一种基于定位普遍法则的滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法

技术领域

本发明涉及一种滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法，特别涉及一种基于定位普遍法则的滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法，属于故障诊断技术领域，

背景技术

滚动轴承是机械设备中采用最广泛也是最易发生故障的零部件之一。滚动轴承的故障诊断长期以来都是科学研究和工业界的技术重点。随着理论和技术的逐步发展，由定性诊断迈入量化诊断也渐成趋势。广义的滚动轴承外圈定量诊断包含两个方面：缺陷定形尺寸诊断和缺陷定位尺寸诊断。在缺陷定形尺寸诊断方面，目前已经有较为全面、系统的方法和技术。然而，针对滚动轴承外圈缺陷定位尺寸诊断的方法还较为匮乏，已成为阻碍滚动轴承故障预测与健康管理(PHM)进一步发展的主要因素之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于定位普遍法则的滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法，以实现滚动轴承外圈缺陷定位尺寸的精确诊断，为机械设备故障预测与健康管理提供基础支撑。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于定位普遍法则的滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法，该方法包括以下步骤：

1)定义滚动轴承全方位象限：以滚动轴承端面为参考平面，在参考平面内建立直角坐标系，过轴心O的水平线为x轴；水平向右为x轴正方向，记为x⁺；水平向左为x轴负方向，记为x^-；过轴心O的垂直线为y轴，垂直向下为y轴正方向，记为y⁺；垂直向上为y轴负方向，记为y^-；x轴和y轴将参考平面分割为四个象限，将x⁺Oy^-围成的区域定义为第一象限，y^-Ox^-围成的区域定义为第二象限，x^-Oy⁺围成的区域定义为第三象限，y⁺Ox⁺围成的区域定义为第四象限；以x⁺为角度基准线，第一象限对应的角度区间为[0°,90°]，第二象限的角度区间为[90°,180°]，第三象限对应的角度区间为[180°,270°]，第四象限的角度区间为[270°,360°]；将外圈缺陷的径向中心线与x⁺的逆时针夹角定义为外圈缺陷角位置φ_f；

2)测取振动加速度信号：以步骤1)中设定的直角坐标系为参考，在轴承座0°和90°位置分别安装第一加速度传感器和第二振动加速度传感器，并以采样频率f_s和采样点数N进行同步采集，第一加速度传感器采集的信号命名为a_x，第二加速度传感器采集的信号命名为a_y；以时间t为横坐标，a_x为纵坐标，绘制出a_x的时域波形图，以纵坐标方向为参照，在a_x的时域波形图中量取出滚珠经过外圈缺陷时激起的冲击波形的振荡起始方向，命名为a_x起始方向；以时间t为横坐标，a_y为纵坐标，绘制出a_y的时域波形图，以纵坐标方向为参照，在a_y的时域波形图中量取出滚珠经过外圈缺陷时激起的冲击波形的振荡起始方向，命名为a_y起始方向；

3)建立定位普遍法则：当a_x起始方向为负，a_y起始方向为正，则判定出外圈缺陷处于第一象限Q₁，记为φ_f∈Q₁；当a_x起始方向为正，a_y起始方向为正，则判定出外圈缺陷处于第二象限Q₂，记为φ_f∈Q₂；当a_x起始方向为正，a_y起始方向为负，则判定出外圈缺陷处于第三象限Q₃，记为φ_f∈Q₃；当a_x起始方向为负，a_y起始方向为负，则判定出外圈缺陷处于第四象限Q₄，记为φ_f∈Q₄；

4)外圈缺陷全方位精确定位诊断：根据步骤2)测取的振动加速度信号a_x和a_y，计算垂-平同步均方根值σ_vh和平-垂同步均方根值σ_hv，结合步骤3)所述的定位普遍法则和以下公式精确定位诊断出外圈缺陷角位置φ_f：

其中s＝0.02为斜率常系数；A为幅值常系数，通过基准实验得到。

上述技术方案中，步骤4)所述的垂-平同步均方根值σ_vh由下式计算：

平-垂同步均方根值σ_hv由下式计算：

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明基于缺陷角位置对振动响应特征影响规律的理论分析，提出了适用于外圈缺陷全方位(0°～360°)判别的“定位普遍法则”，再结合σ_vh、σ_hv与外圈缺陷角位置之间的映射关系推导出了定位公式，实现了滚动轴承外圈缺陷的全方位精确定位诊断，具有重要的实用性和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为滚动轴承全方位象限分布图。

图3为第一振动加速度传感器测取的信号a_x的时域波形图。

图4为第二振动加速度传感器测取的信号a_y的时域波形图。

图中：1-第一象限；2-第二象限；3、第三象限；4-第四象限。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的定位诊断方法进行详细说明。但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明提供的一种基于定位普遍法则的滚动轴承外圈缺陷定位诊断方法，其具体包括如下步骤

步骤1，定义滚动轴承全方位象限：

本实施例采用NSK6308滚动轴承。如图2所示，以滚动轴承端面为参考平面，在参考平面内建立直角坐标系，过轴心O的水平线为x轴；水平向右为x轴正方向，记为x⁺；水平向左为x轴负方向，记为x^-；过轴心O的垂直线为y轴，垂直向下为y轴正方向，记为y⁺；垂直向上为y轴负方向，记为y^-；x轴和y轴将参考平面分割为四个象限，将x⁺Oy^-围成的区域定义为第一象限，y^-Ox^-围成的区域定义为第二象限，x^-Oy⁺围成的区域定义为第三象限，y⁺Ox⁺围成的区域定义为第四象限；以x⁺为角度基准线，第一象限对应的角度区间为[0°,90°]，第二象限的角度区间为[90°,180°]，第三象限对应的角度区间为[180°,270°]，第四象限的角度区间为[270°,360°]；将外圈缺陷的径向中心线与x⁺的逆时针夹角定义为外圈缺陷角位置φ_f，如图2所示。

步骤2，测取振动加速度信号：

以步骤1中设定的直角坐标系为参考，在轴承座0°和90°位置分别安装第一加速度传感器和第二振动加速度传感器，并以采样频率f_s＝65536Hz和采样点数N＝131072进行同步采集，第一加速度传感器采集的信号命名为a_x，第二加速度传感器采集的信号命名为a_y；以时间t为横坐标，a_x为纵坐标，绘制出a_x的时域波形图，如图3所示。以纵坐标方向为参照，在a_x的时域波形图中量取出滚珠经过外圈缺陷时激起的冲击波形的振荡起始方向，命名为a_x起始方向；以时间t为横坐标，a_y为纵坐标，绘制出a_y的时域波形图，如图4所示。以纵坐标方向为参照，在a_y的时域波形图中量取出滚珠经过外圈缺陷时激起的冲击波形的振荡起始方向，命名为a_y起始方向。

步骤3，建立定位普遍法则：

定位普遍法则定义如下：当a_x起始方向为负，a_y起始方向为正，则判定出外圈缺陷处于第一象限Q₁，记为φ_f∈Q₁；当a_x起始方向为正，a_y起始方向为正，则判定出外圈缺陷处于第二象限Q₂，记为φ_f∈Q₂；当a_x起始方向为正，a_y起始方向为负，则判定出外圈缺陷处于第三象限Q₃，记为φ_f∈Q₃；当a_x起始方向为负，a_y起始方向为负，则判定出外圈缺陷处于第四象限Q₄，记为φ_f∈Q₄。

在本实施例中，由图3和图4可知，a_x起始方向为正，a_y起始方向为负。因此可判定出本实施例中的外圈缺陷处于第三象限Q₃，记为φ_f∈Q₃。

步骤4，外圈缺陷全方位精确定位诊断：

根据步骤2测取的振动加速度信号a_x和a_y，计算垂-平同步均方根值σ_vh和平-垂同步均方根值σ_hv：

给出外圈缺陷定位公式：

其中斜率常系数s＝0.02；幅值常系数A可通过以下基准实验得到：在6307滚动轴承实验台上安装含有外圈缺陷的滚动轴承；旋转滚动轴承外圈，将外圈缺陷角位置调整到270°位置。采用步骤2的方法，测取基准实验轴承的振动加速度信号a_x0和a_y0，并由以下公式计算出幅值常系数A：

由公式(4)，可计算出本实施例中A＝0.497。则结合定位普遍法则和公式(1)-(3)可精确定位诊断出本实施例中的外圈缺陷角位置φ_f＝261.7°。