[发明专利]一种变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法

说明书

本发明公开了一种变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法，对采集到的变转速下的轴承信号求包络得到包络信号；获取与采集的轴承信号同步的轴承转频；使用Vold‑Kalman滤波对各单一故障特征倍频进行粗略提取；获取最优的分数阶阶次p_n；对Vold‑Kalman滤波信号进行p_n阶FrFT，得到滤波后的单一故障分量信号；以不同部位的故障特征阶次为标签，对FrFT滤波后的故障分量倍频信号进行重构，作出重构信号阶次谱，若谱图中看出相应标签的故障特征阶次，则判断轴承故障类型。本发明所提供的方法通过对时变故障分量的精准提取，能够通过信号阶次谱直观反映故障信息，为变转速下航空轴承故障诊断提供决策依据。

技术领域

本发明属于故障诊断与健康管理领域，更具体地，涉及一种变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法。

背景技术

据2018年我国民航安全信息统计报告指出，每年发生的通航一般事故中，由近40％是由于设备系统失效故障、关键零部件磨损脱落等机械问题造成的。航空发动机及传动系统作为航空飞机最关键的系统部件之一，不仅机械结构复杂，同时处在高温高压的恶劣运行环境下，在运行过程中其内部零件更可能发生故障。一旦某个零部件在运行过程中出现故障，势必会造成一系列连锁反应，轻则降低效率，造成经济影响，重则导致整个机组损坏，以致危害人员生命。在航空发动机及传动系统中，滚动轴承是关键部件之一，对其进行高效准确的故障诊断意义重大。

滚动轴承的特征提取和故障诊断经过不断发展，目前已取得了相当可观的成果。但是目前发展的监测和诊断方法大多建立在定转速工况的前提下。对于航空轴承，在实际工况下，轴承往往不是始终在恒定转速下运行的，变转速工况更为常见。然而变转速给故障诊断带来以下三个方面问题：频域分析失效、统计特征表现非平稳性、时变的传递路径幅频、相频响应，增加了变转速故障诊断的难度。因此，开发变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法变得尤为重要。

由于变转速下滚动轴承瞬时故障特征频率(Instantaneous FaultCharacteristic Frequency，IFCF)和实时转速同步变化，因此当处于匀变速工况条件下时，IFCF可视为一种线性调频(Linear Frequency Modulated，LFM)信号。分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier transform，FrFT)的特性让它尤其适合处理LFM信号，目前已经在雷达、光学、声呐、通讯中等众多方面有较为广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法，实现时变故障特征的精准提取诊断。针对背景中变转速给故障诊断带来的频域分析失效、统计特征表现非平稳性、时变传递路径幅频相频响应三个方面的问题，本发明基于一种针对时变故障特征分量的多层次滤波方法，能够有效对变转速下的滚动轴承进行诊断。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种变转速下航空轴承故障特征提取诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1、对采集到的变转速下的轴承信号以降低噪声和增强故障分量为目的进行预处理，对预处理后的轴承信号求包络得到包络信号；

步骤S2、获取与采集的轴承信号同步的轴承转频；

步骤S3、依据轴承转频和由轴承结构决定的轴承故障特征阶次获得轴承各个部位对应的瞬时故障特征频率，再基于各瞬时故障特征频率对包络信号进行Vold-Kalman滤波，对各单一故障特征倍频进行粗略提取；

步骤S4、从Vold-Kalman滤波后的信号中获取最优的分数阶阶次p_n；

步骤S5、对Vold-Kalman滤波信号进行p_n阶FrFT，在分数阶傅里叶域利用窄带滤波器滤除噪声，对经过滤波后的信号做p_n阶的逆变换，即做-p_n阶FrFT，变换到时间域，得到滤波后的单一故障分量信号；