李貴紅，姜小艷，杜 昕，李珊珊，王子恒

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

近年來，盾構(gòu)機(jī)在地鐵施工中應(yīng)用越來越廣泛，由于其集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，設(shè)備復(fù)雜多樣，體積龐大，維修不便，其安全性、可靠性成為廠家和施工方關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層工況的變化，大批盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承（回轉(zhuǎn)支撐軸承、驅(qū)動(dòng)小齒、軸端圓錐滾子軸承）在盾構(gòu)掘進(jìn)2～3km拆機(jī)轉(zhuǎn)場時(shí)，需要對其解體檢查，確保下個(gè)區(qū)間施工的設(shè)備保障。但是，此種檢修往往造成維修不足、錯(cuò)誤維修或過剩維修，增加了總體故障率。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者對其軸承故障診斷的方法進(jìn)行了探索。楊宇［1］等提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和EMD分解相結(jié)合的方法進(jìn)行軸承故障診斷；Randall R B［2］通過循環(huán)平穩(wěn)解調(diào)將機(jī)械系統(tǒng)中齒輪、軸承故障信號分離；Peng E K和張超等［3-4］分別將Hilbert-Huang變換與小波變換、EMD和奇異值差分譜理論相結(jié)合進(jìn)行軸承故障診斷。但目前對于軸承系統(tǒng)中的復(fù)合故障研究較少。

文章提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和沖擊脈沖法的軸承故障診斷方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，文中提出的方法在軸承故障診斷特別是在軸承復(fù)合故障診斷中能夠準(zhǔn)確的提取故障信號，有效識別并判別軸承等故障元件及損傷程度。

1 沖擊脈沖法（SPM）

沖擊脈沖法（Shock Pulse Method，SPM）是瑞典SPM Instrument AB公司提出的1套專門用于軸承故障檢測的方法。

其原理是：當(dāng)軸承存在點(diǎn)蝕、裂紋、疲勞等故障時(shí)，其滾動(dòng)體經(jīng)過缺陷位置時(shí)會引起沖擊性振動(dòng)，并產(chǎn)生高頻沖擊脈沖。這種沖擊脈沖的強(qiáng)弱與軸承損傷程度成正比，該沖擊脈沖被傳感器接收，經(jīng)處理顯示沖擊脈沖值，據(jù)此判斷軸承狀態(tài)，這就是沖擊脈沖檢測軸承故障的原理。沖擊脈沖信號處理過程如圖1所示。

圖1 沖擊脈沖信號處理過程

SPM法判斷軸承工作狀態(tài)時(shí)，需要建立判別標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過大量試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)分貝值dBn作為評判標(biāo)準(zhǔn)，并給出了經(jīng)驗(yàn)公式，如式（1）所示

式中 N——軸承的轉(zhuǎn)速，單位r/min；

D——軸承的內(nèi)徑，單位m；

VS—— 軸承故障產(chǎn)生的沖擊脈沖值，單位ms-1。

標(biāo)準(zhǔn)分貝值dBn和軸承狀態(tài)關(guān)系如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)分貝值dBn和軸承狀態(tài)關(guān)系

采用SPM法，不足之處在于：

（1）只能判斷軸承的總體狀態(tài)，不能確定其中哪個(gè)元件損壞；

（2）當(dāng)軸承系統(tǒng)中有多個(gè)軸承出現(xiàn)故障即有復(fù)合故障時(shí)，不同故障的特征頻率相互疊加，直接采用SPM法檢測可能產(chǎn)生誤診。

2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EMD）

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）是1種以傅里葉變換為基礎(chǔ)的適用于非線性、非平穩(wěn)信號且自適應(yīng)的信號處理方法［5］，其關(guān)鍵是將一個(gè)復(fù)雜信號分解成若干個(gè)包含了原信號不同尺度和局部特征的IMF（Intrinsic Mode Function）分量，每個(gè)IMF分量應(yīng)滿足以下2個(gè)條件［6］：

（1）在所有數(shù)據(jù)段中，極值點(diǎn)與過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)只能相等或相差1個(gè)；

（2）分別連接其局部極大值形成的上包絡(luò)線和連接其局部極小值形成的下包絡(luò)線的平均值在任一點(diǎn)處都為零，即上、下包絡(luò)線相對時(shí)間軸局部對稱。

對任一信號X（t）進(jìn)行EMD方法分解步驟如下：

（1）找出信號中所有局部極值點(diǎn)，用3次樣條線將所有局部極大值點(diǎn)連接擬合形成上包絡(luò)線，用相同方法將所有局部極小值點(diǎn)連接擬合形成下包絡(luò)線。

（2）將上、下包絡(luò)線的平均值記為m1，求出

如果h1滿足IMF的2個(gè)條件，則h1就是X（t）函數(shù)的第1個(gè)IMF分量。

（3）如果h1不滿足IMF的條件，則把h1作為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟（i）和（ii），計(jì)算出上、下包絡(luò)線平均值m11，再判斷h11=h1-m11是否滿足IMF條件。如果不滿足，則重復(fù)循環(huán)K次，得到h1K=h1（K-1）-m1K，使h1K滿足IMF的條件，記作C1=h1K，則C1為信號X（t）的第1個(gè)IMF分量。

（4）將C1從X（t）中分離出來，得到

將R1按照步驟（i）～（iii）重新處理，得到X（t）的第2個(gè)分量，記作C2，重復(fù)循環(huán)n次，得到信號X（t）的n個(gè)IMF分量，則有

當(dāng)Rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)且不能再從中提取滿足IMF條件的分量時(shí)，循環(huán)結(jié)束，這樣就得到

式中 Rn為殘余分量。

由以上分析可知，任何1個(gè)信號X（t）都可以分解成n個(gè)IMF分量和1個(gè)殘余函數(shù)之和，IMF的分量C1、C2、C3……Cn體現(xiàn)先高頻后低頻，由高及低，全面展現(xiàn)頻率信號不同頻段的成分，且每個(gè)頻段所包含的頻率成分是不相同的，會隨信號X（t）的變化而變化。

圖2為有復(fù)合故障軸承的原始振動(dòng)加速度信號，該信號經(jīng)EMD分解后得到8個(gè)IMF分量和1個(gè)殘余分量，最后3個(gè)IMF分量及殘余分量如圖3所示。

圖2 故障軸承振動(dòng)加速度信號

3 復(fù)合故障軸承信號處理實(shí)例

軸承故障實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中，分別在左邊軸承外圈上、右邊軸承內(nèi)圈上通過線切割設(shè)置了典型局部故障，則整個(gè)軸承故障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在復(fù)合故障。實(shí)驗(yàn)中，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1440r/min，實(shí)驗(yàn)裝置中所用軸承為滾子軸承，其內(nèi)徑d為40mm，外徑D為90mm，滾子個(gè)數(shù)Z為8個(gè)。

圖4 軸承故障實(shí)驗(yàn)裝置

右邊軸承座處安裝有振動(dòng)加速度計(jì)，采集軸承振動(dòng)信號，采樣頻率為15kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為16000，軸承振動(dòng)信號如圖2所示。對該信號直接進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，利用SPM法及式（1）計(jì)算相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分貝值，結(jié)果如圖5所示。其中上圖為軸承振動(dòng)信號，下圖為包絡(luò)譜換算的標(biāo)準(zhǔn)分貝值。由圖可見：在內(nèi)圈故障頻率（122.11Hz）處，標(biāo)準(zhǔn)分貝值出現(xiàn)的峰值為18.4，但未超過21dB，根據(jù)SPM法該軸承運(yùn)行狀態(tài)正常，這明顯與實(shí)際情況不符。

圖5 直接包絡(luò)解調(diào)分析結(jié)果

上述分析說明，SPM法判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)了誤診，其主要原因在于該軸承系統(tǒng)中，左右2個(gè)軸承分別存在外圈、內(nèi)圈故障，2個(gè)故障產(chǎn)生的信號相互疊加在一起導(dǎo)致直接進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)所得的包絡(luò)譜幅值產(chǎn)生誤差，進(jìn)而導(dǎo)致故障診斷失敗。

對圖2所示的信號進(jìn)行EMD分解，并對分解后得到的第1個(gè)IMF分量進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析。結(jié)果如圖6所示，內(nèi)圈故障頻率處出現(xiàn)了22.14dB的標(biāo)準(zhǔn)分貝值，根據(jù)SPM法判斷該軸承存在內(nèi)圈故障，與實(shí)際情況相符。

圖6 第1個(gè)IMF分量包絡(luò)解調(diào)分析結(jié)果

利用EMD分解處理左邊軸承振動(dòng)信號，并進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，同樣得到了正確的診斷結(jié)果。不同的地方在于最大標(biāo)準(zhǔn)分貝值出現(xiàn)在第3個(gè)IMF分量的包絡(luò)譜中，這說明軸承內(nèi)外圈故障頻率對應(yīng)的載波頻率處于不同頻帶。

以上實(shí)驗(yàn)說明，軸承系統(tǒng)存在復(fù)合故障時(shí)，軸承振動(dòng)信號相當(dāng)于2個(gè)或2個(gè)以上調(diào)制信號疊加，直接包絡(luò)解調(diào)無法得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，只有通過基于EMD分解的包絡(luò)解調(diào)分析，結(jié)合SPM法才能進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。

4 結(jié)束語

當(dāng)整個(gè)軸承系統(tǒng)存在復(fù)合故障時(shí)，直接包絡(luò)解調(diào)將出現(xiàn)較大的誤差，從而導(dǎo)致故障診斷失敗。因此本文研究了EMD分解和SPM法相結(jié)合的一種軸承故障診斷方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效的應(yīng)用于軸承系統(tǒng)中的復(fù)合故障診斷。