[发明专利]一种基于信号稀疏表示理论的滚动轴承故障特征提取方法

摘要

本发明公开了一种基于信号稀疏表示理论的滚动轴承故障特征提取方法，包括以下步骤应用多阶固有频率的单位脉冲响应函数构造表征滚动轴承局部损伤的过完备字典，通过相关滤波法从振动响应信号中识别滚动轴承和传感器系统的多阶固有频率及其阻尼比，获得优化字典；应用匹配追踪算法求解稀疏系数，并通过合理的分段提高求解速度和精度；重构每段冲击响应信号，获得故障特征信号的稀疏表示；对获得稀疏信号中相邻冲击响应成分的时间间隔进行时域指标统计特性分析，结合平均值和均方差值来诊断故障类型。本发明的方法兼具解析法和自适应法的优点，提高了波形特征的精度，可克服传统的基于傅里叶变换的方法不适用转速波动的缺陷。

主权项

一种基于信号稀疏表示理论的滚动轴承故障特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采集包含滚动轴承故障特征的振动加速度响应信号；S2、应用带通滤波器，滤除振动响应信号中由其他结构振动导致的干扰成分；S3、以单位脉冲响应函数构建过完备稀疏字典C；S4、应用相关滤波法从滤波信号中识别滚动轴承和传感器系统的多阶固有频率及其阻尼比，得到优化的完备稀疏字典D；S5、对滤波信号进行分段，利用匹配追踪算法求解每段信号的稀疏系数；S6、重构信号，获得滚动轴承故障特征信号的稀疏表示；S7、对稀疏信号中的冲击响应时间间隔进行时域指标统计分析，识别故障类型；所述步骤S1具体包含以下步骤：S11、坐标系建立：建立空间坐标系XYZ，X轴正向指向滚动轴承的轴向，Z轴正向竖直向上，Y轴正向由右手定则确定；S12、安装传感器：在轴承座表面安装1个单向加速度传感器，测试方向为Z向；依次连接传感器、数据采集器和便携式计算机；S13、令与滚动轴承内圈配合的轴工作转频为fn；设数据采集器的采样频率为fs，采样时间长度T为10～20s，则采样时间间隔Δt＝1/fs，采样点数N＝fs·T；采集和同步记录测试点的振动加速度时域信号，记为xT(t)；S14、从xT(t)中截取时长Tx的振动加速度信号进行分析，记为x(t)；步骤S2中，所述的应用带通滤波器对振动响应信号x(t)进行滤波，目的是为了滤除轴承制造和装配误差导致的低频振动或者其他结构振动的干扰成分，记滤波后的信号为xp(t)，带通滤波器的上限截止频率fhc设定为奈奎斯特频率，而下限截止频率flc应大于数倍纯滚动轴承的转频或齿轮箱滚动轴承齿轮的啮合频率；所述步骤S3具体为：以单位脉冲响应函数为原子，构造表征滚动轴承局部损伤的过完备稀疏字典C，其中fd是滚动轴承和传感器系统的有阻尼固有频率，ζ是系统的阻尼比，τ是冲击脉冲响应发生的时刻；所述步骤S4具体包括以下步骤：S41、从滤波信号xp(t)取一段信号xc(t)用于相关滤波，取信号xc(t)的长度Tc＝Tx/2；S42、设定fd∈[0:Δfd:fs/2]，ζ∈[0.001:Δζ:0.2]和τ∈[0:Δτ:Tc]，Δfd、Δζ和Δτ为对应参数的搜索步长；S43、参数fd、ζ和τ代入式子生成原子dγ(t)，构造过完备稀疏字典C；S44、根据式子计算信号xc(t)与字典C中各原子dγ(t)的相关系数，其中<·>代表内积；S45、搜索λ(t)的局部最大值，记为λm；λm对应的频率和阻尼比记为即为滚动轴承和传感器系统的固有频率及其阻尼比；λm对应的为冲击发生的时刻；S46、用识别出的和代入式得到的原子dγ(t)构成的集合即为优化的过完备稀疏字典D，所述优化的过完备稀疏字典D的冗余度远远小于字典C。