基于平方解調與階次分析的軸承故障診斷

王益有，史俊旭，毛鴻鋒，王亞杰

基于平方解調與階次分析的軸承故障診斷

王益有，史俊旭，毛鴻鋒，王亞杰

Wang Yiyou，Shi Junxu，Mao Hongfeng，Wang Yajie

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲412005）

針對非平穩信號頻譜分析導致的譜分量重疊問題及滾動軸承故障信號的多載波調制特征，提出一種基于平方解調與階次分析的調制階次提取，并與軸承故障特征相結合的故障診斷方法。據此對某款異響新能源汽車進行加速工況測試，通過數據分析并結合驅動總成各軸承故障特征階次確定故障原因。

平方解調；階次分析；軸承；故障診斷；新能源汽車

0　引言

軸承故障是新能源汽車異響的重要來源之一，其診斷的頻域特征提取方法包括頻譜分析、功率譜分析[1]、倒譜分析[2]、細化譜分析[3]、AR模型譜分析[4]、高階譜分析[5]、包絡譜分析[6]和廣義檢波濾波解調分析[7]等。

在某款新能源汽車的異響故障診斷中，發現異響故障特性隨電機轉速變化而變化，通過對汽車加速過程的監測，收集到全面的故障信號，以此快速識別故障原因。故障檢測在電機加速工況下進行，所采集的振動信號為非平穩信號，采用傳統的譜分析技術會出現頻譜分量重疊現象[8]。階次分析是一種分析旋轉或往復機械噪聲與振動信號的技術，可用于分析轉速隨時間變化的噪聲與振動信號[6]。

針對新能源汽車異響故障的特點，以廣義檢波濾波解調中的平方解調和階次分析為基礎，提出調制階次提取并與軸承故障特征相結合的故障診斷方法。通過實例闡述利用該方法進行故障診斷的實現過程。

1　平方解調分析

調幅調頻信號模型[9]為

式中：為時間；為信號幅值；n為調制頻率；為調幅的調制指數；為調頻的調制指數；z為載波頻率。

根據平方解調原理，對式（1）調制信號取平方，得

對式（2）()信號進行低通濾波，得

由式（3）可知，濾波后b()信號只包含直流分量、調制頻率基頻和調制頻率2倍頻的諧波成分。

2　階次分析

階次分析方法源于角度域采樣理論，通過同步采集旋轉機械的轉速，進行等角度增量重采樣得到角度域內的振動響應信號，則時域非穩態信號在角度域下是穩態信號，對其進行傅里葉變換得到清晰的階次譜。階次分析剔除了機械運行變化的影響，是一種有效的非穩態信號分析方法[2]，適用于變轉速工況的數據分析。

為了確定等角度采樣時間點，通常先設定參考軸的轉速模式，假定在一個很小的同步采樣時間間隔Δ內，參考軸為勻角加速度運動，則數值積分后參考軸的轉角[6]為

式中：為同步采樣的參考轉速，其對應時間=Δ×。利用插值法對插值，得到重采樣等角度間隔Δ所對應的時間*，同樣插值得到重采樣等角度間隔Δ所對應的振動或噪聲幅值，并對其進行FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換）運算，得到對應的階次圖譜。

3　軸承故障特征

當軸承內圈、外圈、滾動體出現點蝕等損傷故障時，其運轉過程一定會產生相應的頻率沖擊。根據缺陷位置不同，滾動軸承的缺陷階次特征[6]為

1）內圈滾道缺陷

2）外圈滾道缺陷

3）滾珠缺陷

4）保持架缺陷

式中：i為內圈滾道缺陷階次；o為外圈滾道缺陷階次；b為滾珠缺陷階次；c為保持架缺陷階次；為滾動體數目；為滾動體直徑；m為節圓直徑；為軸承壓力角；r為電機軸與軸承中間的傳動比。

文中基于平方解調的階次分析流程如圖1所示。

圖1　軸承故障診斷流程

4　軸承故障診斷實例

某款新能源汽車行駛過程中存在“嗡嗡”異響，主觀感受在中高速時更加明顯。將加速踏板完全踩下進行全加速試驗，同步采集車內噪聲及動力總成的振動信號。圖2為現場采集的電機轉速信號，圖3為車內A計權噪聲信號，圖4為動力總成振動信號。

圖2　電機轉速

圖3　車內A計權噪聲信號

圖4　動力總成振動信號

根據式（4）計算得到電機旋轉軸的角度位置，如圖5所示。

圖5　電機旋轉軸的角度曲線

根據平方解調原理得到A計權車內噪聲及振動信號的平方解調曲線。利用插值法對圖5中角度進行等角度間隔插值，計算得到等角度重采樣時間，再利用插值法對平方解調曲線進行時間插值，得到車內A計權噪聲平方解調等角度重采樣曲線和動力總成振動平方解調等角度重采樣曲線，如圖6、圖7所示。

圖6　車內A計權噪聲平方解調等角度重采樣曲線

圖7　動力總成振動平方解調等角度重采樣曲線

對圖6和圖7中平方解調幅值進行FFT運算，得到車內A計權噪聲平方解調階次譜和動力總成振動平方解調階次譜，如圖8、圖9所示。

圖8　車內A計權噪聲平方解調階次譜

圖9　動力總成振動平方解調階次譜

從圖8中可以明顯看到0.164階及其2倍頻階次，說明車內噪聲存在0.164階調制，結合主觀感受，可以確認車內“嗡嗡”異響由0.164階調制聲引起。

從圖9中可以明顯看到0.164階及其2倍頻階次，說明振動信號存在0.164階調制，其特征與車內噪聲一致，說明車內噪聲與動力總成振動明顯相關。

根據該款新能源汽車的傳動系各軸承參數及速比，由式（5）～（8）計算得出動力總成減速電機中間軸軸承故障特征階次，見表1，可以看出，車內噪聲及動力總成振動的調制階次與中間軸軸承的保持架缺陷特征階次吻合，與其他軸軸承的缺陷特征不吻合，由此判斷整車異響是由減速機中間軸軸承故障導致。將減速機拆解后，發現中間軸軸承存在卡滯現象，更換中間軸軸承后車內“嗡嗡”異響消失。

5　結束語

平方解調可以從故障調制信號中有效提取滾動軸承周期性故障沖擊信號；階次分析去除運行轉速變化的影響，適用于非穩態信號，可對變轉速工況數據進行有效分析。采用基于平方解調與階次分析的故障診斷方法對異響車輛加速工況的振動噪聲數據進行分析，結合傳動系各軸承故障特征階次確定異響故障原因，證明所提出的方法對汽車加速工況的異響故障診斷可行。

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2022-12-13

1002-4581（2023）02-0023-04

TH133.3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.006