基于nCode Vibesys的轴承故障诊断包络谱分析

基于nCode Vibesys的轴承故障诊断包络谱分析

一、前言

     本文介绍如何使用nCode Vibesys软件中的VibeSys Base模块进行包络谱分析，以检测轴承故障。包络谱分析是一种能够通过分析振动数据的频谱来识别轴承故障有效的信号处理技术。本文详细描述了包络谱分析的步骤，包括带通滤波、希尔伯特变换、峰度值计算等功能，并通过nCode分析流程展示了如何在实际操作中应用这些功能模块。

二、包络谱分析方法介绍

     包络谱分析用于研究如何使用测量数据的频率内容来识别轴承故障的发生时间。由于轴承通常难以直接接触，且目视诊断也不可行，因此包络谱分析是轴承故障检查的有效方法。当轴承故障发生时，相关的振动特征可以理想化为一系列周期性的振铃脉冲。这种振铃其实是轴承的共振响应，这是由于轴承元件在裂纹、碎屑或锋利边缘上滚动时所经历的脉冲激励。然而，与这些振铃脉冲相关的能量分布在很宽的频率范围内，并且很容易隐藏在系统的背景噪声。通过包络谱分析可以从轴承产生的谐波中识别轴承故障。这些步骤包括一个带通滤波器，然后计算和比较使用 Hilbert 变换包络频谱之前和之后信号的峰度值。如果选择了合适的带通范围，则峰度值应增加。

     包络谱分析通过一系列信号处理步骤，能够从轴承故障产生的谐波中识别出故障，流程如图1所示。主要步骤包括：

• 带通滤波：选择适当的频率范围，滤除与故障无关的高振幅信号。
• 希尔伯特变换：对滤波后的信号进行包络处理。   
• Kurtosis值计算：比较包络处理前后的Kurtosis值，Kurtosis值的增加通常表明存在轴承故障。

图1 包络分析流程图

三、基于nCode Vibesys的包络分析流程

     依据上述分析流程，通过nCode Vibesys搭建分析流程如图2所示，所用的主要Glyph包括：

• Butterworth Filter：用于带通滤波

• HilbertTransform希尔伯特变换：用于包络处理

• Statistics统计模块：计算Kurtosis值

• FrequencySpectrum频谱分析模块：执行FFT并显示RMS振幅频谱    

   

图2 nCode Vibesys包络分析流程

     示例文件包含三组测试数据，测试时间从短到长，每个.s3t文件包含1个通道的加速度计数据，采样频率为100kHz。

• StbAl4sin001.s3t（测试1分钟的数据）
• StbAl4sin073.s3t（测试78分钟的数据）
• StbAl4sin113.s3t（测试113分钟的数据）

     通过nCode Vibesys创建分析流程，使用的Glyph及其重要设置如下：

• 时间序列输入（TSInput1）

     选择SBoxMain001.s3t文件，并将其拖动到工作区，创建时间序列输入模块。

• Butterworth滤波器 (ButterworthFilter1)

     设置滤波器属性：

• Type = BandPass
• Method = ForwardAndBackward   
• Order = 8
• Frequency1 = 10000 Hz
• Frequency2 = 15000 Hz

• 统计模块 （Statistics1）

     在统计模块的属性对话框中，选择“Kurtosis”选项以记录带通滤波后信号的Kurtosis值。

图3 Statistics1统计模块设置

• 希尔伯特变换 (HilbertTransform1)

     HilbertTransform Glyph的属性设置:

• Output=Envelope

• BufferSize=16384

图4 HilbertTransform Glyph设置

• 第二个统计模块 （Statistics2）

     在统计模块的属性对话框中，选择“Kurtosis”选项。设置与第一个统计模块相同。         

• 频谱分析模块 （FrequencySpectrum1）

     FrequencySpectrum Glyph的属性：

• OutputType=Amplitude

• BufferSize=16384

• 元数据计算模块 (MetaDataCalculator1)

     在MetaDataCalculator Glyph中，设置元数据定义：

• Metadata：Channel

• Set：Results

• Item：PercentIncrease   

• Type：Double

     输入以下公式以用来计算包络后峰度值增加的百分比：

(100*(#Statistics2_Results.Kurtosis#/#Statistics1_Results.Kurtosis#))-100

图5 MetaDataCalculator Glyph设置

• XY显示器 (XYDisplay1)

从“显示”面板中拖动XY显示模块和元数据显示模块到工作区。

• 元数据显示器 （MetaDataDisplay1）

将元数据计算模块的输出连接到元数据显示模块，将频谱分析模块的输出连接到XY显示模块。

最终建立包络谱分析流程如下图所示。

图6 包络谱分析流程        

四、运行分析

点击“运行”按钮，分析结果将显示在元数据显示模块和XY显示模块中。通过元数据显示器可以查看Kurtosis值的变化，以及新创建的“PercentIncrease”元数据项。

图7 包络谱分析结果显示

为了更直观地显示Kurtosis值，可以将元数据显示模块中的结果转换为表格形式。

在元数据显示模块中，点击“表格”按钮。添加以下元数据项到表格中，并设置显示格式：

• 通道名

• 包络前的Kurtosis值

• 包络后的Kurtosis值

• 百分比增加

   

图8 包络谱分析结果列表显示

为了同时分析多个数据集，可以启用合并模式。在元数据显示模块的属性中，将“CollateTests”属性设置为“True”。3 个数据（1 分钟、78 分钟、113 分钟）拖动到时间序列输入模块中。重新运行分析，比较三个数据的分析结果。

通过包络分析，可以观察到Kurtosis值的显著增加，表明轴承存在故障。特别是在113分钟的数据中，Kurtosis值增加了14%，进一步确认了轴承故障的存在。注意：峰度的显著增加表明轴承故障（113 分钟后增加 41.4%）。这可以通过 XYDisplay 上显示的“尖峰”频谱进行目视确认。   

图9 三组数据包络谱分析结果合并显示

五、总结

本文详细介绍了如何使用nCode软件中的VibeSys模块进行包络分析，以检测轴承故障。通过带通滤波、希尔伯特变换和Kurtosis值计算对比，能够有效地识别轴承故障，并通过示例文件展示了实际操作步骤。