基于EMD和Teager能量的滚动轴承故障诊断.pdf

第5 2 卷第1 期 V 0 1 5 2 N o 1 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 4 年1 月 J a n u a r y2 0 1 4 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 4 0 1 0 0 6 基于E M D 和T e a g e r 能量的滚动轴承故障诊断 肖森 于学兵 11 6 0 2 3 辽宁省大连市大连理工大学能源与动力学院 摘要 对滚动轴承故障信号进行T e a g e r 能量谱分析是一种有效的方法 但是T e a g e r 能量算子使用对象为单分 量信号 根据E M D E m p ir ica l M o d eD e co m p o s it io n 能够自适应地把信号分解成单分量调制信号I M F I n t r in s ic M o d eF u n ct io n 的特点 提出了一种基于E M D 和T e a g e r 能量的故障诊断方法 通过对E M D 分解出的与原信号 互相关系数最大的分量作T e a g e r 能量谱分析进行诊断 分析了滚动轴承故障实验信号 并与信号的直接T e a g e r 能量谱作了比较 验证了该方法的有效性 关键词 滚动轴承 经验模式分解 T e a g e r 能量算子 故障诊断 中图分类号 T H l6 5 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 4 0 1 0 0 2 4 0 4 R o lle rB e a r in gF 锄nD ia g n o s isB a s e do nE M Da n dT e a g e rE n e r g y X ia oS e n Y uX u e b in g S ch o o lo f E n e r g ya n d P o w e r E n g in e e r in g D a lia n U n iv e r s it yo f T e ch n o lo g y D a lia n C it y L ia o n in g P r o v in ce1 1 6 0 2 3 C h in a A b s t r a ct T e a g e re n e r g ys p e ct r u ma n a ly s isisa ll e f f e ct iv em e t h o do ff a u ltd ia g n o s isf o rr o lle rb e a t in g s t h elim it a t io nist h a tt h e T e a g e ra lg o r it h ms h o u ldo n lyb ea p p lie dt os in d e co m p o n e n ts ig n a ls T h ee m p ir ica l m o d ed e co m p o s it io n E M D m e t h o dca n d e co m p o s eas ig n a l in t oin t r in s icm o d ef u n ct io n s I M F w h icha les in g le co m p o n e n ts ig n a ls An e wf a u ltd ia g n o s isa p p r o a cho f r o lle rb e a r in gb a s e do nE M Da n dT e a g e re n e r g yisp r e s e n t e d I tca lcu la t e st h eT e a g e re n e r g yo ft h eh ig h f r e q u e n cyI M F sd e r iv e d f r o mE M Da n dt h e nid e n t if yt h ef a u ltca t e g o r ie st h r o u g ht h eF r o u ie rt r a n s f o r mo ft h ee n e r g ys ig n a l T h ee x p e r im e n t a lr e s u lt s v a lid a t e dt h ee f f e ct iv e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d Aco m p a r is o nW a sa ls om a d ew it ht h er e s u lto ft h eT e a g e re n e r g ys p e ct r u m o b t a in e df r o mt h eo r ig in a l s ig n a l K e yw o r d s r o lle rb e a r in g e m p ir ica l m o d ed e co m p o s it io n T e a g e re n e r g yo p e r a t o r f a u ltd ia g n o s is O 引言 对振动信号进行分析处理是机械故障诊断技 术中的一种有效手段 滚动轴承存在故障时 往往 表现出非线性 非平稳特征 传统的信号分析方法 对提取故障的非线性 非平稳特征效果较差 为 此 如经验模式分解O E M D E m p ir ica l M o d eD e co m p o s it io n 粗糙集 2 3 1 近似熵和样本熵 4 刀 T e a g e r 能量算子降1 0 1 等这些非线性科学的理论和方法 被广泛地应用于机械设备故障诊断领域 都取得 了很好的效果 E M D 是近年来发展起来的一种自适应的分 解方法 非常适合非线性 非平稳信号 能把信号 分解成从高频到低频的单分量A M F M 信号 即 I M F I n t r in s ic M o d eF u n ct io n 的叠加 T e a g e r 能量 算子是一种非线性算子 有很高的时间分辨率 对 信号的瞬时变化敏感 非常适合诊断轴承故障中 收稿日期 2 0 1 3 一1 1 o l修回日期 2 0 1 3 1 l 0 7 的冲击响应 近年来 人们对T e a g e r 能量算子进行 了不断研究 把其用于包络解调来实现了信号的 特征提取 1 并对T e a g e r 能量算子解调与希尔伯 特解调的优劣进行了比较 9 1 发现有更好的特性 王天金 1 0 l等直接对振动信号进行T e a g e r 能量计 算 并用能量信号的谱分析进行诊断 也取得不错 的效果 但是T e a g e r 能量算子适用于单分量信号 一般需要对原始信号进行带通滤波 然后逐一对 得到的信号计算 8 1 综合E M D 和T e a g e r 能量算子各自的特点 本文提出了一种基于E M D 分解和T e a g e r 算子能 量的轴承故障诊断方法 首先对信号进行E M D 分 解 再利用T e a g e r 能量算子计算其分量的能量 对 此能量信号进行谱分析 完成轴承的故障诊断 通 过对实际故障信号的分析 并与直接对信号求能 量谱进行对比 证明该方法是有效的 1 T e a g e r 能量算子 第5 2 卷第1 期 肖森等 基于E M D 和T e a g e r 能量的滚动轴承故障诊断 对连续信号舅 t 的能量算子的定义为删 9 k O 扛 O 2 x t x O 1 式中 戈 O 舅 一信号的一阶和二阶导数 相应的离散信号戈 的T e a g e r 能量算子定义为 9 胁 叻 髫 n 菇 l 1 虹 n 1 2 由于能量的计算只需要3 个连续的采样点 而且只包含了两次乘法和一次减法运算 计算量 很小 有很高的时间分辨率 适合分析信号中的瞬 态变化 2E M D 方法 1 lZ l E M D 方法把一个复杂的非稳态信号分解为 不同的内蕴模式函数I M F 每个I M F 都满足下面 1 整个数据段内 极值点的个数和过零点的 个数相等或最多相差一个 2 在任意时刻 由局部极大值点形成的上包 络线和由局部极小值点形成的下包络线的平均值 为0 运用E M D 对信号菇 t 分解的步骤为 1 确定信号菇 I 上所有的极值点 然后用三 次样条线分别把极大值点和极小值点连起来形成 上 下包络线 2 求出上 下包络线的平均值 记为m 求出 x t m l鼎l 3 如果h 满足上面两个条件 那么h 就是戈O 的第一个I M F 分量 如果h 不满足条件 把h 当 做原信号重复2 的步骤得到 h l m ll 1 1 4 如果还不满足 重复循环k 次使h 培满足成为 I M F 的条件 记为c 3 将c 从x 中分离出来 得到 r 1 剐 t cl 5 把n 当成原信号重复 1 一 3 依次得到戈O 的 爱 当h 为一个单调函数时 分解结束 根据 5 和 6 式原信号就可以表示为 舅 t 乞ci r n 7 也即 每个戈O 都可以分解为有限个I M F 和 一个残余分量之和 得到的每一个I M F 都是频率 或幅度调制的 是一个单分量的A M F M 信号 3 1 3 基E M D 和T e a g e r 能量的故障诊断步骤 基于E M D 和T e a g e r 能量的故障诊断方法通 过计算E M D 分解后I M F 的能量信号的傅里叶谱 进行故障识别 具体步骤如下 1 通过E M D 方法把故障信号分解为有限个 I M F 2 选取包含丰富故障信息的第一个I M F 计 算其T e a g e r 能量 得到能量信号 3 对T e a g e r 能量信号做谱分析 4 根据能量谱特征做出诊断 4 诊断实例 4 1 试验数据 本文采用美国C W R U 1 5 1 的数据 以驱动端轴 承型号为S K F 6 2 0 5 采样频率为12 k H z 的信号为 例 其基本参数见表1 表2 裹18 K 1 娩0 5 轴承主要城 T a b 1P a r a m o t e r so ft h or o lle rb e a d n g 内圈直径 n u n 外圈直径 m m 滚珠直径 n a n节径 m m 2 5 0 0 125 1 9 9 897 9 4 003 9 0 3 98 裹28 K F 6 2 0 5 故障特征频率 T a b 2D e 眦tf r o q u o n cyo ft h or o llo rb e a r in g 选择转速为17 9 7r r a in 的内圈和外圈故障 信号负荷为零的故障数据为例进行分析 由旋转 频率为 房2 9 9 5 通过表2 可计算出内圈和外圈的 故障频率分别为1 6 2 1H z 1 0 7 4H z 4 2 内圈故障的诊断 图1 和图2 分别为内圈故障振动信号的时域 波形和E M D 分解的结果 C 一c 为I M F 分量 C 3 为残余分量 从图1 和图2 中的高频分量可以看 出明显的冲击成分 说明存在故障 图3 为内圈故 障信号的I M F l的能量谱 由于20 0 0H z 以后的 幅值都很小 只选取小于20 0 0H z 的频率 可以 明显地看出内圈故障特征频率1 6 2H z 转频及转 频的倍频也能明显得到 农业装备与车辆工程 2 0 1 4 年 2 O 1 5 1 0 O5 0 一O 5 一1 0 一l5 00 1 0 2 0 3 0 405 s 图1 内圈故障振动信号的时域波形 F ig 1T h ew a v e f o r mo ft h es ig n a l w it hin n e rr a cef a u lt 囊 00 1O 2 o 3o 4o 5 00 10 2o 3 o 4 o 5 训糯E 三三刍 00 10 2o 30 4 0 5 t s t s 图2 内圈故障信号E M D 分解结果 F ig2T h eE M Dr e s u lto ft h es ig n a l w it hin n e rr a cef a u lt 口 厶 E H z 图3 内圈故障信号I M F l的T e a g e r 能量谱 F ig 3T h eT e a g e re n e r g ys p e ct r u mo fI M F l o ft h es ig n a lw it hin n e rr a cef a u lt 图4 为内圈故障信号直接得到的T e a g e r 能量 谱 从图中可见 与信号直接得到的能量谱相比 虽然总体上没有太大的改善 但与图4 相比 图3 中故障特征频率的幅值略有下降 频率为6 0 0 l8 0 0I I z 范围内的幅值下降幅度更大一些 4 3 外圈故障的诊断 图5 和图6 分别为外圈故障振动信号的时 域波形和E M D 分解的结果 cl c 为I M F 分量 c也为残余分量 仍然选取I M F l作为分析对象 图7 为外圈故障信号的I M F l的能量谱 由于 20 0 0H z 以后的幅值都很小 只选取小于20 0 0 H z 的频率 可以明显地看出转频和内圈故障特 征频率 0 2 册枷6 0 08 0 0 l 0 0 0 I2 0 0 14 0 0 l6 0 0 8 0 020 0 0 H z 图4 内圈故障信号的能量谱 F ig 4T h eT e a g e re n e r g ys p e ct r u m o ft h es ig n a lw it hin n e rr a cef a u lt 4 3 2 1 O 一 一2 3 4 oo1o2o3o 4o 5 f s 图5 外圈故障振动信号的时域波形 F ig 5T h ew a v e f o r mo ft h es ig n a l w it ho u t e rr a cef a u lt 5 0 5 0 n o 0 t s 5 口 o 5 00 10 20 30 40 5 U s 图6 外圈故障信号E M D 分解结果 F ig 6T h eE M Dr e s u lto ft h es ig n a l w it ho u t e rr a cef a u lt 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 6 0 2 0 0 0 1 0 0 0 2 0 04 0 06 0 08 0 0 l0 0 0 l2 0 0 l4 0 0 I6 0 0 l8 0 020 0 0 H z 图7 外圈故障信号I M F l的T e a g e r 能量谱 F ig 7T h eT e a g e re n e r g ys p e ct r u mo ft h e s ig n a l I M F lw it ho u t e rr a cef a u lt 咖 湖 鲫 泌 嗍三 一h 幽邢一 一I川 哪一 一 一 一 龇胛一 一 心唧一一j 二删 哪一 一Iji 唯 馕盯i 一 一 荆一 藿一 雾糍溱窝 n 卜 西u 电暑114昌 第5 2 卷第1 期 肖森等 基于E M D 和T e a g e r 能量的滚动轴承故障诊断 2 U j4 U UO J6 I iL 一刖l l I 扎U O 州lb UJ I J J I 7 H z 圈8 外 故障信号的能量请 F 嘧 8T h eT e a g e re n e r g ys p e ct r u m o ft h es ig n a lw it ho u t e rr a cef a u lt 5结论 针对T e a g e r 能量算子的计算对象为单分量的 信号 提出了基于E M D 分解的T e a g e r 能量的故 障诊断方法 首先对信号进行E M D 分解 得到单 分量的A M F M 信号 然后根据互相关系数准则 取与原信号互相关系数最大的分量计算T e a g e r 能 量 然后通过对能量信号做谱分析判断故障原因 实际试验测试信号的分析表明 该方法能准确地 识别滚动轴承的内圈和外圈故障信号的特征频 率 与对信号直接做T e a g e r 能量之后的谱分析相 比 在一定程度上更加突出了故障特征频率 因此 能有效地应用于滚动轴承的故障诊断中 参考文献 H u a n gNE e ta t T h ee m p L r ica tm o d ed e co m p o s it io na n dt h e H ilb e r ts p e ct r u mf o rn o n lin e a ra n dn o n s t a t io n a r yt im es e r ie s a n a ly s is 3 1 P r o ce e d in go fR o y a lS o cie t yL o n d o n A 1 9 9 8 4 5 4 9 0 3 9 9 5 谭天乐 宋执环 李平 基5 粗j t t 集的故障诊断方法叨 浙江 大学学报 T 籼 0 0 3 3 7 1 4 7 5 0 S h e nL ix ia n g T a yFEH Q uL ia n g s h e n g e ta 1 F a u ltd in g n o s isu s in gr o u g hs e t St h e o 吼J C o m p u t e r sinI n d u s t r y 2 0 0 0 4 3 6 1 7 2 Y a nR u q ia n g G a oRX A p p r o x im a t ee n t r o p y 黯ad ia g n o s t ic t o o lf o rm a ch in eh e a lt hm o n it o r in g f 1 M e ch a n ica lS y s t e m sa n d S ig n a lP r o ce s s in g 2 0 0 7 2 1 2 8 2 4 8 3 9 R ich n m nJS M o o r m a nJR P h s io lo g ie a it im e s e r ie sa n a ly s is u s in ga p p r o x im a t ee n t r o p ya n ds a m p le e n t r o p y 田 H e a r tC ir c P lI y 8 io l 2 0 0 0 2 7 8 t 2 0 3 9 一1 1 2 0 4 9 P in cu sSM A p p r o x im a t ee n t r o p ya saco m p le x it ym e 酗u r e f 1 C h a o s 1 9 9 5 5 1 llo l1 7 赵志宏 杨绍普 基于小波包变换与样本熵的滚动轴承故障 诊断抗叨 振动 测试与诊断 2 0 1 0 2 9 4 6 4 0 6 4 4 K a is e rJF O na s im p le t S o r it h mt oca lcu la t et h e e n e r g y o fa s ig n a l C P r o ce e d in g so fI E E EI n t e r n a t io n a l C o n f e r e n ceo n A co u s t ics S p e e ch a n ds i酬P r o ce s s in g 1 9 9 0 1 3 8 1 3 8 4 P o t a m ia n e sA M a r a s o sP Aco m p a r is o no ft h ee n e r g yo p e r a t o ra n dH ilb e r tt r s n s f o r ma p p r o a