【正文】 過(guò)程中, 會(huì)產(chǎn)生周期性的沖擊振動(dòng), 其振動(dòng)發(fā)生的頻率稱為故障特征頻率, 也稱為“通過(guò)頻率”。故障特征頻率決定于軸的轉(zhuǎn)速、軸承幾何尺寸及損傷點(diǎn)的位置(外環(huán)、內(nèi)環(huán)、滾動(dòng)體) 。而滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)信號(hào)特征包括時(shí)域和頻域兩大類: 時(shí)域特征有軸承振動(dòng)信號(hào)的峰值、峭度值、均方根值等。 頻域特征是指軸承振動(dòng)信號(hào)在特征頻率處的幅值。實(shí)際情況表明: 不同故障對(duì)應(yīng)著不同的故障特征頻率, 檢測(cè)時(shí)可根據(jù)這些故障特征頻率是否出現(xiàn)在信號(hào)中, 且其具有一定的能量值, 就可以判斷軸承是否出現(xiàn)故障, 并確定故障點(diǎn)的位置。利用時(shí)域參數(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承早期故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷是軸承故障的簡(jiǎn)易診斷法, 其目的是初步判斷被列為診斷對(duì)象的滾動(dòng)軸承是否出現(xiàn)了故障。文獻(xiàn)[11]對(duì)有效值、峰值、峭度和峰值因子的應(yīng)用作了說(shuō)明, 指出時(shí)域分析方法比較簡(jiǎn)單, 是簡(jiǎn)易診斷的好方法。文獻(xiàn)[12]指出對(duì)于零件表面的損傷類故障, 用峰值判斷比較有效。 對(duì)磨損類故障, 用均方根值比較有效。 而峰值因子對(duì)兩類故障都可以判斷。文獻(xiàn)[13]指出特征參數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于僅用少數(shù)指標(biāo)來(lái)解釋軸承的狀態(tài), 分析簡(jiǎn)單方便。文獻(xiàn)[14] 指出當(dāng)設(shè)備參數(shù)不全, 無(wú)法計(jì)算特征頻率, 頻譜分析方法不太適用的情況下, 利用時(shí)域波形和峭度指標(biāo)來(lái)初步判斷設(shè)備是否存在故障是可行的。采用振動(dòng)加速度的趨勢(shì)圖判斷滾動(dòng)軸承所處的工作狀態(tài), 能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患【7】。 時(shí)域參數(shù)分類 (1) 有效值信號(hào){ x i } ( i= 1～N , N 為采樣點(diǎn)數(shù)) 的振幅瞬時(shí)值隨著時(shí)間不斷變化, 使用有效值可以表現(xiàn)這種振動(dòng)變化大小, 其表達(dá)式為： （）滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的有效值反映了振動(dòng)的能量大小, 當(dāng)軸承產(chǎn)生異常后, 其振動(dòng)必然增大。有效值是對(duì)時(shí)間的平均, 能對(duì)表面裂紋等具有無(wú)規(guī)則振動(dòng)波形的異常做出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。但是對(duì)于表面剝落或傷痕等具有瞬時(shí)沖擊振動(dòng)的異常不適用, 對(duì)于這種形態(tài)的異常, 可用峰值進(jìn)行判斷。 (2) 峰值和峰值因子通常峰值是指振動(dòng)波形的單峰最大值。早期軸承表面損傷, 非常容易由峰值的變化檢測(cè)出來(lái)。在機(jī)械故障診斷中, 為提高峰值指標(biāo)的穩(wěn)定性, 在一個(gè)信號(hào)樣本的總長(zhǎng)中, 找出絕對(duì)值最大的10 個(gè)數(shù), 用這10 個(gè)數(shù)的算術(shù)平均值作為峰值X PEAK。峰值因子C ( Crestfactor) 為： （）正常軸承的振動(dòng)信號(hào)的峰值因子大約為2. 5～3. 5, 而損傷類軸承的峰值因子大于3. 5。一般來(lái)說(shuō), 高于3. 5 的峰值因子即預(yù)示著損傷。但在失效之前, 有時(shí)可記錄到高達(dá)7 的峰值因子。 (3) 峭度峭度K ( Kur to sis) 是概率密度分布尖峭程度的度量, 是對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域處理最常用的無(wú)量綱參數(shù)指標(biāo)。定義如下： （）振幅滿足正態(tài)分布規(guī)律的無(wú)故障軸承, 其峭度值約為3, 如果峭度接近4 或超過(guò)4, 則說(shuō)明軸承的運(yùn)動(dòng)狀況中存在沖擊性振動(dòng) 。峭度在滾動(dòng)軸承的使用過(guò)程中表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性。軸承開始使用至穩(wěn)定工作期間, 峭度保持在3 左右。 軸承進(jìn)入使用后期, 峭度開始突然增大達(dá)到一定值, 可以認(rèn)為此時(shí)軸承出現(xiàn)了初期故障, 這時(shí)要對(duì)軸承進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測(cè), 密切注意其變化。 之后, 峭度會(huì)開始快速下降并接近正常值, 而振動(dòng)和噪聲開始顯著增大。 振動(dòng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí), 峭度也開始快速增大, 超過(guò)正常值, 可認(rèn)為軸承已進(jìn)入晚期故障, 需及時(shí)檢修設(shè)備、更換滾動(dòng)軸承。 (4) 其他時(shí)域參數(shù)滾動(dòng)軸承故障診斷中, 常用的無(wú)量綱參數(shù)還有脈沖因子、裕度因子、波形因子等。 峭度值選取的優(yōu)勢(shì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域參數(shù)指標(biāo)較多, 其中有效值和峭度是較為重要的二個(gè)參數(shù)。有資料統(tǒng)計(jì)表明, 使用峭度系數(shù)和有效值共同來(lái)監(jiān)測(cè)滾動(dòng)軸承振動(dòng)情況, 對(duì)判斷滾動(dòng)軸承故障的準(zhǔn)確率達(dá)95% 以上。有效值是對(duì)時(shí)間的平均并能反映振動(dòng)能量的大小, 它能反映磨損故障和晚期故障。而峭度( Ku rto sis) K是反映振動(dòng)信號(hào)分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量, 是歸一化的4階中心矩, 由于它與軸承轉(zhuǎn)速、尺寸、載荷等無(wú)關(guān),對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感, 特別適用于表面損傷類故障尤其是早期故障的診斷。在軸承無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 由于各種不確定因素的影響, 振動(dòng)信號(hào)的幅值分布接近正態(tài)分布, 峭度指標(biāo)值K≈ 3。 隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展, 振動(dòng)信號(hào)中大幅值的概率密度增加, 信號(hào)幅值的分布偏離正態(tài)分布, 正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散, 峭度值也隨之增大。峭度指標(biāo)的絕對(duì)值越大, 說(shuō)明軸承越偏離其正常狀態(tài), 故障越嚴(yán)重, 如當(dāng)其值K 8時(shí), 則很可能出現(xiàn)了較大的故障。例如對(duì)滾動(dòng)軸承初期階段的表面剝落, 峭度指標(biāo)能非常容易檢測(cè)出來(lái), 但用峭度指標(biāo)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的判斷非常單純, 且對(duì)由于灰塵、異物等引發(fā)的瞬時(shí)沖擊較為敏感。無(wú)量綱參數(shù)指標(biāo)的比較見(jiàn)表1幅域參數(shù)敏感度穩(wěn)定性波形因子S差好峰值因子C一般一般脈沖因子I較好一般裕度因子L好一般峭度指標(biāo)K好好 表1 無(wú)量綱參數(shù)指標(biāo)的比較 有效值、峰值、峰值因子、峭度、脈沖因子、裕度因子和波形因子是對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析最常用的參數(shù)指標(biāo)。直接使用這些指標(biāo)就可實(shí)時(shí)檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào), 而不需要通過(guò)各種信號(hào)處理與交換, 因而不致出現(xiàn)信號(hào)畸變和泄漏等缺陷。 更重要的一點(diǎn)是這些指標(biāo)對(duì)故障和缺陷足夠敏感, 對(duì)信號(hào)的幅值和頻率不敏感, 即與機(jī)器的運(yùn)行工況無(wú)關(guān), 只依賴于信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)。這些參數(shù)的變化, 能直觀地反映出機(jī)械設(shè)備的故障特征, 對(duì)早期的故障有很好的診斷能力。 選取的滾動(dòng)軸承中峭度值的參數(shù) 本次實(shí)測(cè)的軸承為6311 型滾動(dòng)軸承, 實(shí)驗(yàn)時(shí)軸的轉(zhuǎn)頻為25Hz, 振動(dòng)信號(hào)由安裝在軸承座上的加速度傳感器來(lái)拾取。故障通過(guò)激光切割在內(nèi)圈或開槽來(lái)設(shè)置的, , 。試驗(yàn)共選擇了軸承5個(gè)。本實(shí)驗(yàn)截取的數(shù)據(jù)是在失效闕值的附近截取的。失效闕值在文獻(xiàn)《滾動(dòng)軸承的失效分析》。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)從五組連續(xù)峭度值中按小時(shí)在失效闕值附近獲取。對(duì)本課題用以下峭度值來(lái)計(jì)算瞬時(shí)可靠度。（通過(guò)美國(guó)大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)里數(shù)據(jù)提?。┍? 滾動(dòng)軸承的峭度值 組數(shù)C1C2C3C4C5C6C7 12344,6945 其中CC2等代表時(shí)間為1小時(shí)，兩小時(shí)。 瞬時(shí)可靠度的計(jì)算 根據(jù)式子分別求出1—4組的CCC7的瞬時(shí)可靠度。如下表：計(jì)算過(guò)程舉例如下： . . . . .計(jì)算結(jié)果表43所示 表3 瞬時(shí)可靠度時(shí)間/h瞬時(shí)可靠度C5C6C7R1 1 1001 根據(jù)表中的瞬時(shí)可靠度，我們將前四組的C1—C4的峭度值、C5—C7瞬時(shí)可靠度帶入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，然后再將第五組C1—C4的峭度值輸入其中，可以求出第5組的C5—C7的可靠度，然后再將C2—C5的峭度值輸入，求出C6—C8的可靠度。計(jì)算第5組瞬時(shí)可靠度如下：匯成表格如下表所示： 表4我們求出的第五組的C5—C7 R1根據(jù)Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)算C5—C7 R1 表中數(shù)據(jù)可以知道，我們利用公式求出的瞬時(shí)可靠度和我們BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出來(lái)的瞬時(shí)可靠度相差不多。由此可以見(jiàn)證，我們這種方法可以用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的瞬時(shí)可靠度。驗(yàn)證了我們的方法的可靠性。 本課題方法與傳統(tǒng)的方法的對(duì)比 本文針對(duì)軸承類的退化失效型設(shè)備，提出了一種基于設(shè)備狀態(tài)信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性預(yù)測(cè)方法．該方法充分利用了設(shè)備退化過(guò)程中的狀態(tài)信息，能夠動(dòng)態(tài)地反映設(shè)備的運(yùn)行性能、精度，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)備的可靠度。 （1) 本文求瞬時(shí)和可靠度的時(shí)候，是運(yùn)用同一種軸承的不同數(shù)據(jù)，不是盲目的單一的對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)研究，使計(jì)算可靠度準(zhǔn)確、可靠。 （2）本文求瞬時(shí)可靠度簡(jiǎn)單方便，沒(méi)有那么多的繁瑣的參數(shù)和公式，使計(jì)算方便、簡(jiǎn)單。而傳統(tǒng)的公式例如威布爾方法求取瞬時(shí)可靠度，需要三參數(shù)的估計(jì)，計(jì)算公式麻煩，計(jì)算復(fù)雜。 （3) 本文針對(duì)滾動(dòng)軸承類的退化失效型設(shè)備，提出了一種基于設(shè)備狀態(tài)信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性預(yù)測(cè)方法。該方法充分利用了設(shè)備退化過(guò)程中的狀態(tài)信息，能夠動(dòng)態(tài)地反映設(shè)備的運(yùn)行性能、精度，準(zhǔn)確判斷設(shè)備的失效時(shí)間。 （4）本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，正確預(yù)測(cè)未來(lái)的可靠度，該過(guò)程表明，設(shè)備狀態(tài)信息用于設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)是可行和有效的，也是未來(lái)可靠性發(fā)展的重要方向。 （5）傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)可靠度都是對(duì)大樣本的預(yù)測(cè)，對(duì)于滾動(dòng)軸承類產(chǎn)品, 采集到的樣本容量很小, 所有的數(shù)據(jù)都不是到失效所獲得, 傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)推斷方法難以得到置信水平很高的估計(jì)。而貝葉斯方法能很好地解決了這類問(wèn)題。 本章小結(jié) 本章針對(duì)軸承類的退化失效型設(shè)備，提出了一種基于設(shè)備狀態(tài)信息的神