[发明专利]一种基于变尺度Lempel-Ziv的轴承内外圈故障定量趋势诊断方法

权利要求书

1.一种基于变尺度Lempel-Ziv的轴承内外圈故障定量趋势诊断方法，其特征在于：该方法包括采集轴承故障振动信号、根据轴承故障振动信号特点构造原子库、对轴承故障振动信号进行匹配追踪构建重构信号、构建重构信号的故障冲击区和冲击衰减区、对重构信号进行变尺度二值化处理、依次迭代得到重构信号的变尺度Lempel-Ziv复杂度值、绘制变尺度Lempel-Ziv复杂度值与轴承内、外圈故障大小关系图，继而进行轴承内外圈故障定量趋势诊断。

2.根据权利要求1所述的一种基于变尺度Lempel-Ziv的轴承内外圈故障定量趋势诊断方法，其特征在于：振动信号采集的步骤实施如下；

采用滚动轴承内、外圈故障信号进行验证分析；实验系统由轴承实验台、HG3528A数据采集仪、笔记本电脑组成；其中轴承实验台由三相异步电机通过挠性联轴器与装有转子的转轴连接，轴由两个6307轴承支撑；电机转速R＝1497r/min，轴承的大径D＝80mm，小径d＝35mm，滚动体个数为8个，接触角为0，加速度传感器固定在轴承座的正上方和水平方向；在轴承的内、外圈滚道中央加工出直径大小分别为0.5mm、2mm、3.5mm和5mm的凹坑模拟点蚀故障，得到不同故障尺寸的内、外圈轴承故障实验信号，用来模拟滚动轴承的不同程度损伤。

3.根据权利要求1所述的一种基于变尺度Lempel-Ziv的轴承内外圈故障定量趋势诊断方法，其特征在于：原子库构造的实施步骤如下；

设采集到的振动信号的时域表示为x(t)，根据其故障冲击特征，构建原子库；

以正弦函数作为傅里叶(Fourier)字典的基元函数，负指数函数与正弦函数乘积得到的指数衰减函数作为冲击时频字典的基元函数，以傅里叶字典和冲击时频字典构成匹配追踪算法的复合字典；

正弦函数原子定义为：

式中f₁为正弦信号原子的频率参数，λ为正弦信号原子的相角，K_fou为正弦信号原子的归一化系数，t为信号的采样时长，π取3.14；

为保证每个原子具有单位能量，即：

冲击函数φ_imp(p,u,f₂,Φ)原子定义为：

式中p为冲击响应的阻尼衰减特性，u为冲击响应事件发生的初始时刻(s)，f₂为冲击信号原子的频率参数，Φ为冲击信号原子的相位偏移，K_imp为冲击信号原子的归一化系数，t为信号的采样时长，e为自然常数。

4.根据权利要求1所述的一种基于变尺度Lempel-Ziv的轴承内外圈故障定量趋势诊断方法，其特征在于：构建重构信号的实施步骤如下；

设待分析的原始振动信号的时域表示为x(t)，构建重构信号：

(1)初始化残差，将待分析信号x(t)赋给初始残差信号R₀，得到初始残差信号R₀＝x(t)；

(2)分别从Fourier字典和冲击时频字典φ_imp＝{g_2k,k＝1,2,3…K，K为迭代次数}中，分别进行正弦函数匹配原子g_1k和冲击函数匹配原子g_2k的选取，并进行正弦函数匹配系数c_1k和冲击函数匹配系数c_2k的选取；则第k次迭代得到的加权信号投影x_k为：

为保证重构信号具有单位能量，式中，a₁为正弦函数原子库的加权系数，a₂为冲激函数原子库的加权系数，且

(3)将残差信号在每次迭代的匹配原子上投影，则第k次迭代后的残差信号为R_k+1；

R_k+1＝R_k-x_k

(4)终止条件选择基于衰减系数的残差比阈值，若满足则结束迭代进入步骤(5)；否则重复执行步骤(2)～(4)；

(5)重构信号近似表示为：