基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断_王益有.pdf

基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断 北京汽车2023.No.2 23 北北 京京 汽汽 车车 文章编号：1002-4581（2023）02-0023-04 基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断 王益有，史俊旭，毛鸿锋，王亚杰 Wang Yiyou，Shi Junxu，Mao Hongfeng，Wang Yajie（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412005）摘 要：针对非平稳信号频谱分析导致的谱分量重叠问题及滚动轴承故障信号的多载波调制特征，提出一种基于平方解调与阶次分析的调制阶次提取，并与轴承故障特征相结合的故障诊断方法。据此对某款异响新能源汽车进行加速工况测试，通过数据分析并结合驱动总成各轴承故障特征阶次确定故障原因。关键词：平方解调；阶次分析；轴承；故障诊断；新能源汽车 中图分类号：TH133.3 文献标志码：A DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.006 0 引 言 轴承故障是新能源汽车异响的重要来源之一，其诊断的频域特征提取方法包括频谱分析、功率谱分析1、倒谱分析2、细化谱分析3、AR模型谱分析4、高阶谱分析5、包络谱分析6和广义检波滤波解调分析7等。在某款新能源汽车的异响故障诊断中，发现异响故障特性随电机转速变化而变化，通过对汽车加速过程的监测，收集到全面的故障信号，以此快速识别故障原因。故障检测在电机加速工况下进行，所采集的振动信号为非平稳信号，采用传统的谱分析技术会出现频谱分量重叠现象8。阶次分析是一种分析旋转或往复机械噪声与振动信号的技术，可用于分析转速随时间变化的噪声与振动信号6。针对新能源汽车异响故障的特点，以广义检波滤波解调中的平方解调和阶次分析为基础，提出调制阶次提取并与轴承故障特征相结合的故障诊断方法。通过实例阐述利用该方法进行故障诊断的实现过程。1 平方解调分析 调幅调频信号模型9为 （1）式中：t 为时间；A 为信号幅值；fn为调制频率；B为调幅的调制指数；为调频的调制指数；fz为载波频率。根据平方解调原理，对式（1）调制信号取平方，得 （2）对式（2）z(t)信号进行低通滤波，得 （3）基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断 北京汽车2023.No.2 24 北北 京京 汽汽 车车 由式（3）可知，滤波后 zb(t)信号只包含直流分量、调制频率基频和调制频率 2 倍频的谐波成分。2 阶次分析 阶次分析方法源于角度域采样理论，通过同步采集旋转机械的转速，进行等角度增量重采样得到角度域内的振动响应信号，则时域非稳态信号在角度域下是稳态信号，对其进行傅里叶变换得到清晰的阶次谱。阶次分析剔除了机械运行变化的影响，是一种有效的非稳态信号分析方法2，适用于变转速工况的数据分析。为了确定等角度采样时间点，通常先设定参考轴的转速模式，假定在一个很小的同步采样时间间隔 t 内，参考轴为匀角加速度运动，则数值积分后参考轴的转角6为 （4）式中：i为同步采样的参考转速，其对应时间Ti=t i。利用插值法对 Ti插值，得到重采样等角度间隔 所对应的时间 Ti*，同样插值得到重采样等角度间隔 所对应的振动或噪声幅值，并对其进行 FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）运算，得到对应的阶次图谱。3 轴承故障特征 当轴承内圈、外圈、滚动体出现点蚀等损伤故障时，其运转过程一定会产生相应的频率冲击。根据缺陷位置不同，滚动轴承的缺陷阶次特征6为 1）内圈滚道缺陷 （5）2）外圈滚道缺陷 （6）3）滚珠缺陷 （7）4）保持架缺陷 （8）式中：fi为内圈滚道缺陷阶次；fo为外圈滚道缺陷阶次；fb为滚珠缺陷阶次；fc为保持架缺陷阶次；Z 为滚动体数目；d 为滚动体直径；Dm为节圆直径；为轴承压力角；ir为电机轴与轴承中间的传动比。文中基于平方解调的阶次分析流程如图1 所示。图 1 轴承故障诊断流程 4 轴承故障诊断实例 某款新能源汽车行驶过程中存在“嗡嗡”异响，主观感受在中高速时更加明显。将加速踏板完全踩下进行全加速试验，同步采集车内噪声及动力总成的振动信号。图 2 为现场采集的电机转速信号，图 3 为车内 A 计权噪声信号，图 4 为动力总成振动信号。图 2 电机转速 开始 振动、噪声及转速信号振动、噪声平方解调 参考轴 角度计算 计算等角度重采样 所对应的时间 计算等角度重采样 所对应的平方解调信号 FFT 运算 平方解调阶次谱 轴承故障特征分析 轴承故障诊断 时间/s 转速/(rmin-1)基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断 北京汽车2023.No.2 25 北北 京京 汽汽 车车 图 3 车内 A 计权噪声信号 图 4 动力总成振动信号 根据式（4）计算得到电机旋转轴的角度位置，如图 5 所示。图 5 电机旋转轴的角度曲线 根据平方解调原理得到 A 计权车内噪声及振动信号的平方解调曲线。利用插值法对图 5 中角度进行等角度间隔插值，计算得到等角度重采样时间，再利用插值法对平方解调曲线进行时间插值，得到车内 A 计权噪声平方解调等角度重采样曲线和动力总成振动平方解调等角度重采样曲线，如图 6、图 7 所示。图 6 车内 A 计权噪声平方解调等角度重采样曲线 图 7 动力总成振动平方解调等角度重采样曲线 对图6和图7中平方解调幅值进行FFT运算，得到车内 A 计权噪声平方解调阶次谱和动力总成振动平方解调阶次谱，如图 8、图 9 所示。图 8 车内 A 计权噪声平方解调阶次谱 图 9 动力总成振动平方解调阶次谱 声压2/Pa2 声压2/Pa2 振动加速度2/g2 振动加速度2/g2 声压/Pa 振动加速度/g 时间/s 时间/s 时间/s 角度/()角度/()角度/()阶次 阶次 基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断 北京汽车2023.No.2 26 北北 京京 汽汽 车车 从图8中可以明显看到0.164阶及其2倍频阶次，说明车内噪声存在 0.164 阶调制，结合主观感受，可以确认车内“嗡嗡”异响由 0.164 阶调制声引起。从图9中可以明显看到0.164阶及其2倍频阶次，说明振动信号存在 0.164 阶调制，其特征与车内噪声一致，说明车内噪声与动力总成振动明显相关。根据该款新能源汽车的传动系各轴承参数及速比，由式（5）（8）计算得出动力总成减速电机中间轴轴承故障特征阶次，见表 1，可以看出，车内噪声及动力总成振动的调制阶次与中间轴轴承的保持架缺陷特征阶次吻合，与其他轴轴承的缺陷特征不吻合，由此判断整车异响是由减速机中间轴轴承故障导致。将减速机拆解后，发现中间轴轴承存在卡滞现象，更换中间轴轴承后车内“嗡嗡”异响消失。表 1 动力总成减速机轴承缺陷特征阶次 缺陷位置 内圈缺陷 外圈缺陷 滚动体缺陷 保持架缺陷 输入轴轴承 5.435 3.565 4.607 0.396 中间轴轴承 2.292 1.505 1.950 0.167 输出轴轴承 2.072 1.367 0.574 0.049 5 结束语 平方解调可以从故障调制信号中有效提取滚 动轴承周期性故障冲击信号；阶次分析去除运行转速变化的影响，适用于非稳态信号，可对变转速工况数据进行有效分析。采用基于平方解调与阶次分析的故障诊断方法对异响车辆加速工况的振动噪声数据进行分析，结合传动系各轴承故障特征阶次确定异响故障原因，证明所提出的方法对汽车加速工况的异响故障诊断可行。参考文献 1李辉，郑海起，唐力伟.基于 EMD 和功率谱的齿轮故障诊断研究J.振动与冲击，2006（1）：133-135，145，173.2焦卫东，朱有剑.基于 EMD 与倒谱分析的轴承故障诊断J.机电工程，2009，26（2）：18-21.3夏均忠，刘远宏，李树珉，等.应用 Hilbert 变换和 ZFFT 提取变速器齿轮故障特征J.振动与冲击，2013，32（6）：63-66.4赵联春，马家驹，范树迁，等.滚动轴承振动分析中的 AR 模型研究J.中国机械工程，2004（3）：24-27.5杨江天，陈家骥，曾子平.基于高阶谱的旋转机械故障征兆提取J.振动工程学报，2001（1）：17-22.6王益有，胡勇峰，王亚杰，等.基于 Hilbert 包络与阶次分析的轴承故障诊断J.汽车零部件，2022（7）：74-78.7张帆，丁康.广义检波解调分析的三种算法及其局限性研究J.振动工程学报，2002（2）：123-128.8何正嘉.机械设备非平稳信号的故障诊断原理及应用M.北京：高等教育出版社，2001.9丁康，孔正国.振动调幅调频信号的调制变频带分析及其解调方法J.振动与冲击，2005（6）：9-12，20.2022 12 13-收稿日期：