间歇性工作机械上滚动轴承在线故障诊断的关键问题研究

On-line fault diagnosing of rolling element bearings of intermittent working machine still exist many problems: intermittent noise weakening the current used denoising methodologies; intermittent working of rolling element bearing and change of speed increasing the difficulties of fault diagnosis. Focusing these problems, this project offers creative technical scheme by fully employing the speed information, studies automatic order tracking filtering algorithm to eliminate intermittent noise and utilizes distortional features of envelope to recognize fault information. This project intends to mainly study following aspects: 1) Recognition and registration of specific speed component in time-frequency distribution of signal; 2) Theory and algorithm completion of automatic order tracking filtering; 3) Corresponding relation between changing speed and distortional features of envelope and estimation of distortion feature of envelope; 4) Programming special software and realizing the on-line fault diagnosing of rolling element bearings of intermittent working machine on electric mining shovel. The innovation points of this project are new research thinking: making use of the methods of image processing to realize recognition and registration of order component and studying on how to approximate the distortional feature of envelope with characteristics of other distortional order component. The anticipated research results can be transplanted to other types of equipments and used to increase the development of fault diagnosis technology.

间歇性工作的机械上滚动轴承的在线故障诊断存在问题。主要问题是⑴现有消噪方法难于去除间歇性噪声，⑵因为轴承振动信号具有间歇性并受转速变化影响大而使故障诊断困难。本项目围绕上述关键问题提出了利用实时转速信息的技术框架；研究消除间歇性噪声的自动阶比跟踪滤波方法；探索利用包络形状畸变特征来识别故障的理论方法。本项目拟在以下方面进行重点研究，⑴信号时频分布中特定转速变化规律成分的识别及配准；⑵自动阶比跟踪滤波的理论及算法实现；⑶转速变化对包络形状畸变影响规律及包络形状畸变估计；⑷以矿用电铲为研究对象，间歇性工作机械上滚动轴承在线故障诊断的软件实现及工程应用。新的研究方法是本项目的创新点，即利用图像处理方法实现阶比成分的识别及配准的研究思路；利用信号中其它成分的畸变特征来近似包络形状畸变特征的研究思路。预期的研究成果将有利于在更多种类设备上开展滚动轴承的在线故障诊断，促进机械故障诊断技术的发展。

本项目的研究目标是：面向工程实际，解决间歇性工作机械上滚动轴承在线故障诊断的关键问题。关键科学问题有两个：一是间歇性噪声的自动阶比跟踪滤波；二是转速变化对包络形状畸变影响规律及包络形状畸变估计。在四年的项目执行期间，对这个两个关键科学问题进行了充分的研究，取得了突破性的研究成果，全部出色地完成了既定目标。.针对第一个科学问题的研究工作：①在间歇性工况下滚动轴承故障响应的表现；②在间歇性工况下外界主要背景噪声—齿轮啮合噪声的特征及表现；③复杂工况下（大范围转速变化情况）轴承故障响应与齿轮啮合背景噪声的耦合机制；④间歇性工况下依据轴承故障响应对转频的估计理论及方法等。.突破性成果是：①提出一套不依赖辅助设备的切实可行的算法，解决齿轮噪源干扰下变转速运行滚动轴承的故障诊断问题；②提出了瞬时峰值啮合倍频趋势线的概念；③提出了仅与齿轮噪源相关的理想参考信号构造方法与变转速运行模式下自适应滤波算法核心参数(滤波器长度与步长参数)的确定准则；④算法实现了不影响滚动轴承振动部分的齿轮噪源去除；⑤认识了齿轮转频阶比峰值对基于故障特征阶比谱的滚动轴承故障诊断策略的影响机理，提出构造故障特征阶比模板实现对轴承转频阶比的直接定位进而完成滚动轴承的故障诊断。.针对第二个科学问题的研究工作：①变化工况下故障引起振动信号物理机理的分析；②分析包络变形对阶比分析结果影响；③变工况下信号包络变形的解决方法。.突破性成果是：揭示了故障包络变形的四个主要影响因素：瞬时转速、加速度、相邻冲击的间隔和包络的上升时间，分析了包络变形对阶比分析结果影响，给出了消除方法。基于上述理论成果提出了基于EMD和IDMM趋势线的变转速滚动轴承诊断方法、基于EEMD和谱峭度的变转速滚动轴承故障诊断方法，包络变形问题的提出可以提高对故障在变工况下的信息呈现及变化规律的认识。成果的意义体现为对计算阶比跟踪方法的重要修正。