面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器和滤波方法

本发明属于滤波器设计，涉及一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器和滤波方法。

背景技术：

1、故障特征频率是轴承的固有特征，广泛应用于轴承故障诊断、健康状态评估、剩余寿命估计等方面。当轴承的某些部件出现故障，对采集的加速度进行频谱变化后，会在特定的频率及其高次谐波出现尖峰，这些频率称为故障特征频率。不同故障类型对应不同故障特征频率，如外圈故障特征频率bpfo(ball passing frequency of outer race)，内圈故障特征频率bpfi(ball passing frequency of inner race)，保持架故障特征频率ftf(fundamental train frequency)和球故障特征频率等bsf(ball spin frequency)。故障特征频率的理论值可由轴承的几何尺寸参数以及转轴旋转频率计算得到。工程应用中，由于转速的波动、瞬态接触角的变化以及测量噪声等因素，实际的故障特征频率会偏离其理论值，边频带以及高次谐波的调制也会让某些阶次的故障特征频率淹没在噪声中。因此，设计合理的滤波器，以根据需求自适应地滤除测量信号的噪声，提高信号的信噪比，从而准确辨识实际故障特征频率对轴承的故障诊断具有非常重要的价值和意义。

2、在针对轴承加速度的滤波器设计方面，学术界和工业界开展了广泛而深入的研究，例如通过粒子群算法搜索优化了滤波器的长度，通过设定故障频率比值最大的条件确定了最佳的滤波器中心频率以及带宽，采用弱随机信号提取方法技术对信号进行分离获得信号的离散成分和随机成分，从而提高故障频率所在频带对应幅值，抑制杂波对故障诊断的影响，提高了主轴承故障特征提取的准确性等研究成果。然而，在实现本发明的过程中，发明人发现上述传统的滤波器设计成果存在着设计效率较低的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述传统方法中存在的问题，本发明提出了一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器和一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，能够有效提高滤波器设计效率。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

3、一方面，提供一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，包括：

4、信号获取模块，用于获取轴承实际测量的原始加速度信号后进行傅里叶变换并提取原始加速度的信号功率谱；

5、尖峰排序模块，用于对信号功率谱按幅值从大到小的顺序进行排序；

6、模式选定模块，用于获取选定的滤波模式；滤波模式为模式1、模式2、模式3和模式4中的任一种，模式1的主导尖峰为故障尖峰，模式2的主导尖峰包括故障尖峰和转轴旋转频率的高次谐波，模式3的主导尖峰包括故障尖峰、转轴旋转频率的高次谐波和内圈故障特征频率的调制边频带，模式4的主导尖峰包括故障尖峰、转轴旋转频率的高次谐波、内圈故障特征频率的调制边频带和球故障特征频率的调制边频带；

7、滤波执行模块，用于将信号功率谱上排序为选定的滤波模式下的主导尖峰数量的幅值确定为滤波阈值，按照滤波阈值对频域的原始加速度信号进行滤波处理；

8、滤波输出模块，用于对滤波后的原始加速度信号进行傅里叶逆变换，得到滤波后的时域加速度信号。

9、另一方面，还提供一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，包括步骤：

10、获取轴承实际测量的原始加速度信号后进行傅里叶变换并提取原始加速度的信号功率谱；

11、对信号功率谱按幅值从大到小的顺序进行排序；

12、获取选定的滤波模式；滤波模式为模式1、模式2、模式3和模式4中的任一种，模式1的主导尖峰为故障尖峰，模式2的主导尖峰包括故障尖峰和转轴旋转频率的高次谐波，模式3的主导尖峰包括故障尖峰、转轴旋转频率的高次谐波和内圈故障特征频率的调制边频带，模式4的主导尖峰包括故障尖峰、转轴旋转频率的高次谐波、内圈故障特征频率的调制边频带和球故障特征频率的调制边频带；

13、将信号功率谱上排序为选定的滤波模式下的主导尖峰数量的幅值确定为滤波阈值，按照滤波阈值对频域的原始加速度信号进行滤波处理；

14、对滤波后的原始加速度信号进行傅里叶逆变换，得到滤波后的时域加速度信号。

15、上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

16、上述面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器和滤波方法，通过基于故障特征频率调制模式的滤波阈值设计构思，面向轴承故障诊断开发设计了机理驱动型滤波器，将故障机理引入了滤波器的设计之中，采用了模式1、模式2、模式3和模式4等四种滤波模式，使得面向轴承故障诊断时，可以根据故障类型选择滤波器参数阈值，从而可以直接快捷的对实际测量的原始加速度信号进行频域转换后自动化设置滤波阈值而执行滤波操作。通过基于滤波信号的故障机理直接设计滤波器的关键参数，无须反复调试滤波参数或采用优化算法搜索最佳参数取值，为滤波器设计了滤波模式和调节因子两个接口，提高了滤波器的可配置性，实现不同故障模式下滤波器参数的高效自适应定义，进而提高滤波器的设计效率及参数在机理上的可解释性，最终提高了滤波效率和效果。

技术特征：

1.一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，不同故障特征频率的边频带调制模式包括外圈故障特征频率的无边频带调制，内圈故障特征频率的转轴旋转频率调制及转轴旋转频率的高次谐波调制，球故障特征频率的保持架频率调制及保持架频率的高次谐波调制。

3.根据权利要求1或2所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，外圈故障类型下的主导尖峰数量为：

4.根据权利要求1或2所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，内圈故障类型下的主导尖峰数量为：

5.根据权利要求1或2所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，球故障类型下的主导尖峰数量为：

6.根据权利要求1或2所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器，其特征在于，转轴旋转频率的边频带尖峰数量为：

7.一种面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，其特征在于，包括步骤：

8.根据权利要求7所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，其特征在于，不同故障特征频率的边频带调制模式包括外圈故障特征频率的无边频带调制，内圈故障特征频率的转轴旋转频率调制及转轴旋转频率的高次谐波调制，球故障特征频率的保持架频率调制及保持架频率的高次谐波调制。

9.根据权利要求7或8所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，其特征在于，外圈故障类型下的主导尖峰数量为：

10.根据权利要求7或8所述的面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波方法，其特征在于，内圈故障类型下的主导尖峰数量为：

技术总结
本申请涉及面向轴承故障诊断的机理驱动型滤波器和滤波方法，该滤波器通过基于故障特征频率调制模式的滤波阈值设计构思，面向轴承故障诊断开发设计了机理驱动型滤波器，将故障机理引入了滤波器的设计之中，采用了四种滤波模式，面向轴承故障诊断时可根据故障类型选择滤波器参数阈值，直接快捷的对实际测量的原始加速度信号进行频域转换后自动化设置滤波阈值而执行滤波操作。提高了滤波器的可配置性，实现不同故障模式下滤波器参数的高效自适应定义，进而提高滤波器的设计效率及参数在机理上的可解释性，最终提高了滤波效率和效果。

技术研发人员：阮迪望,赵伟,杨伟奇
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/20