文摘
工业设备的轴承是一个关键组成部分,因为任何故障发生在这个系统通常会影响整个机器的功能。管理这个问题,目前一些技术使遥远的轴承、预后和诊断故障影响系统功能和安全之前,分别。在职监测轴承系统,探测到任何内部故障或损坏的部件和材料,可以防止不受欢迎的机器停止。此外,它甚至可以帮助执行帮助监督行动,旨在揭示任何异常行为系统的主机轴承,通过他们的动态响应。在监测可以基于振动信号的测量和利用来检测材料中缺陷的存在。本文分析了正交经验模态分解和测试研究如何有效地利用精益在职监视操作和远程诊断。拟议的方法验证试验装置,在一间简陋的输电线路。活动突出了技术实现的一些主要性质和实际问题,以及精密的正交经验模态分解,作为一个紧凑的轴承缺陷的有效检测方法操作。
1。介绍
滚子和轴承是旋转机械的重要元素,因为它们影响的临界速度和动态稳定支持轴(1]。故障发生在轴承系统不仅降低自己的生活,甚至影响整个转子系统的性能服务。意想不到的重载条件、润滑不足或无效的密封(2)导致错误的动态行为,可能会导致机器故障,停止,甚至危险的事故(3]。在滚动体轴承保证一个有效的故障诊断系统和工作区安全,以及连续生产的效率。损害发生在滚动的元素,内外调心,笼子里。这些不同故障激励的典型发生复杂的振动信号,可以检测到,监控和分析。冲动的一系列的影响,例如,展,当滚动体影响局部故障(4,5]。幸运的是,物质损失时引起的振动信号在不同频率。因此,可以利用动态分析的振动监测执行轴承诊断甚至本地化损坏组件内部的缺陷(6]。
三个主要技术评估执行情况监控、基于时域,频域和时频分析(2,6]。第一种方法利用振动信号的统计解释,发现错误,更改一些典型参数的动态响应(7- - - - - -9]。频域分析是基于光谱信号内容的细化,在快速傅里叶变换(FFT) [10]。高频共振分析,称为“包络分析,同时识别轴承故障和受影响的元素(11]。包络分析已被广泛应用,自1974年以来(12),即使在存在普遍的噪音,因为它允许识别故障的特征频率,振动信号的频谱内(13- - - - - -15]。
缺陷成核的早期阶段,而难以被发现通过上面的第一个两种方法描述,通过监测振动信号,因为干扰噪声(16,17]。基于联合时频分析的方法更有效,因为干扰噪声降低,因为这个方法只对信号的频率带宽。典型的时频分析工具开发的文学是短时傅里叶变换、小波变换(18- - - - - -20.),谱峰态(6,21- - - - - -23),简要地变换(HHT) [24- - - - - -27]。
经验模态分解(EMD)是一种自适应时频方法,检测重叠在时间和频率的非平稳动态信号分解到几个所谓的“固有模式函数”(货币)28]。这种特性被广泛利用在几个故障诊断技术(28- - - - - -33]。然而,仍然存在一些缺点,如边界效应的证据,不可靠的停止准则(34,35),混合模式。这些问题的动机研究活动的进一步发展,导致一些新的精制方法的“集成经验模态分解(EEMD) [36,37]。该方法分解动态信号通过诉诸一些噪声辅助分析技术(38- - - - - -40),但这并不保证精确识别的货币基金34]。因此,改善EEMD已经完成利用一些统计特性(41]。基本上,振动信号区分为噪声,信号,趋势(42]。
尤其是“广义经验模态分解(GEMD)了理解time-frequency-energy分析和EMD的特点和它的修改版本43),而在其他情况下,最佳频带是针对性44]。“正交经验模态分解(OEMD)由在一个新的过程分解为货币基金,监控信号(45]。故障轴承已构成测试(46],EMD开发的一个新概念,选择最合适的货币来描述系统的缺点。
根据文献,OEMD相当简单,用户友好,易于实现,足够快速,容易和精确,以及可实现状态监测。检查这些属性在一个测试用例,来定义的可行性,利用这种方法,在一个完整的系统,尤其是基于远程智能监测诊断和预后的作用必须被执行。OEMD技术是应用于一个特定的工业情况,定义监控系统的主要需求,并检查其有效性,同时测试。实验证据证实该方法的有效性,尤其是当结果与信封的方法相比,对初步平衡监测系统布局的分析,在基于模型的系统工程(47]。4.0满足行业的需求计划,通过引入轴承状态监测系统简单而有效的方法是强制性的。监控和数据处理进行探讨该方法的有效性,和适用性在工业监控系统集成,应用于几个轴承,是探索。
2。材料和方法
设计监测系统,初步描述的典型算法和方法应用于轴承动态信号是必需的,开发并应用正交经验模态分解。
2.1。简要地变换和经验模态分解
分解轴承动态信号定义一系列的固有模式函数(货币)和应用希尔伯特变换时频分析的建议。来描述这一方法,必须注意到imf的满足两个条件;即。,我nthe whole set of data, the difference between the number of extrema and the number of zero crossings must be equal or at least differ by one, and at any point of this function, the difference between the envelope of local maxima and of local minima must be null [48]。
在轴承动态分析的背景下,国际货币基金组织应该被视为动态信号,在振幅和频率特征。大多数动态信号并不完全遵守国际货币的需求。因此,如果一个应用希尔伯特变换,一个精确的描述不能保证轴承信号的瞬时频率。然而,它是可能的,将第一个信号分解为一笔货币,然后将结果通过希尔伯特变换。
由于动态信号很少像国际货币基金组织,黄等。24- - - - - -26)提出了一种自适应方法,将信号分解成货币,因为获得动态信号的分解执行,解释每种模式分别作为国际货币基金组织(IMF)。特别是,一个通用的信号, ,被解释为获得动态信号的叠加, ,和一个额外的信号, ,是意味深长地说,履行国际货币基金组织的要求。当第一个模式被认为是,总和 在哪里k是完成信号分解所需的迭代次数。因此,当函数满足上述要求国际货币基金组织,它被列为第一个国际货币基金组织(IMF)如下:
为了达到这个结果,需要一个迭代的过程。信号的振幅和频率并不单独分析,但信号。迭代过程使用不同的货币基金试图最小化一个定义的停止准则。通常,在这篇文章中,连续两次迭代之间的标准差,作为标准,保持在一个阈值停止过程:
第一个国际货币基金组织通常包含动态信号中出现的频率最高。找到剩余内容 :
剩下的最低频率的贡献被视为一个新的信号。它受到迭代过程中提取第二国际货币基金组织(IMF) ,一步一步,重复这个过程,直到整个信号分解。这个过程被打断,当最后的残余信号成为一个单调函数、常数或一个极端的函数。
上述收购了动态信号的分解n模式最终表示为
对于每个模式,可以计算出频率有关。
2.2。正交经验模态分解
经验模态分解(EMD)允许将每一个动态信号分解为有限n首先,在方程(5)。能源相关的振荡模式分解甚至发现。例如,当信号分解成两个货币基金: 相关的总能量是27] 在哪里T是信号的总时间。
如果执行分解残留的贡献可以忽略不计 ,能量可以计算为一笔货币相关的能量:
根据方程(5),它甚至可以写成
开发内容的积分方程(9),它可能意识到方程(8)和(9)都是平等的,只有当这个词与产品的功能是零。这是可能的,当两个货币基金是正交的。在这种情况下,两个货币完全分解动态信号,准确地代表能量有关。同样,这个推论可以被应用到n货币基金。
它可以注意到,首先在理论上证明的正交性,但实际上从来都不是完全发现,如果imf的识别通过信封,通过三次样条函数。这导致一个明显的损失的能量,当它表达的求助于imf。调查真正的这种方法的局限性,更深入调查的正交性首先是有用的。方程(5)可以表示假设残余信号是一个额外的国际货币基金组织(IMF):
当能量计算,介绍了信号的平方值:
如果模式的正交性,产品的右边方程(11)是null。评价系统的正交性程度表现出的,可以定义一个索引:
它被称为正交性指数( )。典型值跨度从来 ,当能量损失的近似获得信号的实际内容首先是最小的可能。如果缺乏正交性是预见到在这个过程中,符号可以用来描述一个通用的非正交的货币基金组织。每当第一国际货币基金组织是正交和可能被表示成OIMF(正交国际货币基金组织(IMF),这是从来没有保证第二国际货币基金组织(IMF)是第一个正交。因此,当第二国际货币基金组织的定义,在迭代过程的结束,它必须表示为 在哪里措施的比例导致两种货币之间的重叠。因此,被定义为正交系数之间和 。当这个原理扩展到信号模式, 在哪里通用OIMF, ,这是正交于所有其他的,什么时候
因此,获得动态信号可以由n货币基金及相关如下:
介绍 ,它变成了
方程(18)描述了动态信号的总和nOIMFs, ,剩余信号, 。货币基金的提取没有被修改但诉诸正交首先提高这一过程。OEMD保证货币的正交性,将强大的属性添加到监控信号的分解,但即使保存所有国际货币的内在特征。
2.3。实验测试平台
一旦协议流程定义了动态信号,通过引入OEMD方法,试验装置被设计和建造来测试方法,但即使是分析它的实际实现。一些主要问题已经仔细考虑:(我)设置所需的所有条件,建立一个合适的类比一个典型的工业设备和试验装置(2)充分实现各种测试条件甚至诉诸不同来源的组合的振动(3)保持组装足够简单以确保一个可重复的和容易的安装(iv)设计一个结构,通过一组已知的参数可协调的
试验装置如图1繁殖以较低的规模相当典型的工业体系。它由滚动体轴承支撑下的输电线路和装有滑轮耦合的腰带。属性是描述表1。
采集系统是由两个加速度计PCB 308 b ICP和信号分析仪DIFA-APB 200(表2)。
轴承缺陷的频率在文献中。他们依靠缺陷本身,在轴承类型和角速度48]。他们甚至被归类,然后使用在一些工业应用(49)检测赔偿和预测部件的剩余寿命。一些典型的值被定义为频率 在哪里N在轴承是滚动的元素的数量,ω旋转的速度,d滚动体的直径,D直径分布的滚动元素,即。,the average between the outer and inner diameter of bearing, and滚动体之间的接触角和详细信息。缩略词BPFO代表球传球频率外,BPFI传球频率内,巴斯夫球旋转频率,“保障未来粮食供给”为基本训练的频率。
损伤成核和出现故障时,一系列影响脉冲出现在机械的振动光谱,信号的峰值,在一个或更多的值频率的整数倍。这些标记包含一个定义的类型和位置相关的信息损失。考虑到球调心(内部和外部),如果出现小裂纹,振动的频率受频谱中的违规行为是BPFO (BPFI)或其基本面。如果缺陷尺寸的增加,一些横向乐队出现在对应的频率。他们的振幅与缺陷的严重程度有关。频谱变得倾斜(频谱梳)。考虑缺陷的球,受灾频率值BSF和“保障未来粮食供给”和他们的基本面。球损坏越多,越高的生物沙子饮用水过滤系统基础。
3所示。结果与讨论
初步验证的正交经验模态分解(OEMD)方法是由编程一个专用的MATLAB®代码,然后结果与数据获得的测试平台。当试验装置的轴旋转大约960 rpm,典型的旋转速度的同步信号设置为16赫兹,和轴承的特征频率86赫兹(BPFO)和57赫兹(BPFI)。
监控是由两个加速度计,是(1)频道与轴轴,另一个(2)频道以及监控的径向轴承。监控活动包括一些步骤。初步数据采集时间执行通过通道1和2,分别。数据处理然后开始和OEMD方法。OIMFs提取,然后快速傅里叶变换应用于基于OIMFs解释信号。最后,完成数据分析系统故障的诊断。
首先,测试轴承没有缺陷,然后创建一个缺陷外和内圈。
在图2,比较谐波内容相同的轴承没有和缺陷报告为了突出差别不大,需要使用一个详细的技术理解的存在缺陷。
为了创建缺陷,跟踪内部外部水沟是通过一个工具用锋利的边缘。通过控制压力的工具,跟踪可以创建不同的深度。建立缺陷很容易的特点和测量。测试在不同的维度进行相同的缺陷,所以从一个看不见的缺陷来一个重要缺陷(1/10毫米)的顺序。同样的程序被用于破坏内圈。
3.1。检测损伤外水沟
为了测试监控系统,轴承上故意创建的一些缺点。这里描述为一个例子具体案例研究的活动。第一次介绍了缺陷的监测轴承外滚道尺寸20μm。然后操作,转子系统和动态信号获取的监控渠道。每个信号向量对应一个通道处理,通过诉诸OEMD方法描述之上。结果处理的快速傅里叶变换(FFT),应用于每个OIMF。如表3所示,OEMD方法能够检测上述特征频率及其谐波,通过处理的数据通道。
数据3和4显示从OIMFs获得FFT的一些示例。它可以注意到明显的相关缺陷的特征频率和谐波。
结果表明,OEMD检测诱导缺陷的特征频率外环,尽管它的尺寸非常小,如果比其他更明显损害50]。超低的检测基本频率的提高检测的能力,解决检测频率适用于精确的检测,而且这些结果可重复的看着收购执行几次在同一个实验活动。
3.2。检测内部缺陷的水沟
上面描述的方法应用于检测缺陷诱导的水沟。在这种情况下,内圈与轴一起旋转。缺陷又人为地创造,尊重小维度来描述损伤的初期,与同样大小的诱导外环。为外环,获得信号分解成货币基金和残余信号,通过EMD方法。然后应用正交化过程。
表4表明OEMD方法能够探测缺陷的特征频率和相关的谐波。特别是,山峰在数字5和6识别缺陷。
3.3。权衡的缺陷检测方法
OEMD和信封的方法都应用到试验装置操作,即使在动态信号获得SKF轴承1205 ETN9时测试。内外调治疗模拟三个级别的损害(20μ60米,μ米、100μ米)。动态信号获得三个轴沿三个方向的加速度计。比较这两种方法可以执行。他们都检测组件内的错误介绍材料,尽管规模很小。至少有一些谐波,基本一个相关的多个故障引起的,。实际上,明显的峰值的数量相似光谱两种上述方法的阐述。更好的识别故障在这两种情况下观察到外水沟,即。,在固定和更大的戒指。然而,甚至在水沟内成功检测到错误。的检测功能,信封和OEMD方法都是有效的。的亮度检测证据OEMD更好,因为信号的振幅。在图7,提供的两种方法的比较结果显示缺陷的情况下等于20μ米在内环和外环;它可以注意到动态信号的最大值内小水沟,在跑道外比较大。信封,OEMD方法表现出不同的反应,根据故障的类型。结果通过OEMD方法表现出19%的幅度高于平均的信号包络的方法,考虑到内心的水沟和高29.5%外水沟,对于给定的错。
OEMD方法看起来有效地检测,紧凑以来编程代码可以很容易地存储和由一个光计算设备,缺点是光明的,因为证据的谐波检测和振幅,略大于信封法。OEMD方法是敏感的早期故障,甚至小尺寸的20倍μm。信噪比是OEMD更好的方法,从而更高能力的高等环境噪声识别存在的缺陷被发现。信封法提供了一个低精度的计算工作量小。然而,监测服务,计算时间和精力OEMD主要是兼容的所需的操作。
4所示。结论
设计一个精益在监测系统早期检测内部和外部的缺陷轴承的详细信息是目前行业的需求。执行一个有效的数据采集技术和传感器来检测动态信号目前可用。损伤诊断的有效性取决于数据处理,无论是从管理和识别算法的缺点。这个问题激励有效性的调查一些诊断方法应用于动态信号监测轴承作为正交经验模态分解(OEMD)法和包络的方法,同时实现时频分析。
本研究实际测试这些方法在实际情况下,提出了一种权衡分析。众所周知,在故障检测、噪声干扰减少诊断的有效性。解决方法是一个相关的问题。识别故障的能力和它的位置在轴承是一个至关重要的目标。实验测试活动的表现证明了实现OEMD法以及包络法很简单。故障识别,即使小,在内外详细信息,通过识别特征频率及其谐波好的近似。一些对比试验表明,信号谐波的振幅随缺陷但更高水平OEMD的实现方法。这句话激励诉诸OEMD方法,超过包络方法,尽管略高的计算工作,因为错的更精确的识别,即使初期。
命名法
| FFT: | 快速傅里叶变换 |
| 遗传性出血性毛细血管扩张症: | 简要地变换 |
| EMD: | 经验模态分解 |
| 国际货币基金组织(IMF): | 固有模态函数 |
| EEMD: | 集成经验模态分解 |
| GEMD: | 广义经验模态分解 |
| OEMD: | 正交经验模态分解 |
| OIMF: | 正交本征模式函数 |
| h我(t),x(t),米(t): | 信号 |
| c我(t): | 我th国际货币基金组织 |
| r我(t): | 剩余 |
| SD: | 标准偏差 |
| E我: | 信号能量 |
| OI: | 正交性指数 |
| β: | 比例因子 |
| N: | 滚动的元素 |
| ω: | 旋转的速度 |
| D,d: | 特征直径轴承 |
| : | 滚动元素之间的接触角。 |
数据可用性
如果需要数据将提供随需应变。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。