[发明专利]一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置

权利要求书

1.一种嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，该装置包括按信号传输方向依次连接的信号输入模块（1）、转速调理模块（2）、核心运算模块（3）、核心控制模块（4），以及分别与所述信号输入模块（1）、转速调理模块（2）、核心运算模块（3）和核心控制模块（4）连接的电源模块（5）；

所述信号输入模块（1）包括按信号传输方向依次连接的振动传感器（12）、信号放大器（13）、低通滤波器（14）和A/D转换模块（15），以及转速传感器（11），所述A/D转换模块（15）的输出端和转速传感器（11）的输出端分别与转速调理模块（2）输入端相连，A/D转换模块（15）将采集到的振动信号x(t)传输至转速调理模块（2），转速传感器（11）将转速信号传输至转速调理模块（2），其中t表示采样时间点，t=1,2,…,N，N为信号长度；

所述转速调理模块（2）为现场可编辑逻辑门阵列，对输入的振动信号x(t)进行等角度采样，得到等角度采样序列{X(1),X(2),…,X(t),…,X(N)}并传输至核心运算模块（3）；

所述核心运算模块（3）为数字信号处理模块，运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{X(1),X(2),…,X(t),…,X(N)}进行分析，得到阶比谱数据并输入核心控制模块（4）；

所述核心控制模块（4）包括嵌入式微处理器模块（41）、分别与所述嵌入式微处理器模块（41）的输出端连接的触摸显示模块（42）和存储器模块（43），所述嵌入式微处理器模块（41）的输入端与核心运算模块（3）的输出端连接，嵌入式微处理器模块（41）根据输入的阶比谱数据作出阶比谱图形，并利用阶比谱图形进行轴承故障诊断。

2.根据权利要求1所述的嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，所述核心运算模块（3）运用经验模态分解阶比谱方法对输入的等角度采样序列{X(1),X(2),…,X(t),…,X(N)}进行分析的具体步骤为：

1）找出等角度采样序列{X(1),X(2),…,X(t),…,X(N)}所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到下包络线，然后求出上包络线和下包络线的均值M₁(t)，得到均值序列{M₁(1),M₁(2),…,M₁(t),…,M₁(N)}，将每个等角度采样数据X(t)对应减去均值M₁(t)，得到新的采样数据IM₁(t)，组成一个新的采样数据序列{IM₁(1),IM₁(2),…,IM₁(t),…,IM₁(N)}，并初始化计数器参数j=1；

2）找出新的采样数据序列{IM₁(1),IM₁(2),…,IM₁(t),…,IM₁(N)}所有的极大值点和极小值点，采用三次样条插值函数拟合所有极大值点，得到新的上包络线，采用三次样条插值函数拟合所有极小值点，得到新的下包络线，然后求出新的上包络线和新的下包络线的均值M₂(t)，得到新的均值序列{M₂(1),M₂(2),…,M₂(t),…,M₂(N)}；

3）判断是否满足如是，则将新的采样数据序列{IM₁(1),IM₁(2),…,IM₁(t),…,IM₁(N)}作为第j个本征模态函数IMF_j={IMF_j(1),IMF_j(2),…,IMF_j(t),…,IMF_j(N)}并进入步骤4），其中有IMF_j(t)=IM₁(t)；否则根据IM₁(t)=IM₁(t)－M₂(t)更新IM₁(t)，得到新的采样数据序列{IM₁(1),IM₁(2),…,IM₁(t),…,IM₁(N)}后返回步骤2）；

4）判断是否满足j=k，k为设定的本征模态函数运算次数，k>2，如是，则进入步骤5）；否则根据更新IM₁(t)，得到新的采样数据序列{IM₁(1),IM₁(2),…,IM₁(t),…,IM₁(N)}，并令j=j+1后返回步骤2），其中i为本征模态函数的序号，也是计数器参数j在求和公式中的变量，i=1,2,…,j；

5）利用下式分别计算各个本征模态函数的能量香农熵比R_i，i=1,2,…,k，然后选出能量香农熵比最大的本征模态函数IMF_max(t)；

Ri=Σt=1NIMFi2(t)-Σt=1N(IMFi2(t)Σt=1NIMFi2(t)log2IMFi2(t)Σt=1NIMFi2(t)),i=1,2,...,k]]>

6）利用下式对能量香农熵比最大的本征模态函数IMF_max={IMF_max(1),IMF_max(2),…,IMF_max(t),…,IMF_max(N)}进行希尔伯特变换，得到希尔伯特变换信号序列{y(1),y(2),…,y(t),…,y(N)}：

其中τ为积分中的采样时间点变量,τ=1,2,…,N，N为信号长度；

利用下式提取能量香农熵比最大的本征模态函数IMF_max的包络信号z(t)：

z(t)=IMFmax2(t)+y2(t),]]>

对IMF_max的包络信号序列{z(1),z(2),…,z(t),…,z(N)}进行傅里叶变换，获得其阶比谱Z(f)=FFT(z(t))，作为最终输入核心控制模块（4）的阶比谱数据。

3.根据权利要求1所述的嵌入式变转速轴承故障诊断装置，其特征在于，所述嵌入式微处理器模块（41）利用阶比谱图形进行轴承故障诊断的方法为：根据阶比谱数据Z(f)，以阶比f为横坐标，阶比谱数据Z(f)为纵坐标，作出二维图形，在所述二维图形当中找出阶比谱数据Z(f)的每个高峰点所对应的阶比f，然后将其分别与轴承的转动阶比、理论轴承转动体故障阶比、理论轴承外圈故障阶比、理论轴承内圈故障阶比进行比较，按照以下判断条件得到故障诊断结果：

如果所述的三个理论轴承故障阶比均不与任一阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f相等，则判定轴承不存在故障；

如果存在一个阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承转动体故障阶比，则判定轴承存在转动体故障；

如果存在一个阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承外圈故障阶比，则判定轴承存在外圈故障；

如果存在一个阶比谱数据Z(f)高峰点所对应的阶比f等于理论轴承内圈故障阶比，则判定轴承存在内圈故障。