戴屹梅，張和生，方 柯

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

滾動(dòng)軸承是火箭渦輪泵的關(guān)鍵部件，與普通民用軸承相比，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的軸承采用固體潤(rùn)滑，當(dāng)軸承瞬間受到外力時(shí)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，或瞬間干摩擦引起燒蝕。其故障模式體現(xiàn)在振動(dòng)信號(hào)上的特點(diǎn)是：1) 振動(dòng)數(shù)據(jù)中同時(shí)含有低頻成分和幾萬(wàn)赫茲量級(jí)的高頻成分；2) 軸承故障特征頻率振動(dòng)量級(jí)小，容易被復(fù)雜的背景信號(hào)淹沒(méi)；3) 軸承表面一旦出現(xiàn)故障，其劣化速度很快；4)振動(dòng)信號(hào)中故障特征頻率具有很強(qiáng)的突發(fā)性。這些特點(diǎn)使傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)分析方法不能完全適用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸承故障特征提取。因此，如何準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫高速軸承的故障特征提取成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

軸承DN(軸承內(nèi)徑與軸轉(zhuǎn)速的乘積)值是軸承技術(shù)水平的主要指標(biāo)，DN值越大，研制難度越高，從設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、加工技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)等各方面都要面臨很高的要求。高DN值軸承技術(shù)水平的限制，將會(huì)極大地制約發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提升，高DN值軸承的研制需要充分的試驗(yàn)驗(yàn)證能力，因此設(shè)計(jì)具有超高速采樣頻率的高速軸承試驗(yàn)臺(tái)是實(shí)現(xiàn)軸承研制目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)需要提高軸承的早期故障診斷能力。

高能振動(dòng)可能會(huì)對(duì)其他部件造成損害,并由此產(chǎn)生新的振動(dòng)頻率信號(hào)。這意味著多個(gè)振動(dòng)頻率之間可能存在因果關(guān)系。因此,也有必要判斷不同振動(dòng)頻率發(fā)生的時(shí)間順序,以找出它們之間可能的因果關(guān)系,用于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷。

提高這些能力需要探討新的理論途徑,進(jìn)行跨專(zhuān)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，為新型的高速低溫軸承試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)尋求理論支撐。

常用的渦輪泵軸承故障診斷方法是利用振動(dòng)信號(hào)、聲學(xué)信號(hào)、溫度信號(hào)和介質(zhì)參數(shù)變化量等對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警[1-3]。振動(dòng)參數(shù)作為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)應(yīng)用于故障診斷工作中，源于航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)的研制初期[4]。文獻(xiàn)[5]是NASA/馬歇爾空間飛行中心研究人員提出的一種CPLE分析方法，CPLE技術(shù)可以做出一種能夠同時(shí)保留振幅和相位的二維頻譜，這在傳統(tǒng)的頻譜分析中是不可能實(shí)現(xiàn)的。

安塔瑞斯(Antares)130 首飛失敗，一級(jí)火箭的兩臺(tái)AJ-26發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火15 s 渦輪泵發(fā)生故障，E15發(fā)動(dòng)機(jī)氧泵轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生碰磨，產(chǎn)生火花點(diǎn)燃液氧導(dǎo)致泵爆炸。專(zhuān)家認(rèn)為，如果能對(duì)飛行前的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的異常頻率信號(hào)進(jìn)行振源位置定位，完全有可能避免這次重大失敗。

為了對(duì)故障進(jìn)行診斷，近些年來(lái)出現(xiàn)了大量的分析動(dòng)態(tài)非平穩(wěn)信號(hào)的方法，比如短時(shí)傅里葉變換[6]，Wigner-Ville分布[7]，小波變換[8]，EMD分解法[9]，隨機(jī)共振[10]小波閾值降噪[11]等。形態(tài)濾波器(MF)是一種時(shí)域算法，能夠直接提取沖擊特性的幾何結(jié)構(gòu)[12]。文獻(xiàn)[13]介紹了一種改進(jìn)的MF，該方法能夠從低信噪比信號(hào)中提取故障特性。文獻(xiàn)[14-18]介紹了幾種先進(jìn)的時(shí)頻分析技術(shù)并將其應(yīng)用到軸承故障診斷上。

由于軸承的過(guò)度疲勞使用,軸承部件中往往發(fā)生剝落,如保持架、外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體等,因此滾動(dòng)軸承中遇到的故障類(lèi)型為保持架故障、外圈故障、內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障[19]。故障診斷的關(guān)鍵步驟是從振動(dòng)信號(hào)中提取故障特征頻率，傳統(tǒng)的方法是對(duì)實(shí)測(cè)的頻率分量和理論計(jì)算值進(jìn)行比較。由于滑動(dòng)和滾動(dòng)接觸,實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算結(jié)果不完全相等,有約 5%～10% 的差異。另一方面,由于振動(dòng)傳感器能夠準(zhǔn)確獲得機(jī)械設(shè)備的工作信號(hào),這些信號(hào)不僅包含一些顯示機(jī)器健康狀況的信息,而且還含有一些無(wú)用的噪音和干擾信號(hào),比如來(lái)自齒輪箱和環(huán)境等的振動(dòng)信號(hào)。在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)中,這些方法具有一定的內(nèi)在制約，軸承元件的特征頻率往往與變速箱或其它部件的特征頻率非常接近,這就很難完全依靠特征頻率對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。因此,能夠準(zhǔn)確找到振源位置是故障診斷的終極方法。

振源定位法思路清晰，方法簡(jiǎn)便，具有通用性。但是定位精度低，要想提高精度，必須提高振動(dòng)信號(hào)頻率，提高時(shí)延估算精度，因此出現(xiàn)了各種超聲波定位儀器，包括醫(yī)學(xué)上使用的超聲波檢查設(shè)備。火箭發(fā)動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)速一般為數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)，最高可達(dá)8萬(wàn)轉(zhuǎn)，其故障特征頻率小于6 kHz。這樣的頻率，用傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)算法[20]，其精度無(wú)法達(dá)到故障定位要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[21] 推導(dǎo)出的時(shí)幅曲線(xiàn)表達(dá)式：

因此，從理論上講，可以通過(guò)不同位置的振動(dòng)傳感器測(cè)得的同一個(gè)突發(fā)振動(dòng)信號(hào)的相位差來(lái)計(jì)算出振源的位置?；谶@一點(diǎn)，本文提出一種新的突變信號(hào)軸承故障診斷方法，將信號(hào)處理技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理相結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)。此方法類(lèi)似于定位算法，即將四個(gè)振動(dòng)傳感器和被測(cè)軸承設(shè)計(jì)在一個(gè)與衛(wèi)星導(dǎo)航定位WGS-84類(lèi)似的直角坐標(biāo)系中，將系統(tǒng)采樣頻率提高到128 MHz以上，利用時(shí)幅曲線(xiàn)分析法精確捕獲故障頻率在各傳感器的出現(xiàn)時(shí)刻，將此時(shí)間作為輸入條件，計(jì)算振動(dòng)波源位置，進(jìn)而判斷出軸承故障。

為了表述嚴(yán)謹(jǐn)和簡(jiǎn)潔，本文提出一個(gè)理想模型，在工程應(yīng)用中，可以利用該文給出的方法，根據(jù)精度要求設(shè)計(jì)不同的實(shí)施方案。在實(shí)際工程中，多個(gè)振動(dòng)之間往往存在因果關(guān)系。因而，利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷，同樣需要判斷不同振動(dòng)出現(xiàn)的先后順序，尋找它們之間的因果關(guān)系及引起故障的原因。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

任何一次振動(dòng)均包含四個(gè)要素：振源位置、振動(dòng)強(qiáng)度(幅值)、振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、振動(dòng)頻率。了解這四個(gè)要素是徹底了解一次振動(dòng)的必要條件。從振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取四個(gè)要素中的某一個(gè)或幾個(gè)，稱(chēng)之為振動(dòng)信號(hào)特征提取，用提取的特征信號(hào)進(jìn)行故障診斷還需要其他相關(guān)知識(shí)的配合。目前，對(duì)于軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)的故障特征提取基本集中在特征頻率，振動(dòng)幅值和振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間方面，對(duì)于確定振源位置幾乎沒(méi)有涉及，這是因?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸承的最高轉(zhuǎn)速為8萬(wàn)轉(zhuǎn)/分量級(jí)，振動(dòng)信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到超聲波量級(jí)，如果沒(méi)有相位信息，幾乎無(wú)法達(dá)到定位所需求的毫米級(jí)精度。

對(duì)于氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵高速軸承試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)時(shí)將軸承置于液氮冷卻箱中，試驗(yàn)臺(tái)的這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得在軸承周?chē)植级鄠€(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)成為可能。將試驗(yàn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上按圖1設(shè)計(jì)，利用振動(dòng)定位算法與高速采樣同步測(cè)控技術(shù)以及時(shí)幅拐點(diǎn)數(shù)值分析方法相結(jié)合對(duì)軸承故障點(diǎn)進(jìn)行診斷定位。

圖1 系統(tǒng)坐標(biāo)系及軸承傳感器結(jié)構(gòu)布局示意圖

以軸承的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，傳動(dòng)軸的軸線(xiàn)為X坐標(biāo)軸，垂直向上為Y軸，垂直向外為Z軸，建立立體直角坐標(biāo)系。振動(dòng)傳感器1，2，3，4分布在以R為半徑、以軸承的幾何中心為圓心的球面上。振動(dòng)傳感器1，2，3，4的坐標(biāo)分別為1(R,0,0)，2(0,-R,0)，3(0,R,0)，4(0,0,R)。

2 空間坐標(biāo)定位原理

2.1 空間坐標(biāo)定位數(shù)學(xué)模型

設(shè)4個(gè)振動(dòng)傳感器測(cè)得同一振動(dòng)的時(shí)刻分別為t1，t2，t3，t4，振動(dòng)波在冷卻液中傳播速度為V，振源的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，4個(gè)傳感器的坐標(biāo)為(Xi,Yi,Zi)，i=1,2,3,4，則各傳感器與振源之間的距離為

設(shè)各個(gè)傳感器測(cè)得同一振動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻為ti(i=1,2,3,4,)，t0為距振源最近的傳感器測(cè)得振動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻，則t0=min{t1,t2,t3,t4}；各個(gè)傳感器測(cè)得同一振動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻與t0的時(shí)間差為T(mén)i0=ti-t0(i=1,2,3,4,)。設(shè)T為振動(dòng)從振源傳到距振源最近的振動(dòng)傳感器所用的時(shí)間，那么

dsi=(T+Ti0)V，i=1,2,3,4，即

(1)

式中：T，X，Y，Z是需要求解的未知數(shù)。

整理原方程組(1),并將常數(shù)記為kij，則：

(2)

將前三個(gè)方程聯(lián)立：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

將式(8)代入式(1)整理得：

T2+k80T+k81=0

(9)

解出T，X，Y，Z，坐標(biāo)(X,Y,Z)即為振動(dòng)源所在位置坐標(biāo)。

2.2 判定故障部位數(shù)學(xué)模型

根據(jù)振源坐標(biāo)(X,Y,Z)判定故障部位方法。

圖2是軸承在坐標(biāo)系中的位置圖和其尺寸說(shuō)明。設(shè)軸承內(nèi)圈內(nèi)徑為2r1，內(nèi)圈外徑為2r2，外圈內(nèi)徑為2r3，外圈外徑為2r4，軸承座外徑為2r5，軸承寬度為h。

圖2 軸承各部件在坐標(biāo)系中占據(jù)的空間位置圖

不難看出，通過(guò)坐標(biāo)(X,Y,Z)的值可以判定故障所在部位。

1)軸承座所占據(jù)的坐標(biāo)空間同時(shí)滿(mǎn)足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(10)

2)軸承內(nèi)圈所占據(jù)的坐標(biāo)空間同時(shí)滿(mǎn)足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(11)

3)軸承外圈所占據(jù)的坐標(biāo)空間同時(shí)滿(mǎn)足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(12)

4)軸承滾動(dòng)體和保持架所占據(jù)的坐標(biāo)空間同時(shí)滿(mǎn)足以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(13)

式(1) 和式(10)～(13) 可用于推導(dǎo)故障識(shí)別算法,算法流程如圖3所示。

在精度較低的系統(tǒng)中,如果計(jì)算出的故障位置坐標(biāo)位于軸承兩個(gè)部件的交界面區(qū)域，則可將計(jì)算出的振源位置坐標(biāo)和軸承元件的理論特征頻率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)故障部位做出準(zhǔn)確的判斷。因?yàn)檩S承不同部件的特征頻率數(shù)值差別較大。

圖3 計(jì)算振動(dòng)源坐標(biāo)和判斷故障部位的流程圖

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換精度和多通道同步問(wèn)題

在工程上實(shí)現(xiàn)本文提出的方法，需要高速多通道同步采樣板，采樣頻率大于100 MHz，通道數(shù)大于4，各通道的同步誤差小于0.1 ns。以下是SPECTRUM INSTRUMENTATION公司的一款產(chǎn)品，M4i.44xx-x8-14/16性能完全滿(mǎn)足要求。

四通道采樣頻率為500 MS/，所有通道同步采樣，通道之間同步采樣時(shí)間誤差小于60 ps。

2.4 軸承故障信號(hào)時(shí)域波形

軸承故障信號(hào)時(shí)域波形一般較為復(fù)雜，為振蕩衰減的周期信號(hào)，文獻(xiàn)[21]做了詳細(xì)的介紹。振蕩衰減周期信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換，其能量大部分集中在基頻正弦信號(hào)上。所以在頻域提取的故障信號(hào)都是正弦信號(hào)，故障仿真信號(hào)用3589 Hz正弦信號(hào)。

2.5 坐標(biāo)精度問(wèn)題

本文給出的是理論直角坐標(biāo)系的計(jì)算公式和故障定位判定方法，為了簡(jiǎn)化方程,便于理解,本文選取了4個(gè)特殊坐標(biāo)。在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，四個(gè)振動(dòng)傳感器和軸承所占據(jù)的空間位置與理論位置存在誤差。用三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量四個(gè)傳感器和軸承幾何中心的坐標(biāo),并根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果再次建立較為復(fù)雜的定位方程如式(1)和四故障判斷不等式如式(10)～(13)。目前,市場(chǎng)上三坐標(biāo)機(jī)的精度可達(dá)(2.5±L/300) μm,本文取L=R=300, 所以坐標(biāo)測(cè)量精度達(dá)到 3.5 μm,完全滿(mǎn)足精度要求。

2.6 噪聲的影響

真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含各種噪聲，為了考核噪聲環(huán)境下該方法的可行性，本文采用了工程仿真的方法，構(gòu)造仿真數(shù)據(jù)時(shí)域信號(hào)時(shí)，將故障信號(hào)疊加到真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可最大限度模擬真實(shí)環(huán)境下的故障信號(hào)，然后再用時(shí)幅曲線(xiàn)拐點(diǎn)分析法對(duì)故障信號(hào)發(fā)生的時(shí)刻進(jìn)行提取。

3 仿真校驗(yàn)

3.1 構(gòu)造傳感器仿真時(shí)域信號(hào)

(14)

設(shè)ts為振源發(fā)出振動(dòng)信號(hào)的時(shí)刻，各個(gè)傳感器測(cè)得信號(hào)的時(shí)刻為：

(15)

各傳感器捕獲到同一信號(hào)的時(shí)間差分別為

由此得出仿真程序的輸入輸出參數(shù)。

輸入?yún)?shù)：(X′，Y′，Z′)，R，V，K

將特定頻率的振動(dòng)信號(hào)依據(jù)時(shí)間差加到真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，即可獲得仿真計(jì)算所需要的時(shí)域信號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

設(shè)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)為r1=17.5 mm，r2=21.5 mm，r3=27 mm，r4=30 mm，r5=34 mm，h=14 mm。振源坐標(biāo)為(5,0,28)，位于軸承外圈區(qū)域，R=300 mm，振動(dòng)波在液氮中的傳播速度為V=1168000 mm/s，采樣頻率為k=128000000 Hz。

將以上參數(shù)輸入到求解仿真參數(shù)程序，計(jì)算結(jié)果:

2.580011×10-4, 2.580011×10-4,

2.329161×10-4}=2.329161×10-4

(2.329161×10-4)=0.207875×10-4

(2.329161×10-4)=0.250850×10-4

(2.329161×10-4)=0.250850×10-4

(2.329161×10-4)=0.0×10-4

3.2 合成振動(dòng)傳感器故障時(shí)域信號(hào)

圖4 真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)域圖

圖5 傳感器1合成后試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)域信號(hào)

用同樣的方法合成其余三個(gè)傳感器的時(shí)域數(shù)據(jù)。

3.3 仿真計(jì)算和故障診斷

利用第3.2節(jié)合成的傳感器仿真時(shí)域信號(hào)計(jì)算振源位置并進(jìn)行故障診斷。

3.3.1時(shí)幅曲線(xiàn)拐點(diǎn)分析算法簡(jiǎn)介

根據(jù)參考文獻(xiàn)[21]所介紹的時(shí)幅曲線(xiàn)拐點(diǎn)分析算法,以Δt為時(shí)間步長(zhǎng)，信號(hào)采樣頻率Fs。

在(T1+nΔt，T2)時(shí)間段內(nèi)逐次取信號(hào)序列fj的傅里葉變換中頻率k的幅值A(chǔ)kn，則有

(16)

其中L為分析點(diǎn)數(shù)，L=N-nΔtFs；N為原序列的總采樣點(diǎn)數(shù)，N=(T2-T1)Fs，n≤N。

只要采樣頻率Fs足夠高,計(jì)算步長(zhǎng)Δt足夠小,就可以得到所需精度的信號(hào)出現(xiàn)和消失時(shí)刻。

為了直觀理解該算法和時(shí)幅曲線(xiàn)，構(gòu)造函數(shù)f0(t)

(17)

對(duì)函數(shù)f0(t)進(jìn)行12800 Hz采樣，取分析時(shí)間從0～15 s，其時(shí)幅曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 f0(t)在200 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)(0～15 s)

分析時(shí)間從0～9 s，此時(shí)時(shí)幅曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 f0(t)在200 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)(0～9 s)

從圖6和圖7可以看出,時(shí)幅分析法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻和消失時(shí)刻。不同的分析時(shí)段對(duì)應(yīng)不同的曲線(xiàn)形狀，但信號(hào)拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻是不變的。

3.3.2用時(shí)幅曲線(xiàn)分析算法求出各傳感器合成數(shù)據(jù)中3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,先用Δt=0.001 s計(jì)算0～0.03 s時(shí)段范圍內(nèi)傳感器1的3589 Hz時(shí)幅曲線(xiàn)，得到3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻大致在0.01 s，如圖8所示。再縮小分析時(shí)段范圍，在0.00975～0.01015 s之間，用Δt=1×10-8s計(jì)算3589 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)如圖9～圖12所示，選取幅值達(dá)到峰值時(shí)的時(shí)刻為ti(i=1,2,3,4)。

圖8 0～0.03 s 3589 Hz時(shí)幅曲線(xiàn)

1)傳感器1數(shù)據(jù)分析

從圖9所示傳感器1的時(shí)幅曲線(xiàn)可以看出，3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為t1=1.000567×10-2。

圖9 傳感器1數(shù)據(jù)在3589 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)

2)傳感器2數(shù)據(jù)分析

從圖10所示傳感器2的時(shí)幅曲線(xiàn)可以看出，3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為t2=1.000825×10-2。

圖10 傳感器2數(shù)據(jù)在3589 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)

3)傳感器3數(shù)據(jù)分析

從圖11所示傳感器3的時(shí)幅曲線(xiàn)可以看出，3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為t3=1.000979×10-2。

圖11 傳感器3數(shù)據(jù)在3589 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)

4)傳感器4數(shù)據(jù)分析

從圖12所示傳感器4的時(shí)幅曲線(xiàn)可以看出，3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為t4=9.984540×10-3。

圖12 傳感器4數(shù)據(jù)在3589 Hz的時(shí)幅曲線(xiàn)

t0= min{t1，t2，t3，t4}=min{1.000567×10-2，

1.000825×10-2，1.000979×10-2，

9.984540×10-3}=9.984540×10-3

T10=t1-t0=(1.000567×10-2)-

(9.984540×10-3)=0.2113×10-4

T20=t2-t0=(1.000825×10-2)-

(9.984540×10-3)=0.2371×10-4

T30=t3-t0=(1.000825×10-2)-

(9.984540×10-3)=0.2371×10-3

T40=t2-t0=(9.984540×10-3)-

(9.984540×10-3)=0.0×10-4

3.4 利用振動(dòng)定位算法對(duì)軸承故障進(jìn)行定位診斷

將以上時(shí)幅曲線(xiàn)分析法找出的各個(gè)傳感器測(cè)得3589 Hz信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，代入公式計(jì)算出振源坐標(biāo)，判斷是否是軸承故障及故障部位。圖3為定位故障算法流程圖。

將時(shí)間t1,t2,t3,t4輸入定位算法故障診斷程序，經(jīng)定位算法故障診斷程序計(jì)算,得到振源位置坐標(biāo)是X=3.905743，Y=-0.902871，Z=27.395615，與軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)r1，r2，r3，r4，r5比對(duì)后判定，該振源位置位于軸承外圈區(qū)域。第3.1.2節(jié)用于構(gòu)造模擬數(shù)據(jù)的振源坐標(biāo)為(5，0，28),與仿真計(jì)算出的振源坐標(biāo)(3.905743，-0.902871，27.395615)的最大誤差為 1.1 mm (5-3.905743=1.094257)。

4 結(jié) 論

由于時(shí)幅曲線(xiàn)分析法能夠依據(jù)采樣頻率精度準(zhǔn)確找出信號(hào)發(fā)生突變的時(shí)刻，這為振源空間定位分析提供了可能。其理論定位精度只與傳感器的坐標(biāo)精度、采樣頻率和多路采樣器的同步精度有關(guān)；與傳感器位置、振源的位置均無(wú)關(guān)。

通過(guò)以上仿真計(jì)算，在采樣頻率為128 MHz，傳感器的坐標(biāo)誤差為零、多路采樣器的同步誤差為零、波的傳播速度為1168 m/s的條件下，最大誤差為±1.1 mm。

在實(shí)際應(yīng)用中，只要判定振源位置在軸承結(jié)構(gòu)包絡(luò)范圍內(nèi)，即可將故障定位于軸承；通過(guò)增加定位精度可進(jìn)一步判定軸承故障的具體部位，此方法亦可與故障特征頻率判別法進(jìn)行相互驗(yàn)證。

每一個(gè)振動(dòng)信號(hào)都包含四個(gè)要素，即振源位置、振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、振動(dòng)的幅值(能量)、振動(dòng)的頻率。掌握了這四個(gè)要素也就徹底了解了與這四個(gè)要素相關(guān)的振動(dòng)。利用現(xiàn)代技術(shù)手段從振動(dòng)信號(hào)中發(fā)掘出這四個(gè)要素是通過(guò)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷的最根本的途徑。本文利用信號(hào)時(shí)幅曲線(xiàn)所包含的相位信息計(jì)算振源位置就是在這一方面做的一次嘗試。仿真計(jì)算結(jié)果表明該方法理論上可行，有實(shí)際工程價(jià)值。