基于EMD与SSA-SVM的轴承故障诊断.pdf
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1、第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:作者简介:张延军()男副教授博士研究方向为机电液复合传动、智能控制技术及装备、机器人系统工程与控制技术等().通信作者:杨博()男硕士研究生研究方向为轴承故障诊断等().基于 与 的轴承故障诊断张延军杨 博(太原科技大学机械工程学院太原)摘要:为提高轴承早期故障诊断的准确率使用经验模态分解()与麻雀算法()改进的支持向量机()结合的方式对故障进行诊断 首先使用 软件采集 轴承外圈、滚子及内圈故障的振动仿真信号其次将仿真信号及实际信号作为输入信号进行 分解同时对分解的 分量选择自相关性最大的
2、进行 包络处理最后对包络处理得到的故障频率选取前 个峰值采用 对故障进行诊断 不同的输入样本及不同的算法模型的诊断结果表明选取故障频率作为输入特征向量在 中能够准确的诊断出故障类别证明 能很好的解决轴承故障数据的采集问题所用的诊断方法为轴承故障诊断提供了一种高准确率的方法关键词:故障诊断经验模态分解希尔伯特变换麻雀算法中图分类号:文献标识码:():()()().:引言深沟球轴承由于能够承受较大的径向载荷及较高的转速在各类旋转机械中应用广泛 等考虑了 种不同的球轴承模型使用 建立的基于轴承运动学的运动框图模型使用 软件开发出轴承动力学平面运动模型以及使用 软件开发的具有复杂接触和牵引力的空间多体
3、动力学轴承实验平台 通过对比得出 构建的模型能更好的表示其动力学运动过程不需要进行复杂的数学建模同时适合多种复杂的场景并且能够模拟轴承的游隙效应 涂文兵等利用显示动力学研究了不同故障程度下的轴承内部接触特性及接触变形规律 等基于动态仿真研究在润滑条件下保持架的稳定涡动现象从而得到轴承保持稳定的旋转与保持架及滚子的导向力密切相关同时球间距的不均匀对增加稳定涡动的涡动半径有很大影响 田帅等使用 仿真了轴承外圈故障形式并分析了其故障特征 目前对轴承故障诊断的研究是在复杂的信号中找出故障频率分量从而判断出故障部位 李晓昆等针对轴承故障诊断提出对仿真信号进行 分解处理后对其结果进行特征提取然后采用多种主
4、流分类算法对特征进行训练测试实现对轴承的故障诊断 刘备等提出 的轴承故障诊断方法首先选择模态分量然后采用 的非线性分析方法最后以 网络对故障类型进行识别 朱熹等以均值熵作为神经网络的输入对故障进行识别结果证明以均值熵作为输入将提高故障诊断的准确度 顾云青等对故障信号进行 分解选择排列熵作为输入特征向量在 中对故障进行识别综上所述虚拟样机进行轴承故障仿真的可行性研究很少因此本文将通过对轴承外圈、滚子及内圈故障进行仿真模拟及实际数据构成故障数据集来验证虚拟样机采集轴承故障数据及故障诊断算法的可行性 滚动轴承的 模型.滚动轴承的建模根据轴承具体参数见表 在 中创建轴承的各个零件并进行无干涉检查 在滚
5、动轴承的动力学建模过程中所作的假设如下:内外圈和滚子都是刚性的根据赫兹接触理论计算内外圈和滚子之间的接触刚度初始状态下滚子等间距分布与内外圈之间无相互作用表 深沟球轴承结构参数参数数值轴承节圆直径/.滚子直径/.内圈直径/外圈直径/基本额定动载荷/基本额定静载荷/极限转速油润滑/()极限转速脂润滑/()接触角 /().将滚动轴承的三维模型导入 环境设置图 深沟球轴承仿真模型 的计算单位采用国际单位制 在 中选择笛卡尔坐标系轴承旋转轴选择 轴 模型导入后由轴承运行的实际情况添加相应约束并且旋转运动仅局限于轴承平面内图 为仿真模型表 为添加的相应约束表 约束情况表约束对象约束类型滚子与保持架体体接
6、触滚子与内圈体体接触滚子与外圈体体接触外圈与大地固定副内圈与大地旋转副在模型中接触设置为实体对实体接触刚度和阻尼由赫兹接触理论确定 使用库仑法计算摩擦力如在某一时刻两接触体之间的相对滑移速度不等时静摩擦将会转变为动摩擦 在本例中静、动摩擦系数分别设置为.及.静摩擦转换的速度与摩擦平移速度采用系统默认值.模型验证验证仿真结果主要有两种方法:一种是利用实验结果对仿真结果进行分析验证其是否正确另一种是将轴承零件仿真得到的转速与理论值进行比较验证其是否正确选择第二种方法进行根据文献通过公式计算滚子与保持架的运动学参数由内外圈的速度计算保持架的速度为:()()()当内外圈速度给定时由式()计算出滚子的速
7、度为:()()()()式中:为保持架速度为内圈转速为外圈转速为滚子速度 为接触角为轴承节圆直径为滚子直径 具体数值如表 所示模型所设置的内圈转速为 /外圈固定代入式()可得保持架的转速约为./滚子转速约为./仿真图如图 所示图 轴承仿真速度从图 中可以看出滚动轴承滚子的平均转速与保持架的平均转速分别为./和./与理论值相符证明模型运行正常满足真实轴承的运动学性能在内圈以 /的角速度旋转外圈固定的前提下通过式()、式()计算出滚子及保持架角速度理论值将仿真值与理论值进行对比其结果如表 所示表 仿真值与理论值对比轴承部件理论值/()仿真值/()误差/滚子.保持架.由表 得出滚子与保持架的仿真转速值
8、与理论计算值相近导致误差的主要原因是建模过程中的几何误差及仿真软件中的求解器误差误差在合理范围之内从轴承各构件转速的角度证明了刚体动力学模型的正确性.故障频率计算及其模型建立由深沟球轴承的几何参数获得轴承内圈、外圈及滚子对应的故障特征频率计算公式对轴承的故障频率理论值进行求解 设内圈角速度 单位是/()()()()()式中:为内圈给定的转动频率为外圈故障频率理论值为内圈故障频率理论值为滚子故障频率理论值 为滚子的数目在内圈转速为 /时将表 中的结构参数带入式()得外圈失效的频率值为.内圈失效的频率值为.滚子失效的频率值为.在验证有效的模型基础上分别建立外圈故障、内圈故障及滚子故障的动力学模型设
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