一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法，首先利用有限元分析方法对柱塞泵轴承进行建模和有限元仿真，通过模态分析得到轴承内、外圈第一阶弯曲振动的固有频率，作为带通滤波器的中心频率并固定带宽2000Hz进行滤波。其次，利用最小熵解卷积对带通滤波后的信号进行故障特征增强；最后通过希尔伯特包络解调得到故障特征频率。本发明专利技术方法一方面利用模态分析得到故障特征信号的载波频率中心，可有效地捕捉到轴承内、外圈第一阶弯曲振动固有频率附近被调幅的故障特征信号；另一方面，利用最小熵解卷积技术对滤波信号进行故障冲击特征增强，可直观地解调出轴承故障频率及其倍频，从而确定故障类型。

【技术实现步骤摘要】
一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法
本专利技术属于机械设备故障诊断领域，具体是指带通滤波增强最小熵解卷积的轴向柱塞泵轴承故障诊断方法。
技术介绍
液压传动系统在现代工业中占有重要地位，其中机械设备的状态监测和故障诊断越来越受到人们的重视。轴向柱塞泵作为液压系统中的关键部件，由于其恶劣的工作条件，不可避免的会出现各种故障，造成经济损失甚至灾难性伤亡事故。因此，准确有效地诊断轴向柱塞泵故障对提高液压系统的安全性和可靠性具有重要意义。事实上，轴向柱塞泵的机械部件出现的大部分故障通常具有冲击性特征。然而，由于轴向柱塞泵工作过程中柱塞的往复式运动，使其振动信号中存在明显的自然周期性冲击成分(柱塞往复式运动带来的周期性冲击成分)，当柱塞泵运行过程中的关键零件出现故障时，由故障所激发的冲击性成分就不可避免的遭受到自然周期性冲击的强烈干扰。此外，由于液压传动系统中恶劣的工作环境，采集到的振动信号通常都遭受严重的噪声污染。因此，对其进行故障诊断时，传统的特征提取方法难度大且效果不明显。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法，该方法对原始故障信号消噪，大幅度地提高信噪比，实现信号的冲击性特征增强，从而提高了故障诊断的准确度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是包括有：S1:对轴向柱塞泵的轴承进行有限元仿真，建立轴承有限元模型，通过模态分析获得轴承内圈、外圈第一阶弯曲振动的固有频率，将一阶弯曲振动固有频率作为弯曲振动固有频率值；S2：采用一阶弯曲振动固有频率作为带通滤波器的中心频率，并以该中心频率对轴承原始故障信号带通滤波，然后采用最小熵解卷积对故障激发的冲击性特征增强；S3:最后通过Hilbert包络分析，解调得到故障特征频率值，与故障理论特征值进行匹配，最终确定故障类型。进一步设置是所述的步骤S1包括：(1)建立滚动轴承有限元模型利用ANSYS软件进行有限元仿真：对于目标零件，将轴承实体建立为二维模型，并用二维单元离散，并输入材料参数，该材料参数包括有弹性模量E、泊松比ν、材料密度ρ；同时，将轴承的滚道与滚动体接触设定为弹簧阻尼单元，滚道与滚动体的径向接触刚度即为弹簧阻尼单元的接触刚度，滚道与滚动体的接触阻尼即为弹簧阻尼单元的阻尼；(2)由弯曲振型确定载波频率，进行有限元模态分析，并由振型确定第一阶弯曲振动固有频率。(3)将滚动轴承有限元模型分析得到的第一阶弯曲振动固有频率当作载波频率值，作为带通滤波器的中心频率,并对轴承故障信号带通滤波。进一步设置是所述的步骤S2中采用最小熵解卷积对故障激发的冲击性特征增强包括：(a)选择输出信号y的峭度作为滤波过程的目标函数，式中，y(n)(n＝1,2,…,N)是输出信号y通过数据采样之后的输出序列；(b)构造输出信号y与最佳滤波器权重f之间的关系，归纳为，式中，x(n)(n＝1,2,…,N)是输入信号x经过数据采样之后的输入序列，f(l)(l＝1,2,…,L)是滤波器的第l个权重系数，输出序列与滤波器权重的函数关系表达为，(c)最大化f(l)的目标函数，可以得到，(d)通过f(l)不断迭代求解，更新滤波器权重f，(e)通过公式(16)得到的最佳滤波器权重f，利用公式(13)来计算得到增强后的输出信号y。模态分析(ModalAnalysis,MA)，本质上是提供一种结构振动特性分析的途径，从而为振动分析、故障诊断等提供依据。模态即是指机械等结构的固有振动特性，模态分析的最终目标就是识别出结构的模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态振型。有限元方法(Finiteelementmethod,FEM)是进行模态分析的主流方法。本专利技术通过模态分析，得到轴向柱塞泵轴承的一阶弯曲振动固有频率，即可能的故障载波频率，将其作为带通滤波器中心频率，用于摆脱自然周期性冲击对故障特征频率的干扰。最小熵解卷积(MinimumEntropyDeconvolution,最小熵解卷积)通过将信号的熵值最小化，对原始信号消噪，大幅度地提高信噪比，实现信号的冲击性特征增强。本专利技术提出的一种带通滤波增强最小熵解卷积的轴向柱塞泵轴承故障诊断方法，目前尚无报道。本专利技术的优点是：本专利技术方法一方面利用有限元仿真的手段，通过模态分析寻找一阶弯曲振动固有频率，即故障信号中的载波频率，带通滤波，使轴承共振频率附近的故障频率调制现象凸显出来，从而获得故障信号感兴趣的频率段；另一方面，利用最小熵解卷积增强由故障所激发的冲击性成分，可靠地检测出轴承故障类型。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。图1本专利技术轴向柱塞泵轴承故障诊断流程图图2本专利技术实施例案例轴向柱塞泵的轴承几何尺寸图；图3本专利技术实施例案例1的外圈故障原始信号波形和Hilbert包络谱；图4本专利技术实施例案例1的轴向柱塞泵轴承外圈有限元模型及模态振型图；图5本专利技术实施例案例1外圈故障带通滤波信号和最小熵解卷积增强滤波信号的Hilbert包络谱；图6本专利技术实施例案例1外圈故障快速谱峭度和滤波后信号的Hilbert包络谱；图7本专利技术实施例案例2内圈故障原始信号波形和Hilbert包络谱；图8本专利技术实施例案例2轴向柱塞泵轴承内圈有限元模型及模态振型图；图9本专利技术实施例案例2内圈故障带通滤波信号和最小熵解卷积增强滤波信号的Hilbert包络谱；图10本专利技术实施例案例2内圈故障快速谱峭度和滤波后信号的Hilbert包络谱；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。需要说明的是，本专利技术实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本专利技术实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。本专利技术所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本专利技术，而非对本专利技术保护范围的限制。如图1所示，为本专利技术实施例中，包括以下步骤：S1：利用有限元分析方法对柱塞泵轴承进行建模和有限元仿真，通过模态分析得到轴承内、外圈第一阶弯曲振动的固有频率，作为带通滤波器的中心频率并固定带宽2000Hz进行滤波。(1)建立滚动轴承有限元模型可利用ANSYS软件进行有限元仿真：对于目标零件，由于我们只考虑其径向弯曲振动，因此，将实体建立为二维模型，并用二维单元离散，并输入材料参数(弹性模量E、泊松比ν、材料密度ρ)；同时，将滚道与滚动体接触简化为弹簧阻尼模型，滚道与滚动体的径向接触刚度即为弹簧阻尼单元的接触刚度，滚道与滚动体的接触阻尼即为弹簧阻尼单元的阻尼。Plane42可用于平面单元(平面应力或平面应变)，其由4个节点定义，每个节点含2个自由度：x方向和y方向的轴向移动。具有表征塑性，徐变，膨胀，应力强化，大变形，大应变的能力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法，其特征在于包括有：S1:对轴向柱塞泵的轴承进行有限元仿真，建立轴承有限元模型，通过模态分析获得轴承内圈、外圈第一阶弯曲振动的固有频率，将一阶弯曲振动固有频率作为弯曲振动固有频率值；S2：采用一阶弯曲振动固有频率作为带通滤波器的中心频率，并以该中心频率对轴承原始故障信号带通滤波，然后采用最小熵解卷积对故障激发的冲击性特征增强；S3:最后通过Hilbert包络分析，解调得到故障特征频率值，与故障理论特征值进行匹配，最终确定故障类型。

【技术特征摘要】
1.一种轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法，其特征在于包括有：S1:对轴向柱塞泵的轴承进行有限元仿真，建立轴承有限元模型，通过模态分析获得轴承内圈、外圈第一阶弯曲振动的固有频率，将一阶弯曲振动固有频率作为弯曲振动固有频率值；S2：采用一阶弯曲振动固有频率作为带通滤波器的中心频率，并以该中心频率对轴承原始故障信号带通滤波，然后采用最小熵解卷积对故障激发的冲击性特征增强；S3:最后通过Hilbert包络分析，解调得到故障特征频率值，与故障理论特征值进行匹配，最终确定故障类型。2.根据权利要求1所述的1所述的轴向柱塞泵轴承内圈与外圈故障诊断方法，其特征在于所述的步骤S1包括：(1)建立滚动轴承有限元模型利用ANSYS软件进行有限元仿真：对于目标零件，将轴承实体建立为二维模型，并用二维单元离散，并输入材料参数，该材料参数包括有弹性模量E、泊松比ν、材料密度ρ；同时，将轴承的滚道与滚动体接触设定为弹簧阻尼单元，滚道与滚动体的径向接触刚度即为弹簧阻尼单元的接触刚度，滚道与...

【专利技术属性】
技术研发人员：向家伟，王淑慧，刘晓阳，汤何胜，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33