[发明专利]基于声发射的滚动轴承单故障辨识方法

权利要求书

1.基于声发射的滚动轴承单故障辨识方法，其特征在于，是在一个基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，构造所述的基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统，

包括：兼具A/D转换功能的微处理器MCU、所述MCU控制下的光纤传声器，轴承转频计以及含有同轴固接在内的待测轴承座，

其中：

光纤传声器，为自由场传声器，声源位于光纤传声器前方正对轴承座三维几何中心处所垂直对应的轴承上表面，所述光纤传声器的电压输出端与MCU对应的数据输入端相连，

轴承转频计，用于计算轴承的转频，与MCU互连，

步骤(2)，将所述的基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统初始化，

步骤(2.1)，MCU初始化，

设定：待测轴承的几何参数，轴承额定转速n转/分，MCU的采样频率，

采样周期T_q＝60/n秒，q＝1,2,…q,…Q，Q为周期数，

采样间隔Δt＝T_q/P＝60/(n*P)，P为每周期内采样点数初始设定值，

采样频率fs＝1/Δt＝P/T_q，

设定：滚动轴承故障样本群，分为滚珠轴承、滚柱轴承两大类，其中每个样本包括，轴承类别、故障类别，包括：外圈、内圈、滚动体和保持架四类、各类轴承故障的故障特征频率，以及制作样本时用的采样时长，轴承故障发展的阶段标识，最大振幅值对应的时域波形图，

步骤(2.2)，轴承座初始化：

步骤(2.2.1)，建立十字坐标系：

步骤(2.2.1.1)，在轴承座正面：

建立第一个十字坐标系：坐标原点与所述轴承座三维几何中心重合，x轴指向右外侧，y轴指向垂直于轴承座正面的方向，z轴符合右手螺旋规则，指向轴承座上表面，

步骤(2.2.1.2)，在轴承座上表面：

建立第二个十字坐标系：以所述第一个十字坐标系z轴指向的轴承座上表面二维几何中心为坐标原点，以与步骤(2.2.1.1)相同方法建立第二个十字坐标系，

步骤(2.2.2)，标识采样点：

步骤(2.2.2.1)，对于滚珠轴承：

以所述第二个十字坐标系的原点为中点，在x轴上左、右两端各取1/2的滚珠轴承的外周周长建立一个采样区域，等间距地标出P_X个采样点，P_X为奇数，

步骤(2.2.2.2)，对于滚柱轴承，

以所述第二个十字坐标系原点为中点，在x轴左、右两端各取1/2的滚柱轴承的外周周长建立一个位于所述第二个十字坐标系原点上的第一个采样点，x轴上有P_X个采样点，P_X为奇数，再以所述第一个采样点为中点，在z轴上、下两端各取1/2的滚柱轴承轴长的长度建立一个采样区域，等间隔地标出P_Z个采样点，P_Z为奇数，

步骤(2.2.3)，设立计时起点，

步骤(2.2.3.1)，对于滚珠轴承，

当轴承顺时针方向旋转时，以采样区域左端为起点计时，

当轴承逆时针方向旋转时，以采样区域右端为起点计时，

步骤(2.2.3.2)，对于滚柱轴承，

计时起点的方法与步骤(2.2.3.1)相同，

步骤(2.2.4)，光纤传声器的布置，

步骤(2.2.4.1)，对于滚珠轴承，

在轴承座上表面对应第二个十字坐标系原点上方布置一个光纤传声器，

步骤(2.2.4.2)，对于滚柱轴承，

沿着所述第二个十字坐标系z轴上、下，在P_Z个采样点的位置上方各布置一个光纤传声器，共P_Z×P_X个，构成一个十字交叉分布，

步骤(3)，MCU依次按以下步骤实现基于声发射的滚动轴承单故障辨识方法，

步骤(3.1)，获取时域振幅值的包络图，

步骤(3.1.1)，对于滚珠轴承，

把一个采样时长内的采样数据组织成一个以按序号顺次排列的采样点为列，以按序号顺次排列的采样周期为行的P×Q矩阵，P为采样点数，Q为周期数，构成一个滚珠轴承故障模态空间，P个采样点最多能表示四种故障模态，最少表示一种故障模态，

步骤(3.1.2)，对于滚柱轴承，

把一个采样时长内的采样数据构成一个在z轴上按序号顺次排列的采样点P_Z为列，在x轴上按序号顺次排列的采样周期Q为行的矩阵P_Z×Q，P_Z个采样点最多能表示四种滚柱轴承故障模态，最少表示一种，

步骤(3.1.3)，

从步骤(3.1.1)或步骤(3.1.2)得到的结果分别构成滚珠轴承或滚柱轴承的时域振幅值包络图，

步骤(3.2)，从步骤(3.1.3)的结果中，分别得到，

滚珠轴承时域最大振幅值所对应的采样点，判定为滚珠轴承的故障源，

滚柱轴承时域最大振幅值所对应的采样点，判定为滚柱轴承的故障源，

步骤(3.3)，把步骤(3.2)的结果用傅里叶算法软件转化为频域幅值频谱的包络图，找出与所述最大振幅值对应的故障频率，

步骤(3.4)，把从与轴承同步的从计时起点运行的轴承转频计中得到的对应于故障第三阶段最大振幅处的实测故障频率，滚动轴承故障频率理论值与步骤(3.3)得到的轴承故障频率，以所述的滚动轴承故障频率理论值为基准故障频率，在允许的相对误差为±5％的条件下，分别求出其他二种故障频率相对于基准故障频率的相对误差，取其小者作为修正后的轴承故障频率，据此判别轴承的故障类别，

若其他两者相对于基准故障频率的相对误差，其中只需有一个的相对误差绝对值大于5％，则记作不是轴承转频计测量有误，就是采样点数量太少，则执行步骤(3.5)，

步骤(3.5)，在一个采样时长的各采样周期内，以原来设定的采样点的数量再以+5％的比例，MCU通过A/D转换增加采样点数，等量地插入各采样周期中，重复执行步骤(2.2.2)-步骤(3.3)，一直到满足步骤(3.4)中提出的相对误差标准为止。

2.基于声发射的滚动轴承单故障辨识方法，其特征在于，是在一个基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，构造所述的基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统，

包括：兼具A/D转换功能的微处理器MCU、所述MCU控制下的光纤传声器，轴承转频计以及含有同轴固接在内的待测轴承座，

其中：

光纤传声器，为自由场传声器，声源位于光纤传声器前方正对轴承座三维几何中心处所垂直对应的轴承上表面，所述光纤传声器的电压输出端与MCU对应的数据输入端相连，

轴承转频计，用于计算轴承的转频，与MCU互连，

步骤(2)，将所述的基于声发射的滚动轴承单故障辨识系统初始化，

步骤(2.1)，MCU初始化，

设定：待测轴承的几何参数，轴承额定转速n转/分，MCU的采样频率，

采样周期T_q＝60/n秒，q＝1,2,…q,…Q，Q为周期数，

采样间隔Δt＝T_q/P＝60/(n*P)，P为每周期内采样点数初始设定值，

采样频率fs＝1/Δt＝P/T_q，

设定：滚动轴承故障样本群，分为滚珠轴承、滚柱轴承两大类，其中每个样本包括，轴承类别、故障类别，包括：外圈、内圈、滚动体和保持架四类、各类轴承故障的故障特征频率，以及制作样本时用的采样时长，轴承故障发展的阶段标识，最大振幅值对应的时域波形图，

步骤(2.2)，轴承座初始化：

步骤(2.2.1)，建立十字坐标系：

步骤(2.2.1.1)，在轴承座正面：

建立第一个十字坐标系：坐标原点与所述轴承座三维几何中心重合，x轴指向右外侧，y轴指向垂直于轴承座正面的方向，z轴符合右手螺旋规则，指向轴承座上表面，

步骤(2.2.1.2)，在轴承座上表面：

建立第二个十字坐标系：以所述第一个十字坐标系z轴指向的轴承座上表面二维几何中心为坐标原点，以与步骤(2.2.1.1)相同方法建立第二个十字坐标系，

步骤(2.2.2)，标识采样点：

步骤(2.2.2.1)，对于滚珠轴承：

以所述第二个十字坐标系的原点为中点，在x轴上左、右两端各取1/2的滚珠轴承的外周周长建立一个采样区域，等间距地标出P_X个采样点，P_X为奇数，

步骤(2.2.2.2)，对于滚柱轴承，

以所述第二个十字坐标系原点为中点，在x轴左、右两端各取1/2的滚柱轴承的外周周长建立一个位于所述第二个十字坐标系原点上的第一个采样点，x轴上有P_X个采样点，P_X为奇数，再以所述第一个采样点为中点，在z轴上、下两端各取1/2的滚柱轴承轴长的长度建立一个采样区域，等间隔地标出P_Z个采样点，P_Z为奇数，

步骤(2.2.3)，设立计时起点，

步骤(2.2.3.1)，对于滚珠轴承，

当轴承顺时针方向旋转时，以采样区域左端为起点计时，

当轴承逆时针方向旋转时，以采样区域右端为起点计时，

步骤(2.2.3.2)，对于滚柱轴承，

计时起点的方法与步骤(2.2.3.1)相同，

步骤(2.2.4)，光纤传声器的布置，

步骤(2.2.4.1)，对于滚珠轴承，

在轴承座上表面对应第二个十字坐标系原点上方布置一个光纤传声器，

步骤(2.2.4.2)，对于滚柱轴承，

沿着所述第二个十字坐标系z轴上、下，在P_Z个采样点的位置上方各布置一个光纤传声器，共P_Z×P_X个，构成一个十字交叉分布，

步骤(3)，MCU，依次按以下步骤实现基于声发射的滚动轴承单故障辨识方法，

步骤(3.1)，获取时域振幅值的包络图，

步骤(3.1.1)，对于滚珠轴承，

把一个采样时长内的采样数据组织成一个以按序号顺次排列的采样点为列，以按序号顺次排列的采样周期为行的P×Q矩阵，P为采样点数，Q为周期数，构成一个滚珠轴承故障模态空间，P个采样点最多能表示四种故障模态，最少表示一种故障模态，

步骤(3.1.2)，对于滚柱轴承，

把一个采样时长内的采样数据构成一个在z轴上按序号顺次排列的采样点P_Z为列，在x轴上按序号顺次排列的采样周期Q为行的矩阵P_Z×Q，P_Z个采样点最多能表示四种滚柱轴承故障模态，最少表示一种，

步骤(3.1.3)，

从步骤(3.1.1)或步骤(3.1.2)得到的结果分别构成滚珠轴承或滚柱轴承的时域振幅值包络图，

步骤(3.2)，从步骤(3.1.3)的结果中，分别得到，

滚珠轴承时域最大振幅值所对应的采样点，判定为滚珠轴承的故障源，

滚柱轴承时域最大振幅值所对应的采样点，判定为滚柱轴承的故障源，

步骤(3.3)，把步骤(3.2)的结果用时域波形绘制软件转化为时域幅值的包络图，找出与所述最大振幅值对应的时域包络图，

步骤(3.4)，把执行步骤(3.3)之后得到的结果，即最大振幅值对应的时域包络图，与故障样本中同类轴承的最大振幅值对应的时域波形图，利用峭度计算软件计算获得两者的相关峭度系数γ，确定γ值最大的一类故障样本，判定故障类别。