基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断

王益有，史俊旭，毛鸿锋，王亚杰

基于平方解调与阶次分析的轴承故障诊断

王益有，史俊旭，毛鸿锋，王亚杰

Wang Yiyou，Shi Junxu，Mao Hongfeng，Wang Yajie

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲412005）

针对非平稳信号频谱分析导致的谱分量重叠问题及滚动轴承故障信号的多载波调制特征，提出一种基于平方解调与阶次分析的调制阶次提取，并与轴承故障特征相结合的故障诊断方法。据此对某款异响新能源汽车进行加速工况测试，通过数据分析并结合驱动总成各轴承故障特征阶次确定故障原因。

平方解调；阶次分析；轴承；故障诊断；新能源汽车

0　引言

轴承故障是新能源汽车异响的重要来源之一，其诊断的频域特征提取方法包括频谱分析、功率谱分析[1]、倒谱分析[2]、细化谱分析[3]、AR模型谱分析[4]、高阶谱分析[5]、包络谱分析[6]和广义检波滤波解调分析[7]等。

在某款新能源汽车的异响故障诊断中，发现异响故障特性随电机转速变化而变化，通过对汽车加速过程的监测，收集到全面的故障信号，以此快速识别故障原因。故障检测在电机加速工况下进行，所采集的振动信号为非平稳信号，采用传统的谱分析技术会出现频谱分量重叠现象[8]。阶次分析是一种分析旋转或往复机械噪声与振动信号的技术，可用于分析转速随时间变化的噪声与振动信号[6]。

针对新能源汽车异响故障的特点，以广义检波滤波解调中的平方解调和阶次分析为基础，提出调制阶次提取并与轴承故障特征相结合的故障诊断方法。通过实例阐述利用该方法进行故障诊断的实现过程。

1　平方解调分析

调幅调频信号模型[9]为

式中：为时间；为信号幅值；n为调制频率；为调幅的调制指数；为调频的调制指数；z为载波频率。

根据平方解调原理，对式（1）调制信号取平方，得

对式（2）()信号进行低通滤波，得

由式（3）可知，滤波后b()信号只包含直流分量、调制频率基频和调制频率2倍频的谐波成分。

2　阶次分析

阶次分析方法源于角度域采样理论，通过同步采集旋转机械的转速，进行等角度增量重采样得到角度域内的振动响应信号，则时域非稳态信号在角度域下是稳态信号，对其进行傅里叶变换得到清晰的阶次谱。阶次分析剔除了机械运行变化的影响，是一种有效的非稳态信号分析方法[2]，适用于变转速工况的数据分析。

为了确定等角度采样时间点，通常先设定参考轴的转速模式，假定在一个很小的同步采样时间间隔Δ内，参考轴为匀角加速度运动，则数值积分后参考轴的转角[6]为

式中：为同步采样的参考转速，其对应时间=Δ×。利用插值法对插值，得到重采样等角度间隔Δ所对应的时间*，同样插值得到重采样等角度间隔Δ所对应的振动或噪声幅值，并对其进行FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）运算，得到对应的阶次图谱。

3　轴承故障特征

当轴承内圈、外圈、滚动体出现点蚀等损伤故障时，其运转过程一定会产生相应的频率冲击。根据缺陷位置不同，滚动轴承的缺陷阶次特征[6]为

1）内圈滚道缺陷

2）外圈滚道缺陷

3）滚珠缺陷

4）保持架缺陷

式中：i为内圈滚道缺陷阶次；o为外圈滚道缺陷阶次；b为滚珠缺陷阶次；c为保持架缺陷阶次；为滚动体数目；为滚动体直径；m为节圆直径；为轴承压力角；r为电机轴与轴承中间的传动比。

文中基于平方解调的阶次分析流程如图1所示。

图1　轴承故障诊断流程

4　轴承故障诊断实例

某款新能源汽车行驶过程中存在“嗡嗡”异响，主观感受在中高速时更加明显。将加速踏板完全踩下进行全加速试验，同步采集车内噪声及动力总成的振动信号。图2为现场采集的电机转速信号，图3为车内A计权噪声信号，图4为动力总成振动信号。

图2　电机转速

图3　车内A计权噪声信号

图4　动力总成振动信号

根据式（4）计算得到电机旋转轴的角度位置，如图5所示。

图5　电机旋转轴的角度曲线

根据平方解调原理得到A计权车内噪声及振动信号的平方解调曲线。利用插值法对图5中角度进行等角度间隔插值，计算得到等角度重采样时间，再利用插值法对平方解调曲线进行时间插值，得到车内A计权噪声平方解调等角度重采样曲线和动力总成振动平方解调等角度重采样曲线，如图6、图7所示。

图6　车内A计权噪声平方解调等角度重采样曲线

图7　动力总成振动平方解调等角度重采样曲线

对图6和图7中平方解调幅值进行FFT运算，得到车内A计权噪声平方解调阶次谱和动力总成振动平方解调阶次谱，如图8、图9所示。

图8　车内A计权噪声平方解调阶次谱

图9　动力总成振动平方解调阶次谱

从图8中可以明显看到0.164阶及其2倍频阶次，说明车内噪声存在0.164阶调制，结合主观感受，可以确认车内“嗡嗡”异响由0.164阶调制声引起。

从图9中可以明显看到0.164阶及其2倍频阶次，说明振动信号存在0.164阶调制，其特征与车内噪声一致，说明车内噪声与动力总成振动明显相关。

根据该款新能源汽车的传动系各轴承参数及速比，由式（5）～（8）计算得出动力总成减速电机中间轴轴承故障特征阶次，见表1，可以看出，车内噪声及动力总成振动的调制阶次与中间轴轴承的保持架缺陷特征阶次吻合，与其他轴轴承的缺陷特征不吻合，由此判断整车异响是由减速机中间轴轴承故障导致。将减速机拆解后，发现中间轴轴承存在卡滞现象，更换中间轴轴承后车内“嗡嗡”异响消失。

5　结束语

平方解调可以从故障调制信号中有效提取滚动轴承周期性故障冲击信号；阶次分析去除运行转速变化的影响，适用于非稳态信号，可对变转速工况数据进行有效分析。采用基于平方解调与阶次分析的故障诊断方法对异响车辆加速工况的振动噪声数据进行分析，结合传动系各轴承故障特征阶次确定异响故障原因，证明所提出的方法对汽车加速工况的异响故障诊断可行。

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2022-12-13

1002-4581（2023）02-0023-04

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10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.006