基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法及系统

技术领域

本发明属于机械设备状态监测与预测性维护领域，涉及一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法及系统。

背景技术

运行在低速重载工况下的机械设备，由于自身属性问题较易发生故障，并且，由于运行转速较低，导致发生故障后存在振动信号微弱、故障频率低及冲击响应周期长等特点，使得低速旋转机械的故障检测困难重重。在低速旋转机械故障类型中，由滚动轴承或者齿轮引起的故障占据了绝大部分，且这些故障危害性大，是重点需要检测和诊断定位的故障类型。

低速旋转机械故障中，滚动轴承和齿轮引起的故障的主要关键特征之一，就是时域的周期性冲击振动。目前，常见的识别周期性冲击的方法是包络解调方法，该方法广泛应用于轴承及齿轮的故障诊断中，可以准确提取周期性冲击成分。

但是由于低速运行特点，实际采集到的振动信号中包含的周期性冲击的数量事先无法确定，对于某些在线监测场景，由于硬件采集限制等因素导致周期性冲击数量较少(低于10个)，且由于包络解调方法是一种频域分析方法，傅里叶变换(FFT)识别周期性成分需在周期数量较多(大于10个)才更为准确，因此在这种场景下使用包络解调无法准确的提取冲击间隔，导致故障诊断准确性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法，包括以下步骤：

获取机械设备的原始振动时域波形数据，并进行信号增强处理，得到增强振动时域波形数据；

将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据；

将振动时域波形数据按照预设时间间隔进行划分，得到若干份子振动时域波形数据，获取各子振动时域波形数据的最大值，并组合得到峰值序列；

获取峰值序列的众数和最大值，将峰值序列的最大值除以峰值序列的众数，得到比较值，当比较值大于预设的第一阈值时，获取峰值序列中，所有除以峰值序列的众数的结果≥第二阈值的元素所对应的下标，得到疑似冲击位置序列；否则，检测结果为无故障；

获取疑似冲击位置序列中的元素个数，当疑似冲击位置序列中的元素个数≤1时，检测结果为无故障；

否则，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔，获取机械设备的旋转轴运转周期，当周期性冲击间隔与机械设备的旋转轴运转周期之间的误差在预设误差之内时，检测结果为存在故障；否则，检测结果为无故障。

本发明基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法进一步的改进在于：

获取机械设备的原始振动时域波形数据的具体方法为：

通过安装在机械设备预设零部件上的振动传感器，采集机械设备的原始振动信号，根据机械设备的原始振动信号得到机械设备的原始振动时域波形数据。

预设零部件包括滚动轴承和/或减速箱齿轮，所述原始振动信号包括速度信号和/或加速度信号。

进行信号增强处理的具体方法为：

将机械设备的原始振动时域波形数据进行平方处理。

将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据的具体方法为：

通过下式将增强振动时域波形数据进行归一化处理：

其中，amplify_vib_arr为增强振动时域波形数据，i＝0,1,2,3,…n-1，amplify_vib_arr

将归一化增强振动时域波形数据四舍五入并保留一位小数，得到振动时域波形数据。

预设时间间隔为机械设备运转一周的时间的1/10～1/2。

第一阈值≥2，所述1<第二阈值<第一阈值。

根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔的具体方法为：

获取疑似冲击位置序列的差分序列结果，并计算所述差分序列结果的中位数；

通过下式得到周期性冲击间隔shock

shock

其中，delta_T为预设时间间隔，idx_median为差分序列结果的中位数。

预设误差为10％。

本发明第二方面，一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测系统，包括：

获取模块，用于获取机械设备的原始振动时域波形数据，并进行信号增强处理，得到增强振动时域波形数据；

预处理模块，用于将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据；

峰值处理模块，用于将振动时域波形数据按照预设时间间隔进行划分，得到若干份子振动时域波形数据，获取各子振动时域波形数据的最大值，并组合得到峰值序列；

第一检测模块，用于获取峰值序列的众数和最大值，将峰值序列的最大值除以峰值序列的众数，得到比较值，当比较值大于预设的第一阈值时，获取峰值序列中，所有除以峰值序列的众数的结果≥第二阈值的元素所对应的下标，得到疑似冲击位置序列；否则，检测结果为无故障；

第二检测模块，用于获取疑似冲击位置序列中的元素个数，当疑似冲击位置序列中的元素个数≤1时，检测结果为无故障；

否则，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔，获取机械设备的旋转轴运转周期，当周期性冲击间隔与机械设备的旋转轴运转周期之间的误差在预设误差之内时，检测结果为存在故障；否则，检测结果为无故障。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法，实现了低速机械设备故障检测的准确检测，通过利用振动时域波形数据中表现的明显冲击特性，在冲击放大增强后，通过对振动时域波形数据进行离散化分析，首先是通过预设时间间隔划分信号，进行第一步离散，其次是通过预设的规范化处理对信号进行第二步离散；通过判断振动时域波形数据中各个离散值与整体众数的比率提取疑似冲击位置序列，最终通过疑似冲击位置序列实现故障检测。本发明基于时域分析，并未依赖频域分析，因此在应用场景上相较传统包络解调分析等方法更具有普适性，原因在于实际应用场景中很难保证针对低速机械设备采集的振动信号包含了足够的运转周期(通常为冲击周期)，而传统的频域方法最终都需要通过FFT获取周期性成分，根据采样原理可知，在周期数量不足的情况下，FFT很难获得有效准确的结果。综上，本发明基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法具有更强的通用性，尤其是针对低速运行场景更具优势，为低速机械设备的冲击类故障检测和诊断提供了一个稳定、高效的方法。

附图说明

图1为本发明的基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法流程框图；

图2为本发明的某低速设备故障情况下采集的振动加速度数据图；

图3为本发明的某低速设备故障情况下振动加速度的包络解调频谱图；

图4为本发明某低速设备故障情况下基于时域分析的周期性冲击间隔提取结果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一实施例中，提供一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法，尤其适用于低速机械设备，首先对需分析的原始振动时域波形数据进行信号增强，放大冲击能量。之后对增强的振动时域波形数据规范化处理，为后续处理提供了规范化数据；规范化处理之后通过时间分段离散化处理、采用统计分析方法判断并提取疑似冲击位置点，以此作为故障检测依据确定故障检测结果，具体包括以下步骤。

S1：获取机械设备的原始振动时域波形数据，并进行信号增强处理，得到增强振动时域波形数据。

优选的，所述获取机械设备的原始振动时域波形数据的具体方法为：通过安装在机械设备预设零部件上的振动传感器，采集机械设备的原始振动信号，根据机械设备的原始振动信号得到机械设备的原始振动时域波形数据。

优选的，所述预设零部件包括滚动轴承和/或减速箱齿轮，所述原始振动信号包括速度信号和/或加速度信号。

优选的，所述进行信号增强处理的具体方法为：将机械设备的原始振动时域波形数据进行平方处理，以此放大冲击能量。

S2：将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据。

优选的，所述规范化处理包括归一化处理和精度一致性处理两个处理过程。

优选的，所述将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据的具体方法为：

通过下式将增强振动时域波形数据进行归一化处理：

其中，amplify_vib_arr为增强振动时域波形数据，i＝0,1,2,3,…n-1，amplify_vib_arr

将归一化增强振动时域波形数据进行精度一致性处理，具体为：将归一化增强振动时域波形数据四舍五入并保留一位小数，为后续处理提供便利和一致性，得到振动时域波形数据。

S3：将振动时域波形数据按照预设时间间隔进行划分，得到若干份子振动时域波形数据，获取各子振动时域波形数据的最大值，并组合得到峰值序列。

优选的，所述预设时间间隔delta_T按机械设备的运行转速确定，一般为机械设备运转一周的时间的1/10～1/2。预设时间间隔delta_T越小，最终估计的冲击间隔精度越高。计算每一份子振动时域波形数据的最大值，最终将所有计算得到的最大值组成峰值序列。

S4：获取峰值序列的众数和最大值，将峰值序列的最大值除以峰值序列的众数，得到比较值，当比较值大于预设的第一阈值时，获取峰值序列中，所有除以峰值序列的众数的结果≥第二阈值的元素所对应的下标，得到疑似冲击位置序列；否则，则直接结束分析，振动时域波形数据中并无疑似冲击存在，检测结果为无故障。

其中，下标和时间相关，下标与时间间隔乘积为时间长度。本质上，峰值序列是按一定的时间间隔取值形成，下标一定程度就是时间的表达。例如：以2秒为时间间隔取得[1，2，3，4]峰值序列，那峰值序列实际对应的时间可以近似为【0s，2s，4s，6s】，就是峰值数组对应下标值与时间间隔的乘积值。

优选的，所述第一阈值一般≥2，表示振动时域波形数据中的最大值与众数的差异较大，倍数大于等于2。第二阈值需比第一阈值低，同时需满足大于1，即1<第二阈值<第一阈值。

S5：获取疑似冲击位置序列中的元素个数，当疑似冲击位置序列中的元素个数≤1时，检测结果为无故障；否则，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔，获取机械设备的旋转轴运转周期，当周期性冲击间隔与机械设备的旋转轴运转周期之间的误差在预设误差之内时，检测结果为存在故障；否则，检测结果为无故障。

具体的，获取疑似冲击位置序列中的元素个数，当疑似冲击位置序列中的元素个数≤1时，则直接结束分析，振动时域波形数据中仅包含单个冲击，检测结果为无故障。

当疑似冲击位置序列中的元素个数＞1时，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔，获取机械设备的旋转轴运转周期，当周期性冲击间隔与机械设备的旋转轴运转周期之间的误差在预设误差之内时，检测结果为存在故障；否则，检测结果为无故障。

其中，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔的具体方法为：获取疑似冲击位置序列的差分序列结果，并计算所述差分序列结果的中位数；通过下式得到周期性冲击间隔shk

shock

其中，delta_T为预设时间间隔，idx_median为差分序列结果的中位数。

本发明基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法，实现了低速机械设备故障检测的准确检测，通过利用振动时域波形数据中表现的明显冲击特性，在冲击放大增强后，通过对振动时域波形数据进行离散化分析，首先是通过预设时间间隔划分信号，进行第一步离散，其次是通过预设的规范化处理对信号进行第二步离散；通过判断振动时域波形数据中各个离散值与整体众数的比率提取疑似冲击位置序列，最终通过疑似冲击位置序列实现故障检测。本发明基于时域分析，并未依赖频域分析，因此在应用场景上相较传统包络解调分析等方法更具有普适性，原因在于实际应用场景中很难保证针对低速机械设备采集的振动信号包含了足够的运转周期(通常为冲击周期)，而传统的频域方法最终都需要通过FFT获取周期性成分，根据采样原理可知，在周期数量不足的情况下，FFT很难获得有效准确的结果。综上，本发明具有更强的通用性，尤其是针对低速运行场景更具优势，为低速机械设备的冲击类故障检测和诊断提供了一个稳定、高效的方法。

进一步的，通过疑似冲击位置序列以及预设时间间隔，得到了周期性冲击间隔，基于该周期性冲击间隔，判断是否与机械设备的旋转轴运转周期是否在预设误差之内，若处于预设误差之内则可确定该设备存在冲击类故障，反之，则无故障。

参见图2，为某低速设备上采集的振动加速度数据对应的时域波形，从图中可观察到明显的周期性冲击，冲击周期间隔为5.56Hz，经停机检修验证，该冲击源于低速轴齿轮断齿。因此检测周期性冲击可为冲击类故障诊断提供重要手段。

参见图3，为某低速机械设备的振动加速度包络解调频谱结果，数据同图2。从包络解调频谱可发现时域中明显的周期性冲击经包络解调后在频谱中并不明显，使用频谱峰值搜索方法得到的冲击间隔并不准确，部分情况甚至会错误。主要原因是时域波形中包含的冲击周期数量较少，包络解调后FFT分析在周期数量较多(大于10个周期)情况下更有效。因此针对低速振动，传统包络解调或者其他频域分析方法提取周期性冲击准确性不足，需要考虑从时域波形中直接处理分析获取周期性冲击间隔。

参见图4，为基于时域分析的周期性冲击间隔提取结果，数据同图2。图中点划线为本发明基于时域分析的机械设备旋转故障检测方法的结果，提取了5个疑似冲击位置，通过对疑似冲击位置进行差分处理获取周期性冲击间隔的统计结果，最终计算得到的周期性冲击间隔为5.5Hz，与真实周期性冲击间隔相比误差低于1％。可见本发明准确的估计了低速机械设备的周期性冲击间隔。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。

本发明再一实施例中，提供一种基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测系统，能够用于实现上述的基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测方法，具体的，该基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测系统包括获取模块、预处理模块、峰值处理模块、第一检测模块以及第二检测模块。

其中，获取模块用于获取机械设备的原始振动时域波形数据，并进行信号增强处理，得到增强振动时域波形数据；预处理模块用于将增强振动时域波形数据进行预设的规范化处理，得到振动时域波形数据；峰值处理模块用于将振动时域波形数据按照预设时间间隔进行划分，得到若干份子振动时域波形数据，获取各子振动时域波形数据的最大值，并组合得到峰值序列；第一检测模块用于获取峰值序列的众数和最大值，将峰值序列的最大值除以峰值序列的众数，得到比较值，当比较值大于预设的第一阈值时，获取峰值序列中，所有除以峰值序列的众数的结果≥第二阈值的元素所对应的下标，得到疑似冲击位置序列；否则，检测结果为无故障；第二检测模块用于获取疑似冲击位置序列中的元素个数，当疑似冲击位置序列中的元素个数≤1时，检测结果为无故障；否则，根据疑似冲击位置序列，得到周期性冲击间隔，获取机械设备的旋转轴运转周期，当周期性冲击间隔与机械设备的旋转轴运转周期之间的误差在预设误差之内时，检测结果为存在故障；否则，检测结果为无故障。

优选的，第二检测模块内设置间隔确定模块，间隔确定模块用于获取疑似冲击位置序列的差分序列结果，并计算所述差分序列结果的中位数；通过下式得到周期性冲击间隔shk

shock

其中，delta_T为预设时间间隔，idx_median为差分序列结果的中位数。

本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测的操作。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于时域分析的机械设备旋转冲击故障检测的相应步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。