[发明专利]一种基于声振信号融合的滚动轴承故障检测方法

权利要求书

1.一种基于声振信号融合的滚动轴承故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集待测滚动轴承的振动信号V'和声信号S'，并分别存储在计算机上；采集振动信号V'的传感器Q₁安装在待测滚动轴承的轴承座上，采集声信号S'的传感器Q₂安装在距轴承端面距离值为d的平面上，且满足传感器Q₂的中心点位于轴承的轴线上；

步骤2：从振动信号V'中提取一段包含N_v个连续信号点的振动信号作为待检测振动信号V，即V＝{V[u]|u＝1,2,…,N_v}；从声信号S'中提取一段包含N_s个连续信号点的声信号作为待检测声信号S，即S＝{S[v]|v＝1,2,…,N_s}，其中N_v表示待检测振动信号V的总信号点数，N_s表示待检测声信号S的总信号点数；

步骤3：针对待检测声信号S建立滑动矩形窗函数，并设置矩形窗的宽和移动步长，其中矩形窗的宽取值为待测滚动轴承转动频率的正整数倍，定义所述矩形窗包含声信号的信号点数为N_O；

步骤4：从待检测振动信号V的第一个信号点V[1]开始，通过移动矩形窗建立待检测振动信号V与待检测声信号S的融合信号；

步骤5：利用公式(1)计算融合信号F_j的均方根值RMS(F_j)，

式中，F_j表示声信号S_j与振动信号V_j的融合信号，F_j[i]表示融合信号F_j上的第i个信号点，N_O表示矩形窗包含的信号点数；

步骤6：利用公式(2)～公式(3)计算融合信号F_j和声信号S_j之间的均柔值SM(F_j,S_j)，

式中，V_j[i]表示振动信号V_j上的第i个信号点，S_j[i]表示声信号S_j上的第i个信号点，表示融合信号F_j的平均值，表示声信号S_j的平均值；

步骤7：利用公式(4)计算出融合信号F_j的均滑值RS_j，

RS_j＝RMS(F_j)×SM(F_j,S_j) (4)

步骤8：矩形窗经过n-1次移动后，计算得到n个均滑值，统计出n个均滑值中的最大值RS_max，将RS_max所对应的融合信号称为最优融合信号F_max；

步骤9：求取最优融合信号F_max的时域信号；

步骤10：将时域信号进行傅里叶变换，得到最优融合信号F_max的频域信号曲线；

步骤11：利用公式(5)计算待测滚动轴承的外圈故障特征频率f_o，利用公式(6)计算待测滚动轴承的内圈故障特征频率f_i，利用公式(7)计算待测滚动轴承的滚动体故障特征频率f_b，利用公式(8)计算待测滚动轴承的保持架故障特征频率f_f，

式中，z表示待测滚动轴承上的滚动体个数，d_b表示待测滚动轴承上的滚动体直径，D_m表示待测滚动轴承的节圆直径，α表示待测滚动轴承的接触角，f_r表示待测滚动轴承的转动频率；

步骤12：在最优融合信号F_max的频域信号曲线上，找出最大振幅所对应的频率值f_max，则f_max即为待测滚动轴承的故障特征频率；当频率值f_max满足λ₁f_o≤f_max≤λ₂f_o时，则判断待测滚动轴承的故障出现在外圈上，其中[λ₁f_o,λ₂f_o]表示外圈的近似故障特征频率的取值范围；当频率值f_max满足λ₁f_i≤f_max≤λ₂f_i时，则判断待测滚动轴承的故障出现在内圈上，其中[λ₁f_i,λ₂f_i]表示内圈的近似故障特征频率的取值范围；当频率值f_max满足λ₁f_b≤f_max≤λ₂f_b时，则判断待测滚动轴承的故障出现在滚动体上，其中[λ₁f_b,λ₂f_b]表示滚动体的近似故障特征频率的取值范围；当频率值f_max满足λ₁f_f≤f_max≤λ₂f_f时，则判断待测滚动轴承的故障出现在保持架上，其中[λ₁f_f,λ₂f_f]表示保持架的近似故障特征频率的取值范围；其中λ₁取值范围为0.9≤λ₁≤0.95，λ₂取值范围为1.05≤λ₂≤1.1；

所述步骤4具体为：从待检测声信号S的第一个信号点S[1]开始，按照移动步长将矩形窗在待检测声信号S上进行滑动，矩形窗每移动一次需要在待检测振动信号V上依次截取N_O的信号点，直至矩形窗移动至最后一个移动步长，定义矩形窗第j次移动后截取的N_O个信号点组成的一段振动信号为V_j，V_j＝{V_j[i]|i＝1,2,…,N_O}，V_j[i]表示振动信号V_j上的第i个信号点，定义矩形窗第j次移动后所对应的一段声信号为S_j，S_j＝{S_j[i]|i＝1,2,…,N_O}，S_j[i]表示声信号S_j上的第i个信号点，j＝0,1,2,…,n-1,表示不超过比值的最大正整数，N_H表示预设移动步长的信号点数，定义声信号S_j与振动信号V_j在矩形窗第j次移动后的一段融合信号为F_j，利用公式(9)计算声信号S_j与振动信号V_j的融合信号F_j，F_j[i]表示融合信号F_j上的第i个信号点；

F_j[i]＝V_j[i]+S_j[i] i＝1,2,…,N_O (9)。