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基于SALSA优化算法的变转速轴承故障特征稀疏表示方法研究

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:420      更新时间:2018-10-16

                                              吴〓楠,石娟娟,江星星,朱忠奎
                                      (苏州大学城市轨道交通学院,江苏 苏州〓215137)
摘要:变转速工况下轴承等设备的关键部件出现故障后对设备的危害十分严重,而且此类工况下振动信号更加复杂。为了克服此类问题,引入分裂增广拉格朗日收缩算法建立变转速轴承故障特征稀疏表示方法,实现变转速下轴承故障冲击特征的准确提取。首先,基于变转速轴承故障振动响应模型,分析不同转速下轴承故障振动响应形态变化规律,构造Laplace小波基底过完备字典;然后运用分裂增广拉格朗日收缩算法实现故障信号的稀疏表示与重构,通过提取重构信号的特征阶次实现轴承的故障诊断。轴承故障诊断实例验证了所提方法在变转速工况下轴承故障诊断的有效性。
关键词:变转速;稀疏字典;振动模型;故障诊断
中图分类号:TH113.1文献标识码:A文章编号:2095-509X(2018)06-0017-05


   目前,轴承等设备的关键部件的振动监测与诊断主要是在恒定转速工况下进行的,然而实际工程应用中机械部件往往运行在变转速工况下。轴承等关键部件运行在频繁或者较大的转速波动工况下极易发生疲劳裂纹故障。轴承在运行过程中,局部损伤点引起的脉冲激励通常会激起轴承元器件或系统的共振,产生一系列的高频衰减振动。对这些反映轴承故障状况的振动冲击进行检测,是轴承状态监测的重要手段之一。变转速工况下,轴承故障信号更为复杂,其调幅、调频、调相等非平稳特征均会受转速波动影响;另外振动信号也受强噪声干扰,使得信号复杂度增加的同时也大大增加了故障检测的难度。稀疏表示方法具有自适应性好、表达简洁等优点,已应用于定转速轴承故障特征提取,然而其在变转速工况下的适用性讨论极少。稀疏表示的关键问题是稀疏字典的建立及重构算法的选取,因此针对变转速工况下滚动轴承故障信号的稀疏表示,如何构造适宜的、与故障冲击形态匹配的字典以及选取适宜的优化算法成为轴承故障特征稀疏表示的关键问题之一。

    为解决此类问题,本文在变转速轴承故障瞬态冲击振动响应形态分析的基础上,提出了一种基于分裂增广拉格朗日收缩算法(split augmented Lagrangian shrinkage algorithm, SALSA)的变转速轴承故障特征稀疏表示方法。首先对变转速轴承故障振动响应建模,分析转速波动下轴承故障瞬态冲击形态的变化情况,获取轴承故障冲击形态在变转速状态下不随转速变化的规律,然后根据分析结果建立涵盖故障瞬态冲击的低冗余度过完备字典,在此基础上引入SALSA实现故障信号的稀疏表示与重构,并通过提取重构信号的特征阶比实现轴承的故障诊断。

1〓变转速轴承故障瞬态冲击振动响应形态分析
    假设轴承内圈以一定转速旋转,外圈在外加载荷作用下固定不动。将轴承简化为外圈、内圈和滚动体3大质量块。滚动体与内外圈之间采用阻尼和弹簧作为接触模型来研究轴承早期故障引起的振动冲击特点。用图1所示二维弹簧-质量-阻尼系统表示滚动轴承早期故障振动模型[5],其振动的微分方程为:


基金项目:江苏省自然科学青年基金项目(BK20160318)
作者简介:吴楠(1990—),男,江苏徐州人,苏州大学硕士研究生,主要研究方向为变转速机械故障特征提取。

文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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