一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法；首先，利用超声探头采集不同轴承保持架转速下的超声脉冲信号，利用滑窗函数将超声脉冲信号分为多段子信号；其次，以相关系数最小为目标利用VMD对各子信号分量进行分解，并根据各子信号分解分量的频率高低重新排序；然后，调节不同窗长依次对排序后的信号分量进行短时分数阶傅里叶变换获得时频图，并将时频分布的包络谱熵最小作为目标函数确定最优窗长；最后，在最优窗长下叠加短时分数阶傅里叶变换的时频图，并利用匹配压缩技术提取时频脊线，进而获得准确的轴承保持架转速。在存在噪声和润滑油污影响时，无需对轴承进行任何加工实现对保持架时变转速的高精度测量。高精度测量。高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法


[0001]本专利技术涉及轴承保持架转速测量领域，特别是涉及一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法。

技术介绍

[0002]轴承保持架作为轴承的重要组成部件，其运动稳定性和可靠性是决定轴承性能的主要因素。轴承保持架转速测量是衡量轴承保持架运动状态和计算轴承打滑率的重要指标。目前关于轴承保持架转速测量的研究大多未考虑噪声和润滑油污的影响，难以在实际装置中获得应用。即便是少数考虑了润滑油污影响的研究，也需要对轴承保持架进行适当加工改装，才能获得较好的保持架转速测量效果；显然，这对原有轴承结构和性能会造成一定程度的影响，对于很多在极端环境中运行的高端轴承是难以接受的。
[0003]针对上述问题，本专利技术提出基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法。利用超声探头发射的超声波反射信号探测轴承保持架转速，与之前研究不同的是无需对轴承保持架进行任何加工，更加符合实际应用需求。同时针对超声探头超声波信号易受到轴承及壳体振动的影响以及时变转速信号对时频分析要求高的特点，设计了基于短时傅里叶变换的数据处理算法对超声波信号进行深度处理，能够在轴承保持架转速时变的工况下获得很高的保持架转速测量精度。

技术实现思路

[0004]技术问题：有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法，能够在存在噪声和润滑油污影响时，无需对轴承进行任何加工实现对保持架时变转速的高精度测量。
[0005]技术方案：本专利技术的一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法包括：
[0006]步骤S1、利用超声探头采集不同轴承保持架转速下的超声脉冲信号，利用滑窗函数将超声脉冲信号分为多段子信号；
[0007]步骤S2、以相关系数最小为目标利用变分模态分解VMD对步骤S1所获各子信号进行分解，并根据各子信号分解分量的频率高低重新排序；
[0008]步骤S3、调节不同的窗长依次对步骤S2中排序后的信号分量进行短时分数阶傅里叶变换获得时频图，并将时频分布的包络谱熵最小作为目标函数确定最优窗长；
[0009]步骤S4、在最优窗长下叠加步骤S3中短时分数阶傅里叶变换的时频图获得全局时频图，并利用匹配压缩技术提取时频脊线，进而获得准确的轴承保持架时变转速。
[0010]所述步骤S1包括：
[0011]步骤S101、利用超声探头采集不同轴承保持架转速下的超声脉冲信号x(t)：
[0012]将超声探头竖直向下对准轴承中心，根据测量焦距和聚焦直径调节探头与轴承外圈表面的距离；
[0013]其中，
[0014]超声探头测量焦距计算如下：
[0015][0016]式中：F为超声探头在水中的焦距值；F1为考虑轴承外圈表面与水截面发生折射后的超声探头焦距值；C2为超声波在水中的传播速度；C3为超声波在轴承外圈中的传播速度；H0为超声探头焦点进入轴承外圈的深度；
[0017]超声探头聚焦直径Φ计算如下：
[0018]Φ＝1.025C2F/(fD)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]式中：D为超声探头直径；f为超声探头的中心频率；调节超声探头聚焦直径Φ小于等于轴承滚子直径；调整超声探头与轴承外圈表面的距离H
α
满足：
[0020][0021]步骤S102、利用滑窗函数将步骤S101所得超声脉冲信号分为多段子信号：
[0022]利用滑窗函数对步骤S101中获得的时域超声脉冲信号x(t)进行切割划分，超声脉冲信号采样频率为f
s
，总采样时间为t
s
，根据超声脉冲信号最大频率f
max
确定数据分段长度L
s
为：
[0023][0024]获得时域超声脉冲信号x(t)多段子信号为t为时间。
[0025]所述步骤S2包括：
[0026]步骤S201、以相关系数最小为目标利用VMD对步骤S102所获各子信号分量进行分解：
[0027]步骤S2011、VMD分解过程如下：
[0028]针对步骤S102中获得的超声脉冲多段子信号进行VMD分解如下：
[0029][0030]式中：x
i
(t)为待分解的超声脉冲子信号；为VMD分解后得到的单分量信号，k
i
＝1,2,...,Π
i
；为的瞬时幅值；为的瞬时相位；Π
i
为第i个子信号VMD分解层数；VMD分解的约束变模型表达式如下：
[0031][0032]式中：和分别为所有模态分量及其中心频率；δ
(t)为狄拉克分布；为对时间的导数；*为卷积运算；为向量的L2范数；为瞬时频率；
[0033]步骤S2012、相关系数计算过程如下：
[0034]根据步骤S102获得的子信号x
i
(t)与步骤S2011获得的单分量信号之间的相关系数最小确定VMD分解层数Π
i
，相关系数计算过程如下：
[0035][0036]式中：Cov(
·
)表示变量的协方差；Var[
·
]为信号的方差；re(
·
)为信号的相关系数；
[0037]步骤S202、基于步骤S201所得分解后的信号根据分量频率高低进行重新排序：
[0038]对步骤S201中对子信号x
i
(t)分解后获得的单分量信号的中心频率根据频率高低进行重新排序。
[0039]所述步骤S3包括：
[0040]步骤S301、调节不同的窗长依次对步骤S202中排序后的信号分量进行短时分数阶傅里叶变换获得时频图：
[0041]对于步骤S202获得的排序后的单分量信号选择短时窗函数g(t)、窗口长度B和滑动步长H＝B/2；将原始时序信号分为N段，对每段子信号进行加窗处理，定义短时分数阶傅里叶变换如下：
[0042][0043]式中：g(τ
‑
t)为以时间t为中心的窗函数；p为分数阶傅里叶变换阶数；为信号的p阶分数阶傅里叶变换；θ为p阶分数阶傅里叶域；K
p
(u,τ)为p阶分数阶傅里叶变换的核函数，满足：
[0044][0045]式中：α为时频平面的旋转角度，满足α＝pπ/2；n为任意整数；δ(
·
)为单位脉冲函数；j为虚数单位；A
α
满足：
[0046][0047]步骤S302、将时频分布的包络谱熵最小作为目标函数确定最优窗长：
[0048]依次调节步骤S301中的短时分数阶傅里叶变换窗口长度为{B1,B2,...,B
λ
}，分别对骤S202获得的单分量信号进行短时分数阶傅里叶变换，计算所得时频分布的包络谱熵，根据包络谱熵最小的原则确定最优窗长；包络谱熵计算公式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1、利用超声探头采集不同轴承保持架转速下的超声脉冲信号，利用滑窗函数将超声脉冲信号分为多段子信号；步骤S2、以相关系数最小为目标利用变分模态分解VMD对步骤S1所获各子信号进行分解，并根据各子信号分解分量的频率高低重新排序；步骤S3、调节不同的窗长依次对步骤S2中排序后的信号分量进行短时分数阶傅里叶变换获得时频图，并将时频分布的包络谱熵最小作为目标函数确定最优窗长；步骤S4、在最优窗长下叠加步骤S3中短时分数阶傅里叶变换的时频图获得全局时频图，并利用匹配压缩技术提取时频脊线，进而获得准确的轴承保持架时变转速。2.根据权利要求1所述的一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S101、利用超声探头采集不同轴承保持架转速下的超声脉冲信号x(t)：将超声探头竖直向下对准轴承中心，根据测量焦距和聚焦直径调节探头与轴承外圈表面的距离；其中，超声探头测量焦距计算如下：式中：F为超声探头在水中的焦距值；F1为考虑轴承外圈表面与水截面发生折射后的超声探头焦距值；C2为超声波在水中的传播速度；C3为超声波在轴承外圈中的传播速度；H0为超声探头焦点进入轴承外圈的深度；超声探头聚焦直径Φ计算如下：Φ＝1.025C2F/(fD)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：D为超声探头直径；f为超声探头的中心频率；调节超声探头聚焦直径Φ小于等于轴承滚子直径；调整超声探头与轴承外圈表面的距离H
α
满足：步骤S102、利用滑窗函数将步骤S101所得超声脉冲信号分为多段子信号：利用滑窗函数对步骤S101中获得的时域超声脉冲信号x(t)进行切割划分，超声脉冲信号采样频率为f
s
，总采样时间为t
s
，根据超声脉冲信号最大频率f
max
确定数据分段长度L
s
为：获得时域超声脉冲信号x(t)多段子信号为t为时间。3.根据权利要求1或2所述的一种基于短时傅里叶变换的轴承保持架转速超声测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S201、以相关系数最小为目标利用VMD对步骤S102所获各子信号分量进行分解：步骤S2011、VMD分解过程如下：
针对步骤S102中获得的超声脉冲多段子信号进行VMD分解如下：式中：xi(t)为待分解的超声脉冲子信号；为VMD分解后得到的单分量信号，k
i
＝1,2,...,Π
i
；为的瞬时幅值；为的瞬时相位；Π
i
为第i个子信号VMD分解层数；VMD分解的约束变模型表达式如下：式中：和分别为所有模态分量及其中心频率；δ(t)为狄拉克分布；为对时间的导数；*为卷积运算；为向量的L2范数；为瞬时频率；步骤S2012、相关系数计算过程如下：根据步骤S102获得的子信号x
i
(t)与步骤S2011获得的单分量信号之间的相关系数最小确定VMD分解层数Π
i
，相关系数计算过程如下：式中：Cov(
·
)表示变量的协方差；Var[
·
]为信号的方差；re(

【专利技术属性】
技术研发人员：马磊明，姜斌，肖玲斐，郭勤涛，于乾坤，陆宁云，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：