MED方法及在滚动轴承故障诊断中的应用

２０１４年１２月

第４２卷第２３期

机床与液压

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

Ｄｅｃ２０１４

Ｖｏｌ４２Ｎｏ２３

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４２３０４４

收稿日期：２０１３－１１－１８

基金项目：国家自然科学基金（５０２７５０８９）；山东省自然科学基金（ＺＲ２０１２ＥＥＬ０６）

作者简介：张丹（１９７７），女，讲师，硕士，研究方向为信号处理二电子技术三Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｄａｎ＿ｓｄｕｔ＠１６３ｃｏｍ三

ＭＥＤ方法及在滚动轴承故障诊断中的应用

张丹１，隋文涛２

（１山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博２５５０４９；２山东理工大学机械工程学院，山东淄博２５５０４９）

摘要：介绍了最小熵解卷积（ＭｉｎｉｍｕｍＥｎｔｒｏｐｙＤｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ，ＭＥＤ）的原理和实现步骤，说明了参数选择方法三为有效抑制噪声，增强故障特征信息，提出ＭＥＤ结合包络自相关的方法三通过实验台信号验证了所述方法的有效性及优点三

关键词：最小熵解卷积；故障诊断；滚动轴承

中图分类号：ＴＰ３０６一一文献标识码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１４）２３－１８５－３

ＭＥＤＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＦａｕｌｔＤｉａｇｎｏｓｉｓｏｆＲｏｌｌｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔＢｅａｒｉｎｇｓ

ＺＨＡＮＧＤａｎ１，ＳＵＩＷｅｎｔａｏ２

（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

ＺｉｂｏＳｈａｎｄｏｎｇ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；

２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｉｂｏＳｈａｎｇｄｏｎｇ２５５０４９，Ｃｈｉｎａ）一一Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔｅｐｓｏｆＭｉｎｉｍｕｍＥｎｔｒｏｐｙＤｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ（ＭＥＤ）ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅ?

ｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｎｏｉｓｅａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｆａｕｌｔｆｅａｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＭＥＤｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｅｎｖｅｌｏｐｅａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄａｒｅｐｒｏｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｉｇｎａｌｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｎｉｍｕｍｅｎｔｒｏｐｙｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ；Ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ；Ｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｂｅａｒｉｎｇｓ

０一前言

滚动轴承是电力二石化二航空二机械等行业中的关键设备，如果发生故障会给企业造成停产甚至安全事故，因此对这些设备进行状态监测与故障诊断具有

重要意义［１－

３］三

当滚动轴承产生故障时，最初的冲击信号受随机噪声信号和其它信号（如齿轮啮合信号）干扰，同时受到传递路径的影响，传感器采集的振动信号往往不能够真实反映轴承故障信息，为设备故障诊断和状态监测增加了难度三

解卷积滤波器可以突出信号中的冲击成分，使得采集信号经过滤波解卷积后信号近似于原来故障冲击成分三最小熵解卷积（ＭＥＤ）的概念是由ＲＡＬＰＨＷｉｇｇｉｎｓ［４］在１９７８年引入到信号处理中，最早被应用在地震波的处理中，其目标是寻找与地震数据相一致的最小数目的脉冲反射三地震波处理领域内的学者习惯于称此方法为最小熵反褶积三

在机械故障诊断领域，ＥＮＤＯ和ＲＡＮＤＡＬＬ［５］最早应用了这种方法，提高了由齿轮箱中剥落和裂纹故障引起的信号冲击性三ＳＡＷＡＬＨＩ［６］和ＷＡＮＧ等［７］将其运用到在滚动轴承故障检测中三近年来很多国内学

者，如江瑞龙［８］二王宏超等［９］学者进行了相关的研究三

文中将最小熵解卷积方法引入到滚振动信号处理领域，并研究了滤波器阶数选择方法三为有效抑制噪声，增强故障特征信息，提出ＭＥＤ＋包络自相关的方法，并通过实验台信号进行了验证三

１一最小熵解卷积原理

最小熵解卷积（ＭＥＤ）本质是一个逆滤波器，反作用信号的传递路径，以恢复原始的输入冲击信号三因为最小熵解卷积滤波器的参数是通过对信号峭度取最大化获得，所以称这种方法为最小熵解卷积三

图１表达了ＭＥＤ解卷积去噪和增强信号的过程三如果滚动轴承有故障，由于内外圈和滚动体之间相互接触，在故障处就会产生冲击性信号ｓ（ｔ）三ｓ（ｔ）沿着滚动轴承和相关机械部件传递到测量传感器处三传递路径起到对信号的阻抗作用，可由滤波器ｈ（ｔ）来表示三同时，冲击信号也会被混入其他噪声信号ｎ（ｔ）三

假设传感器测量得到信号ｄ（ｔ），ＭＥＤ逆滤波器ｆ（ｔ）的目标就是消除传递路径的影响，恢复出初始输入冲击信号三可以认为经最小熵解卷积后的信号是一个更加接近于轴承冲击信号的信号三