特征频率 与频谱分析仪得到的结果相对照，就可以获知此轴承是否存在有故障f 7 潮。但是，由于 当时设备价格昂贵，分析精度低，抗千扰性能差，轴承的监测和诊断并未走向实用化。 第三阶段是使用冲击脉冲技术诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代，瑞典s p m 仪器公 司开发了一系列称为冲击脉冲计( s p m ：s h o c kp u l s em e t e r ) 的仪器来监测轴承的工况， 如轴承分析仪0 3 e a r _ l - ga n a l y z e rb e a - 5 2 ) ，轴承自动分析系统( b e a r i n ga u t o a n a l y s i s s y s t e mb a s 系列产品) 等这些设备具有操作灵活方便的特点，现仍在广泛使用。 第四阶段是利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，h a t t i n g 发明了共振解调 分析系统【9 r 埘共振解调技术采用谐振和带通滤波技术，借助包络频谱分析方法，极 大地提高了分析结果的精度与s p m 技术相比较，共振解调技术不仅监测到冲击信 号引起的高频谐振的幅值，还进行幅值包络信号的频谱分析，可诊断出轴承是否存在 故障，故障发生的部位以及损伤的大致严重程度。 第五阶段是以微机为中心的滚动轴承智能诊断系统。将现有的滚动轴承状态监测 技术与神经网络、专家系统等非线性信号与信息处理技术相结合，建立滚动轴承故障 特征信息库，实现轴承工况的智能分类和诊断，达到实时智能监控 1 1 , 1 2 1 。 以上五个阶段基本都是以振动分析方法为基础的，通过安装在轴承座和箱体上的 振动传感器来监测轴承的振动信号，并对其进行分析和处理的方法。振动分析法适合 于各种类型各种工况的轴承，可有效诊断出轴承的早期故障，信号测试方便，分析简 单直观，诊断结果可信度高。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承监测诊断仪器和 系统中绝大多数都是根据振动原理研制的，有关轴承监测和诊断方面的文献8 0 以上 也都是讨论的振动分析法。 基于振动信号分析的滚动轴承监测和诊断技术，主要利用观测信号的以下特征： 1 ) 周期性冲击振动。当滚动轴承元件存在缺陷或发生损伤时，设备运行过程中 损伤部件将对系统产生周期性冲击作用。每次冲击都将激发起系统高频固有振动，表 现为弱阻尼自由衰减振动。振动信号通常会呈现出具有一定周期性的冲击衰减波形。 机械系统与振动国家重点实验室 第一幸培论 2 ) 幅值调制现象。由于滚动轴承特有的物理结构特点，轴承元件发生故障时产 生的冲击振动往往受到来自系统和周围干扰因素的影响，表现出调制，特别是幅值调 制现象因而，滚动轴承的振动信号中常包含有幅值调制特征。 以上这两个振动信号特征为准确识别轴承的故障提供了重要的参考依据和有效 的切入点。 1 2 3现有诊断技术的局限性及急待解决的问题 在以往的经典信号分析与处理方法中，为了便于分析与处理，对待分析对象进行 一些理性化的处理和简化，例如假设被分析的信号具有线性性、平稳性和最小相位等 特征，并在此基础上形成了完整的理论体系和方法u 3 。但是，在工程实际应用中，这 样的简化常常忽略了信号中的一些重要特征，特别是一些非平稳的信息，这些信息往 往预示着设备状态的发展趋势。利用传统方法对滚动轴承进行状态监测与分析时，不 能充分反映出轴承的的真实运转情况对于工作在较为理想工况条件下的简单机械设 备，分析结果尚可；对于精密机械设备或者是在复杂的工况条件下的设备，则诊断结 果常常差强人意，误诊和漏诊现象的大量出现，这是是影响设备状态监测与诊断技术 的推广和进一步发展的最主要原因。 随着各种新兴的信号与信息处理方法的引入，如p r i e s t l e y 演变谱、短时f o u r i e r 变换、c o h e n 类时频表示( 如w i g n e r - v i l l e 分布、c o h e n 分布) 、小波分析、非线性时间 序列分析等，振动信号分析方法在非线性、非稳态和非高斯特征处理方面有了长足的 进步，带来了一定的社会和经济效益【1 删。但是，上述几种信号处理方法本身也存在 一些固有的缺陷，例如并未充分考虑到旋转机械设备固有的周期时变特性。演变谱方 法要求时变信号需要具有多个观测记录，而短时f o u r i e r 变换和c o h e n 类时频表示通 常要求非平稳信号是慢变化的【2 i 】等等 此外，现有的信号分析技术在低信噪比振动信号的特征提取方面，并未取得突破 性进展。滚动轴承的振动信号由于经历复杂传递途径所带来的干扰，往往造成故障信 息淹没在背景噪声和干扰之中，从而使信号特征提取变得异常困难。 1 3循环统计量理论的发展概况 现代信号分析与处理技术的本质从整体上来说可以用七个“非”字加以高度地概 括，即：研究和分析非线性、非因果、非最小相位系统、非高斯、非平稳、非整数维 ( 分形) 信号和非白色的加性噪声( 有色噪声) 。很多新兴的信号处理与分析技术都是针对 这七个特征发展起来的。循环统计量理论主要针对的是信号的非平稳特征。 1 3 1循环平稳理论 早在二十世纪五十年代，人们就已经发现许多的人工信号和天然信号是这样一类 机械系统与振动国家重点实验室 申请上海交通大学工擘博士擘住论文 特殊的非平稳信号，它们的非平稳特性表现为一定的周期性，也就是说其统计特征参 量随时间呈现出周期或多周期( 各周期互质) 的变化规律。此类信号被称为循环平稳或 周期平稳( c s ：c y c l o m t i o n 盯y ) 信号。具有季节性变化或周期性变化的天然信号，例如 水文信号、气象信号、大气信号、海洋信号和天文信号等，都是典型的循环平稳信号。 齿轮、轴、轴承、活塞等机械设备的振动信号也具有循环平稳特征。虽然人们很早就 已经意识到许多信号中存在循环平稳性这一个客观事实，但只有当高阶统计量【2 3 2 5 1 这一数学工具诞生以后才得以真正揭开循环平稳信号的本质，从而形成了- f l 崭新的 理论学科循环平稳理论。 相对其他非平稳信号