基于共振解調(diào)技術(shù)的齒輪箱故障診斷

1、基于共振解調(diào)技術(shù)的齒輪箱故障診斷1.共振解調(diào)共振解調(diào)技術(shù)又稱之為包絡(luò)分析技術(shù)，是滾動(dòng)軸承故障診斷常用的方法之一。它通過(guò)包絡(luò)分析方法提取掩埋在振動(dòng)中的由軸承故障引起的沖擊信息，而后輸出一個(gè)與故障沖擊對(duì)應(yīng)的、放大了的，并且去除了常規(guī)振動(dòng)信號(hào)干擾的共振解調(diào)信號(hào)，繼而對(duì)該共振解調(diào)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，最后結(jié)合滾動(dòng)軸承特征頻率逬行診斷故障。1.1共振解調(diào)技術(shù)診斷原理共振解調(diào)技術(shù)是根據(jù)故障滾動(dòng)軸承在信號(hào)中出現(xiàn)的調(diào)制現(xiàn)象，通過(guò)帶通濾波器選取攜帶故障信息的調(diào)制信號(hào)，然后經(jīng)包絡(luò)解調(diào)技術(shù)將故障信號(hào)從調(diào)制信號(hào)中分離出來(lái)，逬而通過(guò)查看其頻譜圖中是否出現(xiàn)突出的特征頻率的譜線來(lái)診斷軸承是否發(fā)生故障及故障類型，其原理示意圖如圖

2、1所示。圖1共振解調(diào)原理圖1.2共振解調(diào)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)共振解調(diào)技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是硬件解調(diào)，通過(guò)硬件帶通濾波器、檢波電路和低通濾波器實(shí)現(xiàn)；另一種是基于希爾伯特變換（HT）的解調(diào)原理，用軟件的數(shù)字方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。硬件解調(diào)不是通過(guò)直接分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷的，而且該方法尚存在一些不足之處。如：硬件設(shè)備的價(jià)格較為昂貴，使用不靈活，針對(duì)不同的故障診斷胃況，變化帶通濾波、低通濾波等運(yùn)算參數(shù)較困難和體積、重量比較大、不易攜帶等。相比而言，軟件解調(diào)有著不需要太多的外圍設(shè)備，參數(shù)設(shè)置靈活，受到周?chē)ぷ鳝h(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)。因此本文主要研究的是基于軟件解調(diào)的共振解調(diào)技術(shù)。軟件解調(diào)的關(guān)鍵是利用希爾伯

3、特變換求取選擇的高頻固有振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)。希爾伯特變換是通過(guò)讓測(cè)試信號(hào)的相位移動(dòng)90。,然后將移動(dòng)相位后的信號(hào)與原信號(hào)組成一個(gè)解析信號(hào)，該解析信號(hào)就是所求的包絡(luò)信號(hào)。1)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的希爾伯特變換給定一連續(xù)的時(shí)間信號(hào)x(t),其希爾伯特變換定義為:邇)=HxW=汀二啓心=汀二年=邇)唁(Dx(t)可以看成是濾波器的輸出，該濾波器的單位沖擊響應(yīng)為h(t)=士。而jh(t)=£得傅里葉變換時(shí)符號(hào)函數(shù)sgn(3),因此希爾伯特變換器的頻響特性為：!/co>0j3V0co>0記H(j3)=|H(j3)|e(3),那么|H(j3)|=1,(P(3)=/，這意味著希爾伯特變換器是幅頻特

4、性為1的全通濾波器。信號(hào)X(t)經(jīng)希爾伯特變換器后，其負(fù)頻率成分作正90。相位移動(dòng)，而正頻率成分做負(fù)90。相位移動(dòng)。設(shè)z(t)是x(t)的解析信號(hào)，定義z(t)=x(t)+jF(t),對(duì)等式兩邊做傅里葉變換得：z(j3)=x(j3)+網(wǎng)3)=Xg+jHO)XO)(3)將式(2)代入式(3),可得：Z(j3)=叱!f0>°由此可以看出，由希爾伯特變換構(gòu)成的解析信號(hào)，只含有正頻率成分，且其幅值是原信號(hào)正頻分量福值的兩倍。2)離散時(shí)間信號(hào)的希爾伯特變換給定離散時(shí)間信號(hào)x(n)的希爾伯特變換充),希爾伯特變換器的單位沖擊響應(yīng)為h(n),由連續(xù)時(shí)間信號(hào)希爾伯特變換性質(zhì)及H(j3)和H(川

5、)的關(guān)系，得：可得：h(n)=命匚Hjf)曲df=l.fjejfndf_l.jejfndf0n為偶數(shù)2(7)-n為奇數(shù)nn£(町=x(n)*h(n)=紜紅一8“囂"(8)求出£(疋)后，即可構(gòu)成x(n)的解析信號(hào):z(n)=x(n)+jx(n)(6)(9)|z®)|就是離散時(shí)間序列x(n)的包絡(luò)。對(duì)求岀的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后對(duì)其頻率進(jìn)行分析而后將其用于滾動(dòng)軸承的故障診斷。2.共振解調(diào)法故障診斷仿真實(shí)驗(yàn)0604BlMtW(a)時(shí)域波形設(shè)置采樣率20H乙采樣點(diǎn)數(shù)為4096，該外圈故障模型的時(shí)域波形和頻域波形如2所示。$6Te910C2ot5w(b)頻城波

6、形圖2故障信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行在處理，對(duì)其進(jìn)行去趙勢(shì)項(xiàng)和小波降噪處理，如圖3所示。£、£學(xué)4060S)1(X1123140160t90200(a)去趙勢(shì)項(xiàng)(b)小波降噪圖3對(duì)信號(hào)迸疔去趙勢(shì)項(xiàng)和小波降噪處理將信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，所得圖形如圖4所示。025Mir,0»««WKU129140WOtoo200圖4帶通濾波由頻譜圖可知在固有頻率處有邊頻信號(hào)存在，然而在實(shí)際滾動(dòng)軸承故障診斷中，存在大量的信號(hào),難以直接從頻譜圖中分辨出故障持征信號(hào)，因此先經(jīng)帶通濾波提取高頻固有振動(dòng)信號(hào)，然后再用希爾伯特變換進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的包絡(luò)信號(hào)及其頻譜圖如圖5所

7、示。02040<0lOKDUOMOieDtfiXD啊、03Q2S020.15010.050OOS11522S33544S5傾林z0.2502Q1$010.050圖5包絡(luò)信號(hào)及其頻譜圖由圖5可知，通過(guò)帶通濾波的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)希爾伯特變換解調(diào)后的時(shí)域波形故障特征仍然不是很明顯，然而頻譜圖只存在一條明顯的譜線，該譜線頻率正好是外圈故障特征頻率,該仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明希爾伯特變換的解調(diào)方法在滾動(dòng)軸承故障診斷中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。3結(jié)論滾動(dòng)軸承損傷后產(chǎn)生的沖擊信號(hào)不僅會(huì)引起軸承整個(gè)部件的共振,同時(shí)又會(huì)與其它信號(hào)互相調(diào)制，共同存在于軸承系統(tǒng)的共振信號(hào)中,通過(guò)截取一段共振信號(hào)再進(jìn)行解調(diào)，得到反映故障特征頻率的包絡(luò)信號(hào)，然后采用頻譜分析或時(shí)頻分析對(duì)此包絡(luò)逬行分析,可診斷出滾動(dòng)軸承的故障。所以共振解調(diào)就是這樣的分析過(guò)程，它是診斷滾動(dòng)軸承損傷類故障的一種有效方法，特別適用于故障的早期階段。共振解調(diào)技術(shù)一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)1）帶通濾波：以某一共振頻率為中心截取一段高頻共振信號(hào)。2）包絡(luò)檢波：對(duì)截取下來(lái)的高頻共振信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)。3）對(duì)包絡(luò)采用各種信號(hào)分析的方法。包括譜分析和時(shí)頻分析。共振解