摘要　對機(jī)械工業(yè)中常用的評價(jià)滾動軸承故障的沖擊脈沖法，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障評價(jià)系數(shù)自修正策略。這一修正系數(shù)模塊已用于工業(yè)現(xiàn)場滾動軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)長期運(yùn)行的實(shí)踐證明，自修正系數(shù)模塊的引入極大地提高了滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。 

敘詞：滾動軸承　沖擊脈沖法　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　自修正系數(shù) 
　 
0　前言 

滾動軸承是機(jī)械工業(yè)中量大面廣的重要零部件，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到機(jī)器設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量，由于滾動軸承故障造成的機(jī)器設(shè)備事故也屢有發(fā)生，因此，對運(yùn)行中滾動軸承的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)的研究引起了諸多機(jī)械設(shè)計(jì)和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)人員的關(guān)注。當(dāng)前對滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)，在工業(yè)現(xiàn)場最常用也是最為有效的方法之一是沖擊脈沖法(SPM方法)［1］，但該方法對軸承狀態(tài)的評定是采用經(jīng)驗(yàn)的曲線法，這條曲線是在十分理想的條件下獲得的，即：軸承負(fù)載和轉(zhuǎn)速在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，SPM傳感器的安裝必須完全符合標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)現(xiàn)場的具體工況條件是很復(fù)雜的，運(yùn)轉(zhuǎn)中的機(jī)器設(shè)備是具有多種不確定因素和難以確切描述的多維非線性系統(tǒng)，其精確模型難以提取，SPM方法評價(jià)軸承運(yùn)行狀態(tài)的理想條件在工業(yè)現(xiàn)場是無法實(shí)現(xiàn)的，{TodayHot}為此應(yīng)當(dāng)在機(jī)器監(jiān)測的同時(shí)能自學(xué)習(xí)對象機(jī)器的具體情況，自適應(yīng)地產(chǎn)生評價(jià)滾動軸承狀態(tài)的修正系數(shù)，使監(jiān)測系統(tǒng)在一段時(shí)間的運(yùn)行之后，逐漸與對象機(jī)器的現(xiàn)場具體復(fù)雜情況相適應(yīng)。根據(jù)這一思想，我們在對中國揚(yáng)子石化公司塑料廠造粒機(jī)多個滾動軸承建立在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，針對滾動軸承的SPM監(jiān)測方法，提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自修正系數(shù)方法。該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場使用，使用的情況表明，系統(tǒng)能有效地自適應(yīng)產(chǎn)生用于修正的參數(shù)，提高了監(jiān)測系統(tǒng)對滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)的準(zhǔn)確率。 

1　基于BP網(wǎng)絡(luò)的自修正模塊原理 

1.1　SPM方法 

滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果滾動體接觸到內(nèi)外滾道面的缺陷區(qū)，將會產(chǎn)生低頻沖擊作用，所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，會激起SPM傳感器的共振，共振波形一般為20kHz～60kHz，包含了低頻沖擊和隨機(jī)干擾的幅值調(diào)制波，經(jīng)過窄帶濾波器和脈沖形成電路后，得到包含有高頻和低頻的脈沖序列。SPM方法是根據(jù)這一反映沖擊力大小的脈沖序列來判斷軸承狀態(tài)的，并且采用了沖擊脈沖值(SV)這一新的尺度dBc、dBm，實(shí)際使用時(shí)用分貝值來表示。 

dBc(Carpet Value)值：又稱地毯值或高頻值。它是由滾道面的紋波隨機(jī)激勵引起的，與軸承的潤滑狀態(tài)和油膜厚度有關(guān)。它出現(xiàn)的頻次高(1kHz以上) 而且值較小。 

dBm(Maximum value)值：又稱強(qiáng)脈沖值或低頻值，表示脈沖序列中強(qiáng)脈沖序列的幅值。它與滾動軸承的損傷和潤滑油中的雜質(zhì)有關(guān)，出現(xiàn)的頻次低(1 kHz以下)而且值較大。 

dBm和dBc之間的差值直接與軸承故障有關(guān)，兩者之間的關(guān)系與單個軸承的具體特點(diǎn)有關(guān)，也與現(xiàn)場的復(fù)雜情況有關(guān)，其精確的數(shù)學(xué)模型尚不能提取。 

1.2　自修正模塊的原理 

摘要　對機(jī)械工業(yè)中常用的評價(jià)滾動軸承故障的沖擊脈沖法，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障評價(jià)系數(shù)自修正策略。這一修正系數(shù)模塊已用于工業(yè)現(xiàn)場滾動軸承狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)長期運(yùn)行的實(shí)踐證明，{HotTag}自修正系數(shù)模塊的引入極大地提高了滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。 

敘詞：滾動軸承　沖擊脈沖法　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　自修正系數(shù) 
　 
0　前言 

滾動軸承是機(jī)械工業(yè)中量大面廣的重要零部件，它的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到機(jī)器設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量，由于滾動軸承故障造成的機(jī)器設(shè)備事故也屢有發(fā)生，因此，對運(yùn)行中滾動軸承的狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)的研究引起了諸多機(jī)械設(shè)計(jì)和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)人員的關(guān)注。當(dāng)前對滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)，在工業(yè)現(xiàn)場最常用也是最為有效的方法之一是沖擊脈沖法(SPM方法)［1］，但該方法對軸承狀態(tài)的評定是采用經(jīng)驗(yàn)的曲線法，這條曲線是在十分理想的條件下獲得的，即：軸承負(fù)載和轉(zhuǎn)速在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，SPM傳感器的安裝必須完全符合標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)現(xiàn)場的具體工況條件是很復(fù)雜的，運(yùn)轉(zhuǎn)中的機(jī)器設(shè)備是具有多種不確定因素和難以確切描述的多維非線性系統(tǒng)，其精確模型難以提取，SPM方法評價(jià)軸承運(yùn)行狀態(tài)的理想條件在工業(yè)現(xiàn)場是無法實(shí)現(xiàn)的，為此應(yīng)當(dāng)在機(jī)器監(jiān)測的同時(shí)能自學(xué)習(xí)對象機(jī)器的具體情況，自適應(yīng)地產(chǎn)生評價(jià)滾動軸承狀態(tài)的修正系數(shù)，使監(jiān)測系統(tǒng)在一段時(shí)間的運(yùn)行之后，逐漸與對象機(jī)器的現(xiàn)場具體復(fù)雜情況相適應(yīng)。根據(jù)這一思想，我們在對中國揚(yáng)子石化公司塑料廠造粒機(jī)多個滾動軸承建立在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，針對滾動軸承的SPM監(jiān)測方法，提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自修正系數(shù)方法。該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場使用，使用的情況表明，系統(tǒng)能有效地自適應(yīng)產(chǎn)生用于修正的參數(shù)，提高了監(jiān)測系統(tǒng)對滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)的準(zhǔn)確率。 

1　基于BP網(wǎng)絡(luò)的自修正模塊原理 

1.1　SPM方法 

滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果滾動體接觸到內(nèi)外滾道面的缺陷區(qū)，將會產(chǎn)生低頻沖擊作用，所產(chǎn)生的沖擊脈沖信號，會激起SPM傳感器的共振，共振波形一般為20kHz～60kHz，包含了低頻沖擊和隨機(jī)干擾的幅值調(diào)制波，經(jīng)過窄帶濾波器和脈沖形成電路后，得到包含有高頻和低頻的脈沖序列。SPM方法是根據(jù)這一反映沖擊力大小的脈沖序列來判斷軸承狀態(tài)的，并且采用了沖擊脈沖值(SV)這一新的尺度dBc、dBm，實(shí)際使用時(shí)用分貝值來表示。 

dBc(Carpet Value)值：又稱地毯值或高頻值。它是由滾道面的紋波隨機(jī)激勵引起的，與軸承的潤滑狀態(tài)和油膜厚度有關(guān)。它出現(xiàn)的頻次高(1kHz以上) 而且值較小。 

dBm(Maximum value)值：又稱強(qiáng)脈沖值或低頻值，表示脈沖序列中強(qiáng)脈沖序列的幅值。它與滾動軸承的損傷和潤滑油中的雜質(zhì)有關(guān)，出現(xiàn)的頻次低(1 kHz以下)而且值較大。 

dBm和dBc之間的差值直接與軸承故障有關(guān)，兩者之間的關(guān)系與單個軸承的具體特點(diǎn)有關(guān)，也與現(xiàn)場的復(fù)雜情況有關(guān)，其精確的數(shù)學(xué)模型尚不能提取。 

1.2　自修正模塊的原理 

針對SPM方法建立的基于BP網(wǎng)絡(luò)的自修正系數(shù)模塊的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　自修正系數(shù)結(jié)構(gòu)框圖

在軸承發(fā)生故障并被更換后，現(xiàn)場操作人員填寫軸承更換管理系統(tǒng)程序，該程序一方面完成對軸承更換的管理功能，另一方面將軸承更換時(shí)的高、低頻值(dBc和dBm)傳遞給BP網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將操作人員對此次軸承更換的合適性和及時(shí)性的評價(jià)用于對傳統(tǒng)SPM方法評定曲線的修正。 

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來發(fā)展起來的一門新興科學(xué)［2］，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是一個包含有隱層的多層網(wǎng)絡(luò)， 
BP模型由三個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元層次組成，分別是輸入層、隱層、輸出層。各層神經(jīng)元之間形成全互連連接，各層內(nèi)的神經(jīng)元之間沒有連接。其輸入輸出特性為非線性可微非遞減函數(shù)，一般取為Sigmoid函數(shù)，表示神經(jīng)元的飽和特性。由于隱節(jié)點(diǎn)的引入，用三層具有Sigmoid神經(jīng)元的BP網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度逼近任何函數(shù)［3］。 

實(shí)際使用的BP網(wǎng)絡(luò)為1-48-1的結(jié)構(gòu)，輸入為SPM方法的低頻值，輸出為高頻值，逼近SPM方法高、低頻之間的復(fù)雜關(guān)系。由于該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用于計(jì)算而不是分類判斷，所以精度要求較高。單個樣本只有達(dá)到小于8×10-5的誤差才能不低于系統(tǒng)硬件的測量精度，即BP網(wǎng)絡(luò)的誤差不會是系統(tǒng)誤差的主要項(xiàng)。為了達(dá)到這么高的精度，我們采用很大的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)：48。這樣做的代價(jià)是運(yùn)算速度下降。但這只是在預(yù)學(xué)習(xí)的時(shí)候前期訓(xùn)練時(shí)間長，在系統(tǒng)實(shí)際工作的時(shí)候，BP網(wǎng)絡(luò)可能不用學(xué)習(xí)，即使學(xué)習(xí)，也只是單個樣本的學(xué)習(xí)，選代次數(shù)絕不會超過幾十次，所以不會影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 

在構(gòu)建BP網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，我們首先根據(jù)現(xiàn)場的具體數(shù)據(jù)和現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，以生成一組初始權(quán)值。所謂現(xiàn)場的具體數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場工作人員用離線式SPM儀器采集的歷次歷史數(shù)據(jù)。在沒有現(xiàn)場具體數(shù)據(jù)的范圍時(shí)，采用現(xiàn)場操作人員提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中挑選一些具有代表性的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本。在預(yù)訓(xùn)練完畢后，挑選上述數(shù)據(jù)中未用作樣本的數(shù)據(jù)作為BP網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如果未達(dá)到精度要求則重復(fù)預(yù)訓(xùn)練過程。 

表中所示為對預(yù)訓(xùn)練出來的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試的結(jié)果。 

表　BP網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果 
輸入 26 28 30 
期望輸出 22 23 26 
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出 22.65 24.16 25.73 

系統(tǒng)工作的時(shí)候，BP網(wǎng)絡(luò)首先利用初始權(quán)值對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，以判斷是否達(dá)到預(yù)定的精度。因?yàn)檫@些輸入數(shù)據(jù)是代表軸承具體特性的，如果BP網(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)定精度則說明該BP網(wǎng)絡(luò)與軸承的具體情況是一致的，不對權(quán)值進(jìn)行修改；如果沒有達(dá)到，則說明該BP網(wǎng)絡(luò)與軸承具體情況還不是很一致，必須用BP算法對權(quán)值進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，直至與現(xiàn)場的具體情況趨于一致，真正代表該機(jī)器的具體情況。修正后的權(quán)值保存下來作為下一次BP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的基礎(chǔ)。 

修正SPM方法評定曲線，根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算結(jié)果和軸承更換管理程序傳遞過來的更換評價(jià)，即現(xiàn)場軸承的具體特點(diǎn)和上次軸承更換的及時(shí)程度來進(jìn)行。修正之后的評定曲線可用于測量監(jiān)控系統(tǒng)，以修正和彌補(bǔ)工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的工況條件對于監(jiān)測方法的影響。 

2　工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例 

SPM方法評價(jià)滾動軸承運(yùn)行狀態(tài)的自修正系數(shù)模塊，裝載于南京揚(yáng)子石化公司塑料廠PP造粒機(jī)的軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的分析軟件中，在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行一年多來，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場操作人員多年積累的經(jīng)驗(yàn)，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對原來SPM軸承故障的評價(jià)曲線作了修正，使之基本上符合這臺PP造粒機(jī)軸承運(yùn)行的實(shí)際情況。該造粒機(jī)上的一號軸承是一個外徑360mm，內(nèi)徑200mm，工作轉(zhuǎn)速為1480 r/min的單列向心球軸承。按SPM方法的經(jīng)驗(yàn)曲線，當(dāng)?shù)皖l值為86dB時(shí)，說明軸承已有損傷，應(yīng)引起重視，但實(shí)際現(xiàn)場工作人員數(shù)次在檢修中發(fā)現(xiàn)，達(dá)到上述數(shù)值時(shí)，一號軸承已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，已無法恢復(fù)工作，這充分說明SPM方法的經(jīng)驗(yàn)曲線與具體機(jī)器對象的特性之間存在著一定的差異。據(jù)此，我們用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自修正系數(shù)軟件，對SPM方法的經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行了修正，預(yù)訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)時(shí)初始數(shù)據(jù)使用現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即一號軸承在低頻沖擊值dBm為46dB時(shí)需要引起重視，此時(shí)的高頻值dBc由BP網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得出，這樣經(jīng)修正后的高、低頻值來作為一號軸承的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對不同的軸承逐一進(jìn)行預(yù)學(xué)習(xí)修正以后，每個軸承都有相應(yīng)的評價(jià)運(yùn)動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)場使用一年多來，與以前相比，軸承故障引起停機(jī)的事故明顯減少，保證了造粒機(jī)的長周期安全運(yùn)行。實(shí)踐證明，對SPM方法的評價(jià)曲線修正后的評價(jià)數(shù)據(jù)是符合PP造粒機(jī)的實(shí)際情況，是非常合適的。 

3　結(jié)論 

本文針對工業(yè)現(xiàn)場極其復(fù)雜的工況條件對機(jī)器在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的影響，具體就SPM方法對滾動軸承的監(jiān)測，利用近年來發(fā)展起來的新興人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)，嘗試構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自修正系數(shù)模塊。該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場學(xué)習(xí)后，將能代表現(xiàn)場工況條件和現(xiàn)場對象機(jī)器的具體特點(diǎn)，自適應(yīng)產(chǎn)生代表現(xiàn)場對象機(jī)器具體特點(diǎn)的修正系數(shù)，修正SPM方法評定軸承狀態(tài)的經(jīng)驗(yàn)曲線，以彌補(bǔ)現(xiàn)場復(fù)雜的工況條件對SPM監(jiān)測方法的影響。經(jīng)本系統(tǒng)在中國揚(yáng)子石化公司的實(shí)際運(yùn)行，證明系統(tǒng)的構(gòu)建是成功和可靠的。