(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111515069.4 (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 王孝良　李校舟　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 代理人 王海波 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G01M 13/045(2019.01) G06F 119/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于振动信号实时采集的滚动轴承工 况量化分析方法 (57)摘要 一种基于振动信号实时采集的滚动轴承工 况量化分析方法， 包括： 使用标准力传感器对振 动加速度传感器进行标定， 建立振动传感器示数 与载荷力的数学映射关系； 标定好后安装于工业 现场， 并安装温度传感器， 进行实时数据采集； 结 合时域与频域信号处理方法， 从振动信号中提取 转速； 利用奇异值分解抑制振动信号中的转频 成 分， 在重构信号中提取载荷信息， 并判断载荷冲 击性； 利用标定好的振动传感器特性反推载荷 值， 用负载特征参数、 平均载荷强度量化每一个 变载过程， 用于工况描述； 最后以温度传感器示 数和轴承材质参数为辅助参考。 该方法用于工业 现场， 作为轴承寿命预测网络模 型的中间层提高 训练效果和识别精度， 有助于动态分析和修正寿 命预测模型。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 114201831 A 2022.03.18 CN 114201831 A 1.一种基于振动信号实时采集的滚动轴承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 步骤 如下： 步骤S1： 对振动传感器作初始标定， 建立振动加速度和载荷的映射关系； 标定采用轴承 振动监测试验台装置， 该装置包括 驱动电机、 变频器、 主轴、 柔性联轴器、 轴承座、 滚动轴承、 分别安装于水平和竖直方向的振动加速度传感器、 径向加载装置、 温度传感器， 以及标定时 用的标准力传感器， 或者 一套配有数字力显示器的加载装置； 具体过程包括如下： S1‑1： 搭建滚动轴承振动监测试验台， 对轴承安装径向加载装置； 安装标准力传感器， 实时记录径向载荷大小； 在轴承座上安装 振动加速度传感器， 采集加速度信号； S1‑2： 在外载荷为 零的工况 下， 对标准力传感器和振动传感器进行零 点标定和校准； S1‑3： 在轴承径向承载范围内， 对轴承递增地施加径向载荷， 分别记录力的校准值和滤 除转频成分的重构信号中径向加速度校准 值； S1‑4： 重复上述试验， 取多组测 量值的平均值， 得到径向载荷Fr与径向振动加速度ar的 映射关系； 对二维数据作插值拟合， 得到振动传感器的载荷特性ar‑Fr曲线； 步骤S2： 将标定后的振动传感器安装于轴承工作现场， 采集滚动轴承运行期间的振动 加速度信号， 同时采集温度数据， 得到监测数据 序列； 步骤S3： 根据振动信号频域图的数值特征确定转频的目标频带， 然后进行带通滤波， 根 据滤波后信号的波形图识别转速； 步骤S4： 对振动加速度信号作奇异值分解， 抑制转频成分， 突出载荷信息， 在重构信号 中对轴承外载荷进行冲击性识别； 步骤S5： 对轴承外载荷进行定量识别； 在时序上建立载荷与振动信号之间的数学关系， 用负载特征参数量 化总结每一个 变载过程， 计算平均载荷强度以量 化描述承载强度。 2.根据权利要求1所述的滚动轴 承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 所述载荷为径 向外载荷， 径向指轴承径向， 分为水平和竖直两个方向分别检测其加速度并求二者矢量和， 所述滤除转频成分使用的方法是奇异值分解。 3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 所述步骤 S3包括： S3‑1： 在振动信号包络谱图中搜寻目标频段； 从低频处搜寻局部幅值， 其幅值显著高于 周围边带噪声， 标记最高幅值对应的频率为f0， f0拟为目标转 频， 根据对应公式， 轴承所在主 轴转速为R＝f0×60， 其转速误差为： 式中， fc为采样频率， L为FFT运算点数； 以f0为中心选定目标频段， 对信号进行带通滤 波； S3‑2： 对原始振动信号进行带通滤波； 以S31中确定的f0为中心频率， 以转频误差为带宽 量纲进行带通 滤波， 即带通区间为[f0‑ΔR/60,f0+ΔR/60]， 得到主轴转 频时域信号， 该时域 信号波形理想状态下接 近正弦波； S3‑3： 计算主轴转速； 由S32所得带通滤波后的信号， 将信号波形视为正弦波， 确定波形 上的正弦周期， 标记为T， 则可以得到主轴转速：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114201831 A 24.根据权利要求3所述的滚动轴承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 所述步骤S4的 包括： S4‑1： 利用奇异值分解挖掘振动信号中的载荷信息； 先对转频成分进行弱化去噪， 将被 淹没的载荷信号的特 征展现出来； S4‑2： 对重构加速度信号进行分析； 根据重构振动信号计算轴承的的径向加速度ar， 参 考投入工业现场使用前的振动传感器载荷特性ar‑Fr曲线， 反演解析出当前振动信号反映出 的载荷特 征； S4‑3： 在连续的采集时间内， 反复进行S41、 S42流程， 会得到一系列径向加速度 值， 记为 ar[k]， 对应的会解析出一系列Fr[k]， 其中k＝0,1,2,...， 即在实时监测过程 中得到了一组 有时序属性的载荷识别值， 绘制得到Fr‑k二维图像， 可以直观地表达监测时间内的载荷变 化信息； S4‑4： 在二维散点图的基础上， 将各点分段插值拟合绘制成曲线； 根据曲线特征判断载 荷冲击性。 5.根据权利要求1、 2或4所述的一种基于振动信号实时采集的滚动轴承运行工况量化 分析方法， 其特征在于， 所述重构加速度信号是分别重构了径向的水平和竖直两个方向加 速度信号并校准， 然后求矢量和的模作为加速度值， 其中， ax与ay分别代 表重构加速度信号的x方向与y方向加速度校准 值。 6.根据权利要求5所述的滚动轴承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 所述步骤S5的 包括： S5‑1： 在检测量化得到的载荷时序图上， 对每一个变载过程， 用一个负载特征参数进行 数学描述； S5‑2： 根据负载特征参数， 计算每一个变载过程的平均载荷强度； 在统计意义上， 该段 时间内的载荷积分值除以时间长度即为平均载荷强度， 其反映了这一段连续时间内轴承所 承受载荷的强度； S5‑3： 将所计算的负载特征参数、 平均载荷强度、 实时转速， 结合温度传感器采集到的 温度值、 轴承材质参数α， 构成一维的滚动轴承工况量化参数， 该结果即为本发明所求的量 化结果， 可用作基于工况参数 的轴承寿命预测模型 的输入进行模型训练， 也可作为基于原 始采集数据进 行轴承寿命预测的网络模型中间层， 量化表征轴承的剩余寿命一定要结合工 况参数进 行具体分析， 使用本方法来提高轴承剩余寿命预测研究工作的实际意义与预测的 准确性。 7.根据权利要求6所述的滚动轴 承运行工况量化分析方法， 其特征在于， 所述负载特征 参数主要包含五个部分， 分别为变载过程起始 时间、 终止时间、 载荷变化率、 载荷最小值和 载荷最大值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114201831 A 3