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基于经验模态分析的机床主轴轴承外圈非接触式故障检测方法

刘斌 刘佳 张海鹏

刘斌, 刘佳, 张海鹏. 基于经验模态分析的机床主轴轴承外圈非接触式故障检测方法[J]. 制造技术与机床, 2023, (1): 21-28. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.003
引用本文: 刘斌, 刘佳, 张海鹏. 基于经验模态分析的机床主轴轴承外圈非接触式故障检测方法[J]. 制造技术与机床, 2023, (1): 21-28. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.003
LIU Bin, LIU Jia, ZHANG Haipeng. Fault detection method of machine tool bearing based on empirical modal analysis[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (1): 21-28. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.003
Citation: LIU Bin, LIU Jia, ZHANG Haipeng. Fault detection method of machine tool bearing based on empirical modal analysis[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (1): 21-28. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.003

基于经验模态分析的机床主轴轴承外圈非接触式故障检测方法

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.01.003
基金项目: 精密机床主轴轴承工业性验证平台及性能评估体系(2018YFB2000505)
详细信息
    作者简介:

    刘斌,男,1984年生,硕士研究生,讲师,中心主任,研究方向为智能装备、轴承、特种机器人。E-mail:87570637@qq.com

    通讯作者:

    刘佳,女,1992年生,硕士研究生,助教,研究方向为智能装备、轴承、特种机器人。E-mail:920828732@qq.com

  • 中图分类号: TH133.3

Fault detection method of machine tool bearing based on empirical modal analysis

  • 摘要: 针对主流机床的电机主轴轴承外圈故障检测问题,提出1种利用机床主轴电机定子电流信号进行非接触式故障诊断的方法,利用经验模态分解(EMD)对机床电机非平稳定子电流信号进行分析。采用经验模态分解方法提取定子电流信号的本征模函数(IMF)应用于维格纳分布(WVD),得到故障信号的维格纳分布轮廓图,最终利用人工神经网络进行故障样本的模式识别,可有效检测机床主轴轴承外圈缺陷。试验结果表明,在不同负载条件下,基于经验模态分解的维格纳分布定子电流监测对外圈缺陷的故障检测和诊断具有准确率高、计算量小以及检测成本低等优点,具有一定的工程实用及推广价值。

     

  • 图  1  方法流程图

    图  2  试验轴承

    图  3  外圈故障图

    图  4  试验装置

    图  5  满负载时正常轴承和外圈故障轴承电流信号的IMFS比较

    图  6  半负载时正常轴承和外圈故障轴承电流信号的IMFS比较

    图  7  空载时正常轴承和外圈故障轴承电流信号的IMFS比较

    图  8  本征模函数1对健康轴承和外圈缺陷轴承在满负载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  9  本征模函数2对健康轴承和外圈缺陷轴承在满负载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  10  本征模函数1对健康轴承和外圈缺陷轴承在半负载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  11  本征模函数2对健康轴承和外圈缺陷轴承在半负载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  12  本征模函数1对健康轴承和外圈缺陷轴承在空载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  13  本征模函数2对健康轴承和外圈缺陷轴承在空载条件下的电流信号维格纳分布的比较

    图  14  满负载下外圈轴承缺陷的人工神经网络响应

    图  15  半负载下外圈轴承缺陷的人工神经网络响应

    图  16  空载下外圈轴承缺陷的人工神经网络响应

    表  1  NSK 6205 Z轴承参数

    类别深沟球轴承
    轴承名称NSK 6205Z
    滚珠数量N/个9
    内圈直径d/mm25
    外圈直径D/mm52
    滚珠直径Bd/mm7.96
    轴承的节圆直径Pd/mm38.5
    接触角α
    下载: 导出CSV

    表  2  外圈轴承缺陷的机械特性频率 Hz

    空载半负载满负载
    $ {f}_{r} $49.65348.8147.641
    $ {f}_{o} $178.756175.73171.51
    下载: 导出CSV

    表  3  在不同载荷条件下的外圈故障识别率和分析时间

    载荷条件识别率/(%)分析时间/s
    满负载98.60.015
    半载99.20.025
    空载98.90.01
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-08-18

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