重構轉速信號重采樣的天線系統(tǒng)軸承故障檢測方法

凡國龍,侯 錦,周春燕

(1.中國電子科技集團公司第39研究所，西安 710065；2.陜西省天線與控制技術重點實驗室，西安 710065)

1 引言

大型測控天線傳動系統(tǒng)服役于惡劣的野外環(huán)境或復雜的海洋環(huán)境中，其動部件(如電機中的軸承和轉子、齒輪箱中的軸承和齒輪等)，因長期不間斷或間斷式的運行、變工況運行、環(huán)境應力的作用以及運行時人為操作或維護的缺失或處置不當，較易出現(xiàn)各種故障。發(fā)生故障時未及時處置就會進一步惡化或產生繼發(fā)性損傷，一方面影響了測控系統(tǒng)正常工作性能的發(fā)揮，另一方面也增加了維修的負擔和成本。因此，研究和開發(fā)測控天線動力傳動系統(tǒng)動部件的實用且實時的健康監(jiān)測與故障診斷技術對于提升其狀態(tài)基維修水平具有重要意義。

一般的測控天線傳動裝置，其電機工作大致處在1 800～3 000 r/min轉速范圍內，電機一般連接三級(或四級或五級)減速箱，終端塔天線的角速度較低。這種極為低速下的軸承、齒輪的故障診斷，也是機械故障診斷領域的挑戰(zhàn)性問題，主要體現(xiàn)在：需要專用的振動測量手段，需要連續(xù)采集較長時間的信號來分析，數(shù)據(jù)量存儲與傳輸?shù)拇鷥r也較大，也需要從眾多的信號處理算法中遴選具有實時性和效果的動部件故障特征捕獲方法。

眾所周知，減速箱是機械設備中廣泛應用的一個重要的子系統(tǒng)，對其軸承和齒輪等重要部件的故障診斷也得到國內外眾多學者的廣泛而深入的研究[1-4]。經對國外相關文獻的查閱獲知，對測控天線傳動系統(tǒng)的故障診斷技術研究卻極為稀少，僅查到澳大利亞新南威爾士大學機械與制造工程學院著名教授R.B.Randall在其2011年的綜述論文中，涉及到天線主軸承的故障診斷研究[5]。

本文的工作是以在測控天線高速軸處軸承座殼體位置采集的振動加速度計信號為基礎，其中涉及到無轉速信號的振動信號重采樣問題。經典的重采樣技術也稱階次跟蹤(Order Tracking)，是需要轉速信號的[6-7]。后來又發(fā)展了無需轉速信號的重采樣方法[8]。而且大多采用通過振動信號來估算轉頻再作重采樣的思路[8-10]。重采樣技術常用于諸如電機、傳動系統(tǒng)的故障診斷中[11-12]。

本文的工作考慮到轉速的有限波動且通過控制系統(tǒng)能獲其大致數(shù)值，簡捷地通過人工重構轉速信號的方式來對原始振動信號進行重采樣(保證每軸轉同樣點數(shù)樣本)，以獲得重采樣信號；接著考察重采樣信號的頻譜特點以選擇帶通濾波的歸一化頻帶，通過對重采樣信號帶通濾波以獲得帶通信號；最后對帶通信號作包絡解調分析以對高速軸處軸承的故障特征進行捕獲與提取。

2 基于重構轉速信息的振動信號采樣方法

限于測控天線傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場條件，一般難以找到傳動軸暴露圓周面用于諸如光學轉速計的測量，也就難以實施轉速信號與振動加速度計信號的同步采集。所以，現(xiàn)場能夠采集的只有軸承座殼體處的振動信號。由于任務期間轉速可能是變化的，即便輸入轉速是常值，也會因載荷變化而有波動，再加上定時采樣不可能保證針對轉軸的整周采樣，這些因素的疊加使得所采集的信號的頻譜被模糊化了，因而通過一系列處理嘗試獲得的軸承特征頻率也被模糊化。此外，由于齒輪傳動的動態(tài)行為在信號中起著主導作用，造成的結果是從原始振動信號中捕獲不到軸承的故障特征頻率成分。

2.1 重構轉速信號

目前，解決這個問題比較實用的途徑是重采樣技術，為此需要人工重構轉速信號。在進行數(shù)據(jù)采集的時刻，是可以從傳動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中獲得轉速的靜態(tài)數(shù)值的，可據(jù)此轉速值來重構理想的轉速信號。比如從控制系統(tǒng)上獲知當前時刻的轉速為nr=1 500 r/min，相應轉頻為fr=nr/60=1 500/60=25(Hz)。假設振動信號的采樣頻率為fs=16 kHz，采樣數(shù)據(jù)點數(shù)N=16 384，采樣持續(xù)時間為1.024 s，假設在此較短的時間間隔內轉速不再變化，則每轉的采樣點數(shù)為Nr=round(fs/fr)=640，共采集的軸轉數(shù)為R=N/Nr=16 384/640=25.6(轉)。如此，每轉的轉速沖擊可按下式計算：

(1)

其中系數(shù)p滿足0

圖1 重構的轉速信號曲線

2.2 重采樣定義

通過對原始采集的信號進行基于轉速波動的重采樣，實質上是將等時間間隔采樣轉變?yōu)榈冉嵌炔蓸樱灾夭蓸佑袝r也稱“角度重采樣”或“階次跟蹤”。重采樣用來去除轉速波動對采樣數(shù)據(jù)的影響，或者說使振動信號序列不受轉速波動的影響，保證每轉采集的振動數(shù)據(jù)點數(shù)是一致的。

對于采樣頻率為fs的序列{x(i),i=1,2,…,Nraw}的重采樣，在一個軸旋轉周期內的數(shù)據(jù)點數(shù)(Nr)被內插為M個數(shù)據(jù)點，使得：對所有R個軸旋轉周期，M不小于Nr且

M=2ceil(log2Nr),r=1,2,…,R

(2)

得重采樣序列{y(i),i=1,2,…,N}，N=RM，重采樣直觀采樣率(apparent sample rate)fas為(依據(jù)采樣的時間總長度是一致的)[13]：

(3)

2.3 重采樣的基本原理與過程

重采樣的基本原理如圖2所示。其基本過程包括以下3步：

圖2 重采樣的基本原理示意圖

1)利用轉速跟蹤估計過零點；

2)計算每一轉重采樣后的點數(shù)并插值得到重采樣位置；

3)在相應位置對振動信號插值得到重采樣信號。

對于其中的插值計算，除線性插值方式外，還可采用多項式插值、三次樣條插值、帶限濾波器插值等[14]。

2.4 重采樣示例

假設原始采樣率為每秒1 000個采樣點，軸的最低轉速為10 Hz，針對一個0.5 s的數(shù)據(jù)獲取過程。重采樣長度為每轉128。轉速鑒相器間的數(shù)據(jù)點數(shù)為：87，92，100，95，89，37。對每個軸旋轉周期，數(shù)據(jù)重采樣為長度：Rev 1：87→128，Rev 2：92→128，Rev 3,100→128，Rev 4：95→128，Rev 5：89→128。注意到半秒的數(shù)據(jù)，有640個數(shù)據(jù)點，余下的數(shù)據(jù)37處于下一個不完整的旋轉周期，因此放棄數(shù)據(jù)37。重采樣長度沿著所有旋轉周期的最大長度占有下一個最大的底為2的指數(shù)冪。因為內插，對每個旋轉周期而言采樣率是變化的。為了準確地確定與離散Fourier變換相關的譜線的頻率，需要一個直觀的標稱采樣率fas。這個直觀的標稱采樣率fas為原始的采樣率乘以重采樣數(shù)據(jù)的長度再除以原始數(shù)據(jù)的長度：1 000×640/(463)，即fas=1 382 Hz[13]。

3 軸承故障檢測的解調方法

(4)

進一步構建包絡信號或包絡平方信號：

(5)

對式(5)進行FFT變換，查得到包絡(平方)譜，從而依據(jù)包絡譜可考察軸承的故障狀況。

總結上述過程，可得到包絡解調分析的基本實現(xiàn)步驟：

1)優(yōu)化頻帶選擇或人工指定；

2)依據(jù)所選擇好的頻帶對信號作帶通濾波；

3)對帶通濾波后的信號作Hilbert變換；

4)構造解析信號，求其模即構造包絡信號或包絡平方信號；

5)對包絡信號或包絡平方信號作譜分析。

考慮到本文的主題是考察重采樣處理對軸承故障檢測的效果，所以頻帶選擇結合快速譜峭度圖法和人工指定方式，即首先對采樣頻率的一半帶寬作歸一化處理，再依據(jù)預白化信號的譜峭度圖結果和原始信號譜共振頻帶所處位置來綜合地確定頻帶寬。

4 天線傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集

天線傳動系統(tǒng)及測點位置如圖3所示。動力輸入轉速大約在1 500 r/min附近波動，加速度計測點位置安裝在螺傘齒輪軸端的軸承座殼體上，因為螺傘齒面大端齒頂與螺傘齒齒根出現(xiàn)磨損、擦傷或點蝕可能性相對較大，其對應的軸承出現(xiàn)故障的可能性較大。現(xiàn)場工程師在收集振動信號時，設置采樣頻率為16 000 Hz，采集數(shù)據(jù)點數(shù)為16 384點，系統(tǒng)運行時每天采集兩次數(shù)據(jù)并作存儲。對該數(shù)據(jù)作頻譜分析時，其頻率分辨率為16 000/16 384≈0.98 Hz。

圖3 天線傳動系統(tǒng)及測點位置示意圖

某型測控裝備上的傳動系統(tǒng)已經出現(xiàn)振動與噪聲偏大的狀況，現(xiàn)場人員更多地是關注齒輪的磨損問題。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)對齒輪狀態(tài)的特征信息提取，采用的是時間同步平均方法，確實發(fā)現(xiàn)螺傘大端齒頂與螺傘齒根存在磨損，但忽略了對該齒輪對附近軸承的狀態(tài)分析。經查看系統(tǒng)圖紙，獲知該處軸承型號為32309B(內徑×外徑×厚度=45×100×38.25)，在轉頻fr(Hz)情況下，其外環(huán)的特征頻率為6.56frHz，內圈的特征頻率為9.4frHz，滾動體的特征頻率為5.24frHz，保持架的特征頻率為0.408frHz。本文下一節(jié)將針對軸承的故障特征對數(shù)據(jù)作進一步的分析。

5 天線傳動系統(tǒng)高速軸處軸承故障檢測分析

以第4節(jié)中采集的天線傳動系統(tǒng)的振動信號為基礎，通過第2節(jié)和第3節(jié)給出的方法，來對天線傳動系統(tǒng)高速軸處軸承狀態(tài)的特征信息進行分析，分析過程如圖4所示。

圖4 軸承狀態(tài)特征信息分析過程框圖

為進行對比分析，首先對前面采集的原始振動信號直接作譜分析，其FFT譜如圖5。從圖中還是可以分辨出傳動系統(tǒng)前兩級傳動的嚙合頻率成分(158.2 Hz，325.2 Hz)，如圖中的標記。但前面給出的軸承的特征頻率是分辨不出來的。將圖示中頻帶寬即采樣頻率的一半歸一化為頻帶區(qū)間[0,1]，從圖中還可看出，整個傳動系統(tǒng)共振帶應該是處于該區(qū)間的上半?yún)^(qū)即[0.5,1]。對該信號作快速譜峭度圖分析，其優(yōu)化頻帶也為[0.5,1]。所以，隨后的解調分析帶通頻帶可以粗略地選擇為[0.5,1]。

圖5 原始振動信號的直接FFT譜

接下來，如果不作重采樣，直接對原始振動信號進行解除調分析，所獲得的包絡解除調譜如圖6。圖中最為明顯的兩個頻率成分是(125 Hz，299.2 Hz)，從齒輪和軸承的機理上，都無法解釋其出處，極有可能是譜模糊引起的結果。如果分析到此為止，將無法獲知對應軸承的狀態(tài)情況。

圖6 原始采集信號直接解調分析包絡譜

現(xiàn)在按照圖4給出的流程對前面采集的振動信號進行處理，即首先重構轉速信號，再據(jù)此對原始采集的振動信號經預白化處理后作重采樣獲得重采樣信號，選擇歸一化帶通頻帶為[0.5,1]，對重采樣信號作帶通濾波，然后進行解調分析，獲得的包絡譜如圖7所示。

圖7 按圖4流程作解調分析后的包絡譜

一個重要的先驗知識是該傳動系統(tǒng)輸入軸標稱轉速為1 500 r/min(轉頻25 Hz)，實際運行時轉速稍有波動，據(jù)此可以確定圖7中標注的24.91 Hz為轉頻，2個因素影響其值的大小，一個是轉速波動，另一個是采集參數(shù)確定后的頻率分辨率。圖中標注了234.4 Hz的1～7階分量，234.4/24.91≈9.4，可見234.4 Hz正好對應第4節(jié)中描述的32309B軸承的內圈故障特征頻率。圖7的結果表明，測點位置處的32309B軸承確實存在內圈故障，這是通過重采樣再作解調分析的增強檢測手段達成的。按照文獻[15]中的軸承故障四階段劃分，該軸承內圈故障處于中期階段至晚期階段的演變中。對該數(shù)據(jù)集之后采集的數(shù)據(jù)集進行同樣的分析，也能得到圖7的類似結果。根據(jù)軸承故障的演化特點，如不采取措施，下一步很可能會誘發(fā)滾動體故障。該結果提交給現(xiàn)場工程師，建議密切跟蹤其運行狀態(tài)的變化，并建議到任務間歇期時可作更換軸承處理。

6 結論

針對某天線傳動系統(tǒng)高速軸處軸承的故障檢測問題，給出了一種通過人工重構轉速信號對振動信號進行重采樣然后再作解調分析的軸承故障增強檢測方法。通過現(xiàn)場采集的振動信號的分析，準確捕捉測點處軸承的內圈故障。采用重構轉速信號進行振動信號重采樣后，再作經典的包絡解調分析，處理過程簡明易行，不需要更多復雜的信號處理手段，適合現(xiàn)場實時處理。下一步的工作是針對類似設備，構建現(xiàn)場使用的故障檢測系統(tǒng)，作日常性的數(shù)據(jù)采集與分析，以密切跟蹤軸承的運行狀態(tài)和健康狀態(tài)，做到對天線傳動系統(tǒng)關鍵動部件實現(xiàn)預測性維護。