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案例頻道 1 引言
軸承是工業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的機(jī)械部件，也是最易損傷的零件之一。有故障的軸承不僅會(huì)直接影響設(shè)備的基本性能，而且有可能造成重大生產(chǎn)事故。我國(guó)是軸承制造大國(guó)，目前，軸承產(chǎn)量居世界首位，產(chǎn)值第三，僅次于美國(guó)和日本。我國(guó)也是軸承使用大國(guó)，每年進(jìn)口大量高檔軸承用于機(jī)械設(shè)備制造。因此，能對(duì)有故障軸承進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。
軸承診斷技術(shù)眾多。其中，振動(dòng)檢測(cè)法是通過分析軸承工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行故障識(shí)別的方法。由于測(cè)試方便，分析直觀，在故障檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。在并不需要很高精度的情況下，振動(dòng)信號(hào)的低階統(tǒng)計(jì)量，對(duì)質(zhì)量問題明顯的軸承有一定的鑒別作用。低階統(tǒng)計(jì)量能夠確定零均值平穩(wěn)高斯過程的統(tǒng)計(jì)特性。但是，現(xiàn)在很多精密軸承通常故障微小，很多信息表現(xiàn)為非高斯性，非線性，非最小相位等特點(diǎn)，低階統(tǒng)計(jì)量無法進(jìn)行識(shí)別。高階統(tǒng)計(jì)量是在低階統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，克服了低階統(tǒng)計(jì)量由于缺少相位信息而無法直接處理非最小相位系統(tǒng)的固有缺陷，能對(duì)非高斯，非線性，非最小相位系統(tǒng)進(jìn)行分析。也就是說，用低階統(tǒng)計(jì)量方法不能圓滿解決的問題，理論上都可以用高階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行處理【1】。
高階譜工具箱是專用的Matlab信號(hào)處理工具箱，功能強(qiáng)大。包含了傳統(tǒng)方法的高階譜估計(jì)，參數(shù)方法的高階譜估計(jì)，二次相位耦合，諧波恢復(fù)，時(shí)間延遲估計(jì)，自適應(yīng)線性預(yù)測(cè)等多種分析方法。本文采用傳統(tǒng)方法的高階譜函數(shù)，介紹了高階譜工具箱在軸承故障分析中的應(yīng)用。
2 高階累計(jì)量和高階譜
最常用的高階統(tǒng)計(jì)量是高階累積量和高階譜。平穩(wěn)過程的一階累計(jì)量定義為均值：
（1）
均值平移不會(huì)改變高階累積量，因此，可假設(shè)均值為零。如果均值為非零，先減去均值，再處理隨機(jī)過程的高階累積量。
零均值平穩(wěn)過程的累積量定義如下【2】：
二階累積量：
（2）
三階累積量： 
（3）
.
第k階譜定義為對(duì)應(yīng)累積量序列的傅里葉變換：
功率譜： 
（4）
雙譜：
（5）
互雙譜： 
（6）
雙譜 
是互雙譜取x=y=z時(shí)的特例。
互相干： 
（7）
互雙相干定義為： 
（8）
當(dāng)x=y=z時(shí)，便是自雙相干。
3 軸承數(shù)據(jù)的高階統(tǒng)計(jì)量估計(jì)
Matlab的HOSA（High-Order Spectrum Analysis Toolbox）是專用的高階譜信號(hào)處理工具箱，包含傳統(tǒng)方法，參數(shù) 方法，二次相位耦合，二階Volterrra系統(tǒng)，諧波恢復(fù)，時(shí)間延遲估計(jì)（TDE），陣列處理，自適應(yīng)線性預(yù)測(cè)，脈沖響應(yīng)，時(shí)頻估計(jì)等類別的函數(shù)。
下面使用幾個(gè)工具箱函數(shù)來對(duì)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較。
高階譜的基本工具是三階累積量對(duì)應(yīng)的雙譜分析，在工具箱中，有間接雙譜估計(jì)函數(shù)bispeci，直接雙譜估計(jì)函數(shù)bispecd，直接互雙譜估計(jì)函數(shù)bispecdx。下面對(duì)bispecd作簡(jiǎn)單的函數(shù)說明，并觀測(cè)bispeci與bispecd對(duì)合格與故障數(shù)據(jù)的估計(jì)結(jié)果。
function [Bspec，waxis] = bispecd (y， nfft， wind， nsamp， overlap)
功能：基于FFT變換的直接方法雙譜估計(jì)。
參數(shù)說明：
y: 信號(hào)序列，矩陣或向量；
nfft: FFT變換計(jì)算長(zhǎng)度；
wind: 指定窗函數(shù)，起頻域平滑的作用；
nsamp: 指定每段數(shù)據(jù)估計(jì)時(shí)的樣本數(shù)目，默認(rèn)是y的行數(shù)量；
overlap: 指定相鄰數(shù)據(jù)重疊百分比，取值范圍[0， 99]，默認(rèn)值為0；
Bspec: 估計(jì)雙譜返回矩陣，nfft×nfft矩陣；
Waxis: 與bspec矩陣相關(guān)的頻率，第i行（列）bspec與Waxis(i)相關(guān)。
圖1 間接與直接雙譜估計(jì)合格軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)
圖2 間接與直接雙譜估計(jì)故障軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)
可以看到，直接雙譜與間接雙譜估計(jì)效果差不多，都能夠非常清晰的地分辨合格與故障軸承。圖1顯示雙譜估計(jì)對(duì)合格軸承振動(dòng)的特征頻率有很好的提取作用。對(duì)比圖1，圖2的顯示結(jié)果表明，由于故障振動(dòng)表現(xiàn)為周期性的沖擊振動(dòng)和幅值調(diào)制現(xiàn)象[3]，故障特征頻率經(jīng)過雙譜估計(jì)，特征信號(hào)分布在一個(gè)相對(duì)小的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出相當(dāng)強(qiáng)的特性。特征信號(hào)的圖形表明，通過智能學(xué)習(xí)算法對(duì)Bspec和waxis變量的分析，應(yīng)該可以很容易分辨合格與故障軸承，并且分析軸承的故障類型。
在HOSA工具箱中， bicoher用來估計(jì)自雙相干， bicoherx用來估計(jì)互雙相干。下面的圖形將顯示bicoher函數(shù)估計(jì)合格與故障軸承的情況
圖3 自雙相干估計(jì)合格軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)
圖4 自雙相干估計(jì)故障軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)
根據(jù)公式（8），自雙相干是基于功率譜和雙譜的一個(gè)估計(jì)。而功率譜是二階累積量的傅里葉變換，從圖3和圖4看到，自雙相干估計(jì)難以對(duì)合格和故障軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效的特征提取，圖形中顯示了很多干擾信號(hào)。仿真表明，二階統(tǒng)計(jì)量不能對(duì)軸承的合格與故障信號(hào)進(jìn)行有效的特征提取。
4 結(jié)論
自相干的估計(jì)結(jié)果表明：軸承振動(dòng)信號(hào)具有的非高斯，非線性等特性不能用二階以下的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行表征。雙譜估計(jì)的結(jié)果表明：用二階不能解決的問題，三階譜能有效地提取信號(hào)特性。本文驗(yàn)證了高階統(tǒng)計(jì)量理論及HOSA工具箱對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的應(yīng)用性，體現(xiàn)了其在軸承檢測(cè)過程中的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張賢達(dá), 保錚．非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.
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[4] 柳桂國(guó)，柳賀，黃道．經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析在軸承故障診斷中的應(yīng)用[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, Vol.34 No.2:261-266
樂斌(1978-)
男，寧波人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事模式識(shí)別、智能系統(tǒng)方面的研究，現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院。
摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第二期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)