一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法

1.本发明属于滑动轴承非线性运动状态监测领域，涉及一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法。


背景技术：

2.滑动轴承是旋转机械的重要支撑部件，受环境及实际工况等影响，其运行状态由理想的液体动力摩擦状态转为边界、混合等摩擦状态，长此以往，易使轴承磨损加剧，甚至引发粘瓦、烧轴等恶性事故的发生。因此，针对滑动轴承碰摩状态的监测尤为重要。
3.目前，关于滑动轴承碰摩状态的监测主要基于摩擦力矩、油膜厚度、摩擦系数等参数的测量。上述参数虽可有效地识别碰摩状态，但受测量方法、设备价格等因素限制，在实际应用中具有一定的局限性，一种反映滑动轴承碰摩状态的新方法亟待提出。滑动轴承运行中，主轴与轴瓦间的碰摩擦接触，引发碰摩振动。因此，碰摩振动蕴含着滑动轴承的碰摩信息，在不影响滑动轴承运动的提前下可实时获取，是一种较为理想的滑动轴承碰摩状态监测手段。然而，当前关于应用碰摩振动识别和监测滑动轴承运动状态的研究主要是通过某一固定频段或某一特征频段识别和提取滑动轴承碰摩信号，无法进行全采样频段内全域碰摩信号的提取。
4.现有方法为了降低提取信号的后续计算量，通常通过先验知识在全采样频段只确定某一频段，仅对这一频段内的信号进行处理和分析。作为可改进方向，可通过计算互相关系数自动筛选全采样频段内的强相关信号，来改善先验知识主观性较大的缺点，然而，互相关系数在本领域通常只是用于确定最大强互相关性的手段，因此不适用对全采样频段的各信号直接应用，从而，若使用互相关系数应用在滑动轴承非线性碰摩状态监测中，通常也只是使用最大强互相关性确定某一固定频段，其仍是对由互相关系数选用的某一频段内的信号进行处理，这种对选用的某一频段内的信号进行处理的方式有两个缺点：一是遗漏了其他频段的强相关信号，二是虽然确定频段为强相关频段，但频段内并非每个频率都具有强相关性。


技术实现要素：

5.为了解决通过采集碰摩振动获取滑动轴承的碰摩监测的问题，并进一步解决全采样频段内全域强相关碰摩信号提取的问题，根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，包括
6.s1.安装在滑动轴承实验台轴瓦上的三轴加速度传感器，采集因主轴与轴瓦间的碰摩擦引发的碰摩振动而产生的滑动轴承切向振动信号和法向的振动信号，三轴加速度传感器每隔20s采集一组振动信号，采样点5120个，采样频率5120hz，采样间隔1hz；
7.s2.采集的滑动轴承的切向振动信号x(n)、法向振动信号y(n)通过谐波小波包变换进行9层分解，分解为512个频段，每个频段带宽1hz，在频段中提取互相关系数不小于0.8的频段重构为碰摩振动信号，其中，切向振动信号、法向振动信号的互相关系数由下式表
示：
[0008][0009]
式中c
xy
(l)为归一化的互相关函数，r
xy
(l)为切向振动信号和法向振动信号的互相关序列，满足l是移位参数，r
xx
(0)和r
yy
(0)分别为l＝0时切向振动信号和法向振动信号的自相关序列；
[0010]
s3.识别和提取切向碰摩振动信号的时域波形和频谱、法向碰摩振动信号的时域波形和频谱，通过相空间重构重构理论的c-c方法确定碰摩振动信号的的参数，参数包括嵌入维数、延迟时间，根据参数重构非线性碰摩振动相空间；
[0011]
s4.通过奇异值分解方法构建非线性碰摩振动相空间的特征向量，提取非线性特征参数；
[0012]
s5.绘制滑动轴承的主轴在不同转速下均一化非线性特征参数变化规律曲线，通过分析所述规律曲线识别并监测滑动轴承非线性碰摩状态，其中，非线性特征参数急剧下降区域滑动轴承处于边界摩擦状态，非线性特征参数缓慢下降区域滑动轴承处于混合摩擦状态，非线性特征参数平稳波动区域滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0013]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，所述均一化为多组信号非线性特征参数值的均方根计算。
[0014]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，滑动轴承实验台包括箱体、直流电机、皮带、主轴、润滑油、轴瓦、千分表ⅰ、千分表ⅱ、加载手柄以及三轴加速度传感器，箱体中设置润滑油，直流电机利用皮带驱动主轴顺时针转动，主轴安装在箱体上，主轴下部浸于润滑油中，主轴上方装有轴瓦，轴瓦上装有两个互成90
°
的千分表ⅰ和千分表ⅱ，测量轴瓦在左、右45
°
方向上的偏移量，加载手柄安装在轴瓦上用于向轴瓦施加载荷，三轴加速度传感器固定在轴瓦上。
[0015]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，所述滑动轴承实验台还包括最小油膜厚度测量系统，最小油膜厚度测量系统用于测量和读取最小油膜厚度。
[0016]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，滑动轴承实验台还包括压力传感器，用于测量加载手柄向轴瓦施加的载荷。
[0017]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，滑动轴承实验台还包括用于测量摩擦力传感器。
[0018]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，主轴由40cr淬火钢制成，直径为65mm，表面粗糙度为ra＝0.8μm，轴瓦由铸铜合金制成，内径为65mm，有效宽度为167mm，表面粗糙度sa＝1.6μm，润滑油密度0.8957g/cm3、粘度139.6c s(40℃)和12.5c s(100℃)。
[0019]
根据本技术一些实施例的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，采用356a24型icp三轴加速度传感器传感器，采用dh5981型便携式动态信号测试分析系统采集振动信号。
[0020]
本发明的有益效果：本发明提供一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，利用谐波小波包变换将采集的切向和法向振动信号分解至1hz，根据切向和法向碰摩信号的相关
特性，采用互相关理论计算每1hz频段切向和法向振动信号的互相关值，并取强相关信号重构。本发明的方法中，在发现以互相关系数不小于0.8可视为强相关信号时，使得互相关系数在本领域不再只被用于最强互相关性的确定，而适用于全采样频段的所有强相关频率的自动筛选成为可能，本发明通过在分解的全部频段中提取互相关系数不小于0.8的频段重构为碰摩振动信号，使得每1hz频段都有强相关性，对任一频段的信号都能应用处理，实现了全频段的强相关信号的提取。此外，本发明还协同后续步骤，利用非线性理论揭示互动轴承的非线性运动演化规律，通过相空间重构理论重构非线性碰摩振动信号相空间，通过奇异值分解方法，提取相空间特征向量，定义并提取非线性特征参数，建立非线性特征与滑动轴承碰摩状态之间的关系，实现了滑动轴承非线性碰摩状态的识别与监测，本发明能够真正实现对各采样频段内的全部碰摩信号的识别与提取，从而提高采集数据的全面性和监测的准确性。也就是说，本发明相比现有技术通过某一固定频段或某一特征频段识别和提取滑动轴承碰摩信号，可更全面、准确地识别和提取滑动轴承碰摩信号，描述滑动轴承运动状态更完善。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的流程图。
[0023]
图2是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的实验装置图。
[0024]
图3是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的经谐波小波包和互相关理论识别和提取的滑动轴承的碰摩振动信号的时域图和频谱图，(a)表示在60rpm的碰摩振动信号的时域图和频谱图，(b)表示在120rpm的碰摩振动信号的时域图和频谱图，(c)表示在180rpm的碰摩振动信号的时域图和频谱图，(d)表示在240rpm的碰摩振动信号的时域图和频谱图。
[0025]
图4是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的已识别和提取的连续30次碰摩振动信号经相空间重构和奇异值分解方法提取特征向量构建的非线性特征参数的非线性特征参数值，(a)表示在转速60rpm的非线性特征参数值，(b)表示在120rpm的非线性特征参数值、(c)表示在180rpm的非线性特征参数值，(d)表示在240rpm的非线性特征参数值。
[0026]
图5是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的均一化非线性特征参数变化趋势。
[0027]
图6是本发明的一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的滑动轴承最小油膜厚度变化趋势。
[0028]
图中标记：1、直流电机；2、传动皮带；3、主轴；4、箱体；5、润滑油；6、轴瓦；7、千分表ⅰ；8、千分表ⅱ；9摩擦力传感器；10、压力传感器；11、加载手柄
具体实施方式
[0029]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，而不构成对本技术的限制。
[0030]
现有方法为了降低提取信号的后续计算量，通常通过先验知识在全采样频段只确定某一频段，仅对这一频段内的信号进行处理和分析。作为可改进方向，可通过计算互相关系数自动筛选全采样频段内的强相关信号，来改善先验知识主观性较大的缺点，然而，互相关系数在本领域通常只是用于确定最强互相关性的手段，因此不适用对全采样频段的各信号直接应用，从而，若使用互相关系数应用在滑动轴承非线性碰摩状态监测中，通常也只是使用最强互相关性确定某一固定频段，其仍是对由互相关系数选用的某一频段内的信号进行处理，这种对选用的某一频段内的信号进行处理的方式有两个缺点：一是遗漏了其他频段的强相关信号，二是虽然确定频段为强相关频段，但频段内并非每个频率都具有强相关性。
[0031]
发明人基于当前全采样频段内全域碰摩信号的提取还较为缺乏，在发现滑动轴承运动具有非线性和非平稳性时，同时还发现，互相关系数不小于0.8可视为强相关信号，并认为互相关系数在本领域不再只被用于最强互相关性的确定，能够适用对全采样频段的所有强相关频率的自动筛选成为可能，由此，本发明考虑利用谐波小波包变换结合互相关理论能实现全采样频段内全域碰摩振动信号的识别和提取，同时将非线性理论应用于滑动轴承碰摩运动的研究，并以此提出反映其非线性碰摩状态的监测方法。
[0032]
本发明主要利用谐波小波包变换结合互相关理论进行全采样频段内全域碰摩信号的识别和提取，通过非线性理论揭示互动轴承的非线性运动演化规律，建立非线性特征与滑动轴承碰摩状态之间的关系，实现滑动轴承碰摩状态的监测。
[0033]
如图1-6所示，本发明提供了一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，所述方法包以下步骤括：
[0034]
步骤s1：三轴加速度传感器安装在滑动轴承轴瓦正上方，实时采集切向和法向振动信号，测量并读取最小油膜厚度，具体的，切向为滑动轴承轴瓦的水平方向，法向为垂直方向。
[0035]
步骤s2：利用谐波小波包分解采集的切向和法向振动信号，计算切向和法向振动信号的互相关系数，提取强相关信号并重构为碰摩振动信号。具体的，利用谐波小波包分解采集的切向x(n)和法向振动信号y(n)至1hz，如采样频率5120hz，采集样本5120个点，则谐波小波包9层分解为512个频段，每个频段带宽1hz。通过皮尔逊互相关系数公式计算切向和法向振动信号的互相关系数，其中c
xy
(l)为归一化的互相关函数，r
xy
(l)为切向和法向振动信号的互相关序列，满足l是移位参数；r
xx
(0)和r
yy
(0)分别为l＝0时切向和法向振动信号的自相关序列，计算保存并提取互相关系数不小于0.8的频段并重构，为碰摩振动信号；
[0036]
步骤s3：采用相空间重构理论，确定碰摩振动信号的嵌入维数、延迟时间等参数，重构非线性碰摩振动相空间；
[0037]
步骤s4：通过奇异值分解方法，构建非线性碰摩振动相空间特征向量，定义并提取非线性特征参数；
[0038]
步骤s5：绘制并分析不同转速下均一化非线性特征参数变化规律曲线，监测并识别滑动轴承非线性碰摩状态。具体的，均一化即为前述多组信号非线性特征参数值的均方根计算，非线性特征参数急剧下降区域，滑动轴承处于边界摩擦状态；非线性特征参数缓慢下降区域，滑动轴承处于混合摩擦状态；非线性特征参数平稳波动区域，滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0039]
在一种实例中，滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的实验台，结构如图2所示：直流电机1利用皮带2驱动主轴3顺时针转动。电机通过无极调速，使主轴以0～350rpm转速运动，箱体4上装有主轴3，下部浸于润滑油5中。主轴3上方装有轴瓦6，装有两个互成90
°
的千分表ⅰ7和千分表ⅱ8，测量轴瓦在左、右45
°
方向上的偏移量。传感器9用于测量摩擦力，加载手柄11用于向轴瓦施加载荷，并由压力传感器10测量，三轴加速度传感器固定在轴瓦上用于采集垂直方向的切向和法向加速度信号，系统自带有最小油膜厚度测量系统。
[0040]
实验台主轴由40cr淬火钢(硬度hrc49)制成，直径为65mm，表面粗糙度为ra＝0.8μm，轴瓦由铸铜合金制成，内径为65mm，有效宽度为167mm，表面粗糙度sa＝1.6μm，实验过程选用cd40型润滑油(密度0.8957g/cm3、粘度139.6c s(40℃)和12.5c s(100℃))。
[0041]
实验中，采用356a24型icp三轴加速度传感器传感器(pcb piezotronics company)，采用dh5981型便携式动态信号测试分析系统采集振动信号，每隔20s采集一组振动信号，采样点5120个，采样频率5120hz，每转速采集30组切向和法向振动信号。
[0042]
在一种实例中，本发明可通过恒定载荷条件下改变主轴旋转速度实现变滑动轴承碰摩状态，根据滑动轴承最小油膜厚度变化及油膜指示灯的工况确定滑动轴承的碰摩状态，本实施例施加于滑动轴承500n恒定载荷，改变主轴的旋转速度30-300rpm，采集不同碰摩状态下的切向和法向振动信号，进而展示利用本发明一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法的碰摩状态监测，在具体实施中，详细步骤如下：
[0043]
如图1所示，一种基于摩擦振动递归特征识别滑动轴承摩擦状态的方法的流程图；
[0044]
步骤1、将三轴加速度传感器安装在轴瓦6上；
[0045]
步骤2、调整直流电机1的转速，使主轴3转速从30rpm，以30rpm为步长，提高到300rpm，获得边界摩擦、混合摩擦、液体摩擦，共计三种碰摩状态，并记录各转速下的最小油膜厚度，如图6所示；
[0046]
步骤3、在实验过程中，采用dh5981型便携式动态信号测试分析系统采集切向和法向振动信号，间隔20s采集一组信号，采样点5120个，采样间隔1hz。各转速采集30组信号，并输入计算机储存；
[0047]
步骤4、步骤3、对采集的切向和法向振动信号通过谐波小波包变换进行9层分解，分解至512个频段，每个频段带宽为1hz；
[0048]
步骤5、步骤4、对每一频段的切向和法向振动信号进行互相关计算，提取强相关信号的频段(互相关系数不小于0.8)，并重构为切向和法向碰摩信号，本实施例以60rpm、120rpm、180rpm和240rpm为例，识别和提取的切向和法向碰摩振动信号的时域波形和频谱，
如图3所示；
[0049]
步骤6、步骤5、利用相空间理论，确定提取的切向和法向碰摩振动信号的嵌入维数、延迟时间等参数，重构非线性碰摩振动相空间；
[0050]
步骤7、步骤6、通过奇异值分解方法，构建非线性碰摩振动相空间的特征向量，定义并提取非线性特征参数，本实施例以60rpm、120rpm、180rpm和240rpm为例，绘制不同转速下每组非线性特征参数，如图4所示；
[0051]
步骤8、步骤7、绘制并分析不同转速下均一化非线性特征参数变化规律曲线，监测并识别滑动轴承非线性碰摩状态，如图5所示；
[0052]
步骤9、根据均一化非线性特征参数变化规律，非线性特征参数急剧下降区域(30-90rpm)，滑动轴承处于边界摩擦状态；非线性特征参数缓慢下降区域(90-210rpm)，滑动轴承处于混合摩擦状态；非线性特征参数平稳波动区域(210-300rpm)，滑动轴承处于液体摩擦状态。
[0053]
由上述，本发明提供一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，利用谐波小波包变换将采集的切向和法向振动信号分解至1hz，根据切向和法向碰摩信号的相关特性，采用互相关理论计算每1hz频段切向和法向振动信号的互相关值，并取强相关信号重构。本发明的方法中，在发现以互相关系数不小于0.8可视为强相关信号时，使得互相关系数在本领域不再只被用于最强互相关性的确定，而适用对于全采样频段的所有强相关频率的自动筛选成为可能，本发明通过在分解的全部频段中提取互相关系数不小于0.8的频段重构为碰摩振动信号，使得每1hz频段都有强相关性，对任一频段的信号都能应用处理，实现了全频段的强相关信号的提取。此外，本发明还协同后续步骤，利用非线性理论揭示互动轴承的非线性运动演化规律，通过相空间重构理论重构非线性碰摩振动信号相空间，通过奇异值分解方法，提取相空间特征向量，定义并提取非线性特征参数，建立非线性特征与滑动轴承碰摩状态之间的关系，实现了滑动轴承非线性碰摩状态的识别与监测，本发明能够真正实现对各采样频段内的全部碰摩信号的识别与提取，从而提高采集数据的全面性和监测的准确性。也就是说，本发明相比现有技术通过某一固定频段或某一特征频段识别和提取滑动轴承碰摩信号，可更全面、准确地识别和提取滑动轴承碰摩信号，描述滑动轴承运动状态更完善。
[0054]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，包括s1.安装在滑动轴承实验台轴瓦上的三轴加速度传感器，采集因主轴与轴瓦间的碰摩擦引发的碰摩振动而产生的滑动轴承切向振动信号和法向的振动信号，三轴加速度传感器每隔20s采集一组振动信号，采样点5120个，采样频率5120hz，采样间隔1hz；s2.采集的滑动轴承的切向振动信号x(n)、法向振动信号y(n)通过谐波小波包变换进行9层分解，分解为512个频段，每个频段带宽1hz，在频段中提取互相关系数不小于0.8的频段重构为碰摩振动信号，其中，切向振动信号、法向振动信号的互相关系数由下式表示：式中c
xy
(l)为归一化的互相关函数，r
xy
(l)为切向振动信号和法向振动信号的互相关序列，满足l是移位参数，r
xx
(0)和r
yy
(0)分别为l＝0时切向振动信号和法向振动信号的自相关序列；s3.识别和提取切向碰摩振动信号的时域波形和频谱、法向碰摩振动信号的时域波形和频谱，通过相空间重构重构理论的c-c方法确定碰摩振动信号的参数，参数包括嵌入维数、延迟时间，根据参数重构非线性碰摩振动相空间；s4.通过奇异值分解方法构建非线性碰摩振动相空间的特征向量，提取非线性特征参数；s5.绘制滑动轴承的主轴在不同转速下均一化非线性特征参数变化规律曲线，通过分析所述规律曲线识别并监测滑动轴承非线性碰摩状态，其中，非线性特征参数急剧下降区域滑动轴承处于边界摩擦状态，非线性特征参数缓慢下降区域滑动轴承处于混合摩擦状态，非线性特征参数平稳波动区域滑动轴承处于液体摩擦状态。2.根据权利要求1所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，所述均一化为多组信号非线性特征参数值的均方根计算。3.根据权利要求1所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，滑动轴承实验台包括箱体、直流电机、皮带、主轴、润滑油、轴瓦、千分表ⅰ、千分表ⅱ、加载手柄以及三轴加速度传感器，箱体中设置润滑油，直流电机利用皮带驱动主轴顺时针转动，主轴安装在箱体上，主轴下部浸于润滑油中，主轴上方装有轴瓦，轴瓦上装有两个互成90
°
的千分表ⅰ和千分表ⅱ，测量轴瓦在左、右45
°
方向上的偏移量，加载手柄安装在轴瓦上用于向轴瓦施加载荷，三轴加速度传感器固定在轴瓦上。4.根据权利要求3所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，所述滑动轴承实验台还包括最小油膜厚度测量系统，最小油膜厚度测量系统用于测量和读取最小油膜厚度。5.根据权利要求4所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，滑动轴承实验台还包括压力传感器，用于测量加载手柄向轴瓦施加的载荷。6.根据权利要求5所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，滑动轴承实验台还包括用于测量摩擦力传感器。7.根据权利要求6所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，主轴由40cr
淬火钢制成，直径为65mm，表面粗糙度为ra＝0.8μm，轴瓦由铸铜合金制成，内径为65mm，有效宽度为167mm，表面粗糙度sa＝1.6μm，润滑油密度0.8957g/cm3、粘度139.6c s(40℃)和12.5c s(100℃)。8.根据权利要求7所述的滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，其特征在于，采用356a24型icp三轴加速度传感器传感器，采用dh5981型便携式动态信号测试分析系统采集振动信号。

技术总结
本发明提供一种滑动轴承非线性碰摩状态监测方法，本发明步骤包括：采集滑动轴承切向和法向振动信号；通过互相关理论和谐波小波包变换方法识别并提取反映滑动轴承运行状态的碰摩振动信号；采用相空间重构理论重构碰摩振动信号；通过奇异值分解方法，构建碰摩振动特征向量，定义并提取非线性特征参数，绘制非线性特征参数变化规律曲线。本发明通过识别和提取全采样频段内的滑动轴承碰摩信号，通过非线性理论重构相空间，提取并分析非线性特征参数变化规律，建立滑动轴承非线性特征参数与碰摩状态变化规律的关系，实现滑动轴承非线性碰摩状态的监测。状态的监测。状态的监测。


技术研发人员：柳霆
受保护的技术使用者：大连民族大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/21