小波包濾波在增壓故障診斷中的應(yīng)用

小波包濾波在增壓故障診斷中的應(yīng)用

目前，很少有有效的方法來(lái)診斷機(jī)車(chē)動(dòng)力壓裂的失敗。檢測(cè)或監(jiān)測(cè)增壓器轉(zhuǎn)速是診斷增壓器故障常用辦法之一,目前已研制出了基于不同測(cè)量原理的各種增壓器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng),。部分提速內(nèi)燃機(jī)車(chē)(DF11)已安裝了基于電磁感應(yīng)原理的增壓器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。在一定程度上,該系統(tǒng)的安裝對(duì)于司機(jī)判斷增壓器工作狀態(tài)是否正常起到了積極作用。但是,該系統(tǒng)存在運(yùn)用一段時(shí)間后測(cè)量到的轉(zhuǎn)速誤差大、系統(tǒng)可靠性差的缺點(diǎn)。近幾年,一些新的車(chē)載增壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼問(wèn)世。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)增壓器轉(zhuǎn)速的同時(shí),增加了對(duì)增壓器熱工參數(shù)的監(jiān)測(cè)。因此,其對(duì)增壓器工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、診斷效果有所增強(qiáng)。但是,此類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在一定的不足:一方面,沒(méi)有克服原有車(chē)載增壓器轉(zhuǎn)速測(cè)量中存在的問(wèn)題;另一方面,增壓器的某些機(jī)械故障對(duì)熱工參數(shù)并不敏感,通過(guò)監(jiān)測(cè)熱工參數(shù)很難發(fā)現(xiàn)此類(lèi)故障。對(duì)此類(lèi)機(jī)械故障,如果不能做到及早發(fā)現(xiàn),不能在其釀成重大故障之前進(jìn)行預(yù)報(bào),則可能進(jìn)一步造成增壓器完全報(bào)廢、柴油機(jī)損傷、機(jī)破等惡性事故的發(fā)生,從而危及行車(chē)安全。國(guó)內(nèi)、外多年的故障診斷實(shí)踐表明,基于振動(dòng)信號(hào)分析的監(jiān)測(cè)、診斷方法是診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障行之有效的方法。既然增壓器也屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械,那么通過(guò)對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)的分析也應(yīng)該能診斷其早期機(jī)械故障?；谶@種想法,我們開(kāi)始了利用振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)診斷增壓器故障的研究工作。一年多的理論研究和實(shí)踐探索表明采用振動(dòng)信號(hào)分析的方法對(duì)增壓器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),確實(shí)能發(fā)現(xiàn)一些其他方法不易發(fā)現(xiàn)的早期故障。本文將就如何利用振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)監(jiān)測(cè)、診斷增壓器故障展開(kāi)討論。此外,文獻(xiàn)中提出了基于振動(dòng)信號(hào)分析的增壓器轉(zhuǎn)速估計(jì)方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)振動(dòng)法),但對(duì)振動(dòng)法的估計(jì)原理、影響估計(jì)精度的因素以及如何提高估計(jì)精度等問(wèn)題并沒(méi)有作深入地探討,本文對(duì)這些問(wèn)題也將展開(kāi)討論。對(duì)于如何利用振動(dòng)法估計(jì)出的轉(zhuǎn)速信息,提高監(jiān)測(cè)、診斷的準(zhǔn)確性也進(jìn)行了研究。1振動(dòng)激勵(lì)源及轉(zhuǎn)速增壓器的各類(lèi)機(jī)械故障如渦輪葉片嚴(yán)重積炭、掃膛、葉片缺角、葉片脫落、軸承燒損、軸承間隙過(guò)大等,都會(huì)以某種型式在增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)中有所體現(xiàn)。對(duì)于增壓器殼體上某點(diǎn)的振動(dòng)可以建立如下信號(hào)分析模型:g(t)=1∑i=1∫+∞-∞hi(τ)yi(t-τ)dτ+∫+∞-∞hj(τ)zj(t-τ)dτ+Κ∑k=1∫+∞-∞hk(τ)vk(t-τ)dτ+n(t)(1)式(1)中yi(t)為各種以增壓器工作頻率為周期的諧波振動(dòng)激勵(lì)。yi(t)=aicos(2πfrt+θi)(2)式中fr為增壓器工作頻率。眾所周知,轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不好會(huì)產(chǎn)生這樣的周期性振動(dòng)激勵(lì)。當(dāng)增壓器發(fā)生以上所述機(jī)械故障時(shí),這些故障會(huì)破壞原有增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)平衡,產(chǎn)生附加動(dòng)不平衡量。這些附加動(dòng)不平衡也將產(chǎn)生以增壓器工作頻率為周期的諧波振動(dòng)激勵(lì),它們都可用式(2)來(lái)表示。故障越嚴(yán)重,由故障產(chǎn)生的附加動(dòng)不平衡量越大,這種諧波振動(dòng)的振動(dòng)幅值越大,即式(2)中的ai越大。zj(t)為壓氣機(jī)端空氣通過(guò)葉片時(shí)產(chǎn)生的周期性振動(dòng)激勵(lì),該振動(dòng)激勵(lì)可以用如下等式表示:zj(t)=n∑i=1bicos(2πnΝfrt+θi)(3)式中N為壓氣機(jī)的葉片數(shù)。式(1)中vk(t)表示增壓器中存在的其他振動(dòng)激勵(lì)源;n(t)表示外界激勵(lì)在測(cè)量點(diǎn)產(chǎn)生的寬頻噪聲振動(dòng),該噪聲振動(dòng)源主要來(lái)自柴油機(jī)產(chǎn)生的各種振動(dòng);hi(t)、hj(t)、hk(t)為增壓器中各種振動(dòng)激勵(lì)源至測(cè)量點(diǎn)之間傳遞函數(shù)的時(shí)域表示。將式(2)代入式(1)可得:Ι∑i=1∫+∞-∞hi(τ)yi(t-τ)dτ=Ι∑i=1|Ηi(j2πfr)|?aicos(2πfrt+θi+?i)(4)式(4)中|Ηi(j2πfr)|為信號(hào)由激勵(lì)點(diǎn)傳遞到測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的幅度增益;?i為信號(hào)由激勵(lì)點(diǎn)傳遞到測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的相移;θi為激勵(lì)信號(hào)相位。對(duì)式(4)進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得:Ι∑i=1|Ηi(j2πfr)|aicos(2πfrt+θi+?i)=Rcos(2πfrt+φ)(5)式(5)中R、φ是全體|Ηi(j2πfr)|、ai和θi+?i的非線性函數(shù)。當(dāng)增壓器存在以上提到的機(jī)械故障時(shí),理論上式(5)中I≥2。但是,一旦發(fā)生故障后,由故障導(dǎo)致的振動(dòng)要遠(yuǎn)強(qiáng)于原有轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的振動(dòng),且在故障發(fā)展的初期,同時(shí)出現(xiàn)幾種故障的概率比較小,因此,可以近似認(rèn)為I等于1。在I=1條件下,式(5)可化簡(jiǎn)成下式:|Ηi(j2πfr)|aicos(2πfrt+θi+?i)=Rcos(2πfrt+φ)(6)由式(6)可知,R只與|Ηi(j2πfr)|和ai相關(guān)。影響|Ηi(j2πfr)|大小的因素主要是測(cè)點(diǎn)位置和增壓器轉(zhuǎn)速。一旦測(cè)點(diǎn)位置和增壓器轉(zhuǎn)速固定下來(lái),則|Ηi(j2πfr)|可以認(rèn)為是常數(shù),這樣R直接正比于ai,而ai的大小與故障的嚴(yán)重程度成正比。因此,基于以上簡(jiǎn)化,在絕大多數(shù)情況下,R的大小直接反映了故障的嚴(yán)重程度,監(jiān)視R的變化趨勢(shì)不但可以發(fā)現(xiàn)故障,而且可以預(yù)測(cè)故障的發(fā)展。由式(6)可知其周期振動(dòng)的頻率就是增壓器的工作頻率,因此,如果能根據(jù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)估計(jì)出該頻率值,就可以計(jì)算出增壓器轉(zhuǎn)速。計(jì)算公式為:nr=60fr(7)將式(3)代入式(1)右邊等式的第二項(xiàng)后,可得到下式:∫+∞-∞hj(τ)zj(t-τ)dτ=n∑i=1|Ηj(j2πnΝfr)|bicos(2πnΝfrt+θi+?i)(8)由式(8)可知,壓氣機(jī)端空氣通過(guò)葉片時(shí)產(chǎn)生的周期性激勵(lì)在測(cè)點(diǎn)位置激起的振動(dòng)基頻為Nfr。因此,如果能根據(jù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)估計(jì)出該基頻,同樣可以計(jì)算出增壓器轉(zhuǎn)速。式(1)等式右邊的第3項(xiàng)所包含的信號(hào)能量與其他3項(xiàng)相比相對(duì)較小,其頻率分布也較寬,雖然該部分信號(hào)中也包含少量有用信息,但這些有用信息往往被噪聲所淹沒(méi),提取這部分信息有很大的難度。因此,對(duì)于監(jiān)測(cè)、診斷工作來(lái)說(shuō),可以認(rèn)為此項(xiàng)是與式(1)等式右邊的第4項(xiàng)性質(zhì)相似的寬頻噪聲。在這種假設(shè)條件下,可以將式(1)等式右邊的第3項(xiàng)合并至第4項(xiàng)。經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化,并將式(5)和式(8)代入式(1)得:g(t)=Rcos(2πfrt+φ)+n∑i=1|Ηj(j2πnΝfr)|bicos(2πnΝfrt+θi+?i)+n(t)(9)式(9)表明增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)可以被認(rèn)為是由頻率為fr的正弦信號(hào)、基頻為Nfr的一組諧波信號(hào)以及隨機(jī)噪聲信號(hào)共同構(gòu)成。裝在提速內(nèi)燃機(jī)車(chē)上的254或290型增壓器其正常工作轉(zhuǎn)速范圍是0～30000r/min,壓氣機(jī)端裝有大、小葉片各10片,共20片。因此,fr的變化范圍為0～500Hz。當(dāng)認(rèn)為壓氣機(jī)端空氣通過(guò)大小葉片均能產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)時(shí),則N=20,諧波信號(hào)基頻Nfr的變化范圍為0～10000Hz。為了驗(yàn)證式(9)建立的信號(hào)分析模型是否合理以及觀察隨機(jī)噪聲信號(hào)n(t)的噪聲級(jí)大小及分布情況,在不同增壓器轉(zhuǎn)速下,以采樣頻率fs=25600Hz對(duì)增壓器殼體振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行了采集。采集到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形及其幅值譜見(jiàn)圖1、圖2。分析這兩幅圖可以看出,當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速較低(10890r/min)時(shí),在幅值譜上看不到頻率為fr的正弦振動(dòng)和基頻為Nfr的一組諧波振動(dòng)產(chǎn)生的譜峰,這兩種振動(dòng)信號(hào)完全被隨機(jī)背景噪聲所淹沒(méi)。當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速較高時(shí)(18860r/min)時(shí),在幅值譜上可以看到頻率為fr的正弦振動(dòng)和基頻為Nfr的一組諧波振動(dòng)產(chǎn)生的譜峰,圖2中3個(gè)箭頭標(biāo)注出的頻率從左至右分別對(duì)應(yīng)fr、10fr、20fr。從圖中可以看出在0～500Hz頻率范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的譜峰最突出,自動(dòng)識(shí)別此頻率成分比較容易。10fr、20fr對(duì)應(yīng)的譜峰在局部范圍內(nèi)是最高的,但在0～10000Hz的頻率范圍內(nèi)則不是很突出,對(duì)這些頻率成分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別有一定的難度。通過(guò)以上分析,可以得出式(9)建立的信號(hào)分析模型與實(shí)測(cè)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)非常吻合,式(9)建立的信號(hào)分析模型是合理的。分析圖1、圖2還可得出以下結(jié)論:①增壓器轉(zhuǎn)速對(duì)信噪比影響很大。對(duì)轉(zhuǎn)頻一階幅值R的監(jiān)測(cè),應(yīng)在較高的增壓器轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。②實(shí)際的隨機(jī)背景噪聲是有色噪聲,其頻率分布雖然是寬頻的,但主要集中在中高頻,低頻段信噪比高,中高頻段信噪比低。③增壓器轉(zhuǎn)速較低時(shí),振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)不能估計(jì)出增壓器轉(zhuǎn)速。2振動(dòng)法監(jiān)視轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在第2節(jié)中已經(jīng)指出振動(dòng)法測(cè)量轉(zhuǎn)速存在的主要問(wèn)題——其轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍有限。因此,振動(dòng)法不能作為測(cè)量增壓器轉(zhuǎn)速的主要手段。但可以用振動(dòng)法作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的輔助手段,監(jiān)視基于電磁感應(yīng)原理的增壓器轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)工作的狀況。在振動(dòng)法可測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),將其測(cè)量到的轉(zhuǎn)速與電磁法測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,如二者之差在允許范圍之內(nèi),則判斷電磁測(cè)速系統(tǒng)自身工作正常。否則,認(rèn)為其出現(xiàn)故障。此外,一旦電磁測(cè)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障,采用振動(dòng)法仍可以對(duì)部分轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；谝陨蟽牲c(diǎn),在采用電磁法測(cè)量轉(zhuǎn)速的同時(shí),采用振動(dòng)法測(cè)量轉(zhuǎn)速是十分必要的。2.1壓電振動(dòng)監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)速估計(jì)算法的基本原理以下討論均假定在振動(dòng)法可測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行。在第1節(jié)中已經(jīng)指出要估計(jì)出轉(zhuǎn)速nr只需估計(jì)出fr,然后根據(jù)式(7)就可估計(jì)出nr。由式(9)可知,式(9)等式右邊的第1、2項(xiàng)中均含有fr,因此通過(guò)它們都可能估計(jì)出fr。但是由上節(jié)對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的分析可知,噪聲信號(hào)主要分布在中、高頻區(qū)域,而式(8)表示的信號(hào)正好位于此區(qū)域。因此,式(8)表示的信號(hào)信噪比低,用它來(lái)估計(jì)fr,估計(jì)錯(cuò)誤的概率非常大。因此,我們不采用式(8)而用式(6)表示的信號(hào)估計(jì)fr。式(9)等式右邊的第1、2項(xiàng)均是由諧波信號(hào)項(xiàng)組成,各自的諧波頻率相差很遠(yuǎn),在振動(dòng)法可測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),它們的譜線之間不會(huì)發(fā)生干涉。通過(guò)濾波處理,可以將它們分開(kāi)。選擇合適的頻率范圍對(duì)式(8)表達(dá)的信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理后可得到下式:g1(t)=Rcos(2πfrt+φ)+n1(t)(10)式中n1(t)為噪聲項(xiàng)。因此,對(duì)fr的估計(jì)問(wèn)題實(shí)際上就轉(zhuǎn)化成在噪聲環(huán)境下單一正弦信號(hào)的頻率估計(jì)問(wèn)題。當(dāng)n1(t)為零時(shí),對(duì)于單一正弦信號(hào),對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換后,在頻域內(nèi),只在其對(duì)應(yīng)的頻率處存在譜線,其他處為零。根據(jù)單一正弦信號(hào)的這個(gè)特點(diǎn),我們得到單一正弦信號(hào)的頻率估計(jì)算法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DFT估計(jì)頻率算法):①對(duì)分析信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)?以一定的采樣頻率fs對(duì)其離散采樣,得到N點(diǎn)的離散時(shí)間序列,x0,x1,x2,…,xN-1;②對(duì)N點(diǎn)的離散序列進(jìn)行DFT變換x(k)=Ν-1∑n=0x(n)e-j2πΝkn(k=0,1,??Ν2-1)；③求max(|x(k)|)所對(duì)應(yīng)的k值,設(shè)其為～k;④單一正弦信號(hào)的頻率估計(jì)值為～kΝfs。DFT的頻率分辨率Δf=fsΝ,當(dāng)信號(hào)實(shí)際頻率位于最大譜線和次大譜線的正中間時(shí),按DFT估計(jì)頻率算法估計(jì)出的頻率誤差最大,最大誤差為fs2Ν。設(shè)被截?cái)啻治鲂盘?hào)的時(shí)間長(zhǎng)度為Τ(Τ=Νfs),則估計(jì)出的頻率最大誤差為12Τ。因此,待分析信號(hào)的長(zhǎng)度越長(zhǎng),誤差越小。但需特別指出的是實(shí)際信號(hào)往往只是在一段時(shí)間內(nèi)頻率是近似穩(wěn)定不變的(比如增壓器振動(dòng)信號(hào)),如不考慮實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn),為了減小頻率估計(jì)誤差盲目地增大T,有可能反而增大了估計(jì)誤差,因此T必須根據(jù)實(shí)際信號(hào)的性質(zhì)確定。噪聲環(huán)境下單一正弦信號(hào)的頻率估計(jì)也可按DFT估計(jì)頻率算法進(jìn)行估計(jì)。只要信噪比不是特別低,max(|x(k)|)所對(duì)應(yīng)k值的位置就不會(huì)發(fā)生改變,則按此估計(jì)出的頻率最大誤差不會(huì)大于fsΝ。因此,可以按DFT估計(jì)頻率算法對(duì)式(10)中fr進(jìn)行估計(jì),然后計(jì)算出nr。按式(10)估計(jì)出的nr最大誤差為30fsΝ。分析圖2所示信號(hào)時(shí),采樣點(diǎn)數(shù)N=4096,采樣頻率fs=25600Hz。在此條件下,按式(10)估計(jì)出的nr最大誤差為187.5r/min?？紤]到一階轉(zhuǎn)頻幅值R的估計(jì)只與式(10)有關(guān),因此,增壓器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)速估計(jì)問(wèn)題就可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成式(10)中單一正弦信號(hào)的幅值和頻率估計(jì)問(wèn)題。根據(jù)以上分析,提出增壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)速估計(jì)的具體實(shí)施方法:①振動(dòng)加速度傳感器拾取增壓器殼體振動(dòng)信號(hào),并通過(guò)電荷放大器、電壓放大器將其轉(zhuǎn)換成合適值的電壓信號(hào),再利用截止頻率為2000Hz的八階巴特沃斯模擬低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理,最后以fs=5120Hz的采樣速率對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,總共采集2048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。②對(duì)采集到的離散信號(hào)進(jìn)行4級(jí)離散小波包變換,保留第4級(jí)小波包變換中160～240、240～480、480～640Hz頻段的所有小波包系數(shù),而將其他頻段的所有小波包系數(shù)置零后,進(jìn)行重構(gòu)。③對(duì)小波包重構(gòu)后的2048點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換。④搜尋幅值譜正頻率部分,首先尋找出譜線幅值(|x(～k)|)最大對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)(～k),并記下其幅值及相應(yīng)的頻率值。然后在不考慮～k-2、～k-1、～k、～k+1、～k+2點(diǎn)的情況下,對(duì)其他點(diǎn)繼續(xù)搜尋,在這些點(diǎn)的搜尋譜線中幅值最大的3條,并被記為:|x(k1)|、|x(k2)|、|x(k3)|。令|x(～k)|=a?(|x(k1)|+|x(k2)|+|x(k3)|)/3=b,如a/b≥2.5,則認(rèn)為|x(～k)|)是一階轉(zhuǎn)頻幅值的較好估計(jì),即2.5～k為一階轉(zhuǎn)頻的較好估計(jì),并繼續(xù)執(zhí)行下一步操作;否則,認(rèn)為此次采集到的信號(hào)信噪比太低,不能用于增壓器轉(zhuǎn)速及一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì),放棄對(duì)最大譜線幅值及相應(yīng)頻率值的保存,不再執(zhí)行下一步操作,直接退出。⑤采用幅值比值法對(duì)上一步估計(jì)出的一階轉(zhuǎn)頻頻率、幅值進(jìn)行校正,進(jìn)一步提高頻率、幅值的估計(jì)精度。并將估計(jì)出的頻率換算成增壓器轉(zhuǎn)速后,成對(duì)保存增壓器轉(zhuǎn)速和一階轉(zhuǎn)頻幅值。⑥將估算出來(lái)的增壓器轉(zhuǎn)速與電磁法測(cè)量到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較,如二者之差大于250r/min,則認(rèn)為電磁測(cè)速系統(tǒng)有可能存在故障。如在接下來(lái)的測(cè)量中連續(xù)進(jìn)行3次比較,均出現(xiàn)二者之差大于250r/min的情況,則判斷電磁測(cè)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障,并給出報(bào)警提示。方法的第1步主要是為了滿足式(10)的要求,濾除空氣通過(guò)葉片時(shí)產(chǎn)生的諧波周期振動(dòng)信號(hào)和大部分高頻隨機(jī)噪聲;第2、3步是利用小波包分解,實(shí)質(zhì)是多通道濾波器的特性,濾除與估計(jì)無(wú)關(guān)頻段的信號(hào),從而消除它們對(duì)估計(jì)可能產(chǎn)生的不利影響;第4步的目的是避免利用低信噪比信號(hào)(例如圖1所示信號(hào))進(jìn)行估計(jì),從而消除由此產(chǎn)生的估計(jì)錯(cuò)誤。第5步的目的是突破DFT頻率分辨率的限制,提高頻率、幅值的估計(jì)精度。第6步中要求連續(xù)進(jìn)行3次比較,二者之差均大于250r/min時(shí),才判斷電磁測(cè)速系統(tǒng)出現(xiàn)故障,是為了防止由于偶然測(cè)量誤差導(dǎo)致發(fā)生的虛報(bào)故障現(xiàn)象。2.2小波包濾波噪聲和頻率分析對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包降噪濾波的目的是濾除與估計(jì)無(wú)關(guān)頻段信號(hào),從而消除它們對(duì)估計(jì)可能產(chǎn)生的不利影響。利用小波包分解算法對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行4層分解,在第4層得到16個(gè)小波包系數(shù),其總的信號(hào)表示為:d=d(4,0)+d(4,1)+???+d(4,15)+d(4,16)(11)式(11)將信號(hào)分成16個(gè)頻段。每個(gè)頻段的頻率范圍為kfs32,(k+1)fs32,k=0,1,??15。對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)的采集是以采樣速率fs=5120Hz進(jìn)行的,因此,其每個(gè)頻段的頻率范圍為160k,160(k+1)。需注意的是小波包分解存在頻帶錯(cuò)位現(xiàn)象,小波包系數(shù)的自然排序并不是按頻帶由低到高的順序排列的。小波包系數(shù)自然順序的格雷碼對(duì)應(yīng)其在頻帶排序中的位置,對(duì)小波包系數(shù)自然順序按此規(guī)律調(diào)整后,可得到按頻帶由低到高順序排列的小波包系數(shù)。如前所述,在振動(dòng)法的正常測(cè)量轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),一階轉(zhuǎn)頻的變化范圍為200～500Hz,因此,針對(duì)轉(zhuǎn)頻信號(hào)的頻率和幅值估計(jì)問(wèn)題,其他頻段的信號(hào)是噪聲,應(yīng)該被濾掉。16個(gè)小波包系數(shù)中只有160～240Hz(d(4,1))、240～480Hz(d(4,3))、480～640Hz(d(4,2))這3個(gè)頻段的小波包系數(shù)含有有用信息,因此,僅保留這3個(gè)頻段的小波包系數(shù),而將其他頻段的小波包系數(shù)置為0,利用按照小波包重構(gòu)算法進(jìn)行重構(gòu),重構(gòu)的信號(hào)將只含有這3個(gè)頻段信號(hào)的時(shí)域波形,這樣就達(dá)到了對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪的目的。圖3所示的是實(shí)測(cè)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)及經(jīng)過(guò)小波包降噪濾波處理后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜。分析圖3可以看到小波包降噪濾波效果。圖3(a)顯示的是原始信號(hào),該信號(hào)是執(zhí)行增壓器轉(zhuǎn)速及一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)方法中的第1步操作后獲得的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。采集這段數(shù)據(jù)時(shí),增壓器轉(zhuǎn)速23300r/min(即轉(zhuǎn)頻388.3Hz)。分析圖3(b)所示的原始信號(hào)幅值譜圖,可以看出盡管在局部頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)頻峰值十分突出,但在100Hz以內(nèi)的低頻段,存在譜線幅值比轉(zhuǎn)頻峰值還突出的譜峰值。在這種情況下,按估計(jì)方法的第4步操作進(jìn)行頻率估計(jì),不能得到轉(zhuǎn)頻的正確估計(jì)。圖3(c)顯示的是經(jīng)過(guò)小波包濾波降噪處理后的信號(hào),圖3(d)是其幅值譜圖,從圖上可以看出,經(jīng)過(guò)小波包降噪濾波處理后,在整個(gè)頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)頻峰值最突出且信噪比得到提高。在這種情況下,按估計(jì)方法的第4步操作進(jìn)行頻率估計(jì),可以得到轉(zhuǎn)頻的近似正確估計(jì)。2.3幅值比定的修正通過(guò)對(duì)增壓器殼體振動(dòng)信號(hào)分析模型的簡(jiǎn)化,轉(zhuǎn)速及一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)問(wèn)題實(shí)際上可以認(rèn)為是噪聲環(huán)境下正弦信號(hào)的頻率、幅值估計(jì)問(wèn)題。按增壓器轉(zhuǎn)速及一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)方法第4步對(duì)轉(zhuǎn)速、一階轉(zhuǎn)頻幅值進(jìn)行估計(jì),實(shí)質(zhì)是采用DFT估計(jì)正弦信號(hào)的頻率、幅值。此估計(jì)只是真值的粗估計(jì)。在粗估計(jì)基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不少精確估計(jì)正弦信號(hào)的頻率、幅值的方法:幅值比值法、相位差法、能量重心法等。這些方法都在一定程度上提高了估計(jì)精度。對(duì)于轉(zhuǎn)速、一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)的修正,可以采用幅值比值法對(duì)粗估計(jì)值進(jìn)行修正。限于文章篇幅,在此對(duì)幅值比值法的原理不作介紹,只給出對(duì)轉(zhuǎn)速、一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)修正的結(jié)果。圖4是在增壓器轉(zhuǎn)速18860r/min(注:此轉(zhuǎn)速是由電磁法測(cè)得的轉(zhuǎn)速,電磁測(cè)速系統(tǒng)工作正常時(shí),轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差小于1‰)時(shí),實(shí)測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。從譜圖上可以看出,DFT估計(jì)出的fr=315Hz,換算成轉(zhuǎn)速nr=18900r/min,DFT直接估計(jì)出的一階轉(zhuǎn)頻幅值R=4.8756g。經(jīng)過(guò)幅值比值法修正后的結(jié)果:?fr=314.8673Hz,?nr=18892r/min;R=4.8983g。根據(jù)電磁法轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差范圍可推算出精確的轉(zhuǎn)速應(yīng)在18841～18889r/min之間。因此,經(jīng)過(guò)幅值比值法修正后,轉(zhuǎn)速估計(jì)精度有提高。修整前后估計(jì)值相差無(wú)幾的原因是信號(hào)近似整周期截?cái)嗖蓸?實(shí)際轉(zhuǎn)頻在譜圖中的位置非常靠近DFT中最大譜線位置。圖5是在增壓器轉(zhuǎn)速18820r/min時(shí),實(shí)測(cè)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。DFT估計(jì)出的fr=312.5Hz,換算成轉(zhuǎn)速nr=18750?r/min;DFT估計(jì)出的一階轉(zhuǎn)頻幅值R=3.5445g。經(jīng)過(guò)幅值比值法修正后的結(jié)果:?fr=313.69Hz,?nr=18821r/min;R=5.3159g。其精確的轉(zhuǎn)速應(yīng)在18802～18838r/min之間,因此,經(jīng)過(guò)幅值比值法修正后,轉(zhuǎn)速估計(jì)精度有較大提高。圖4和圖5是同一測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻所測(cè)得的信號(hào),由于兩次測(cè)量轉(zhuǎn)速相差不大,因此,兩次測(cè)量信號(hào)的實(shí)際一階轉(zhuǎn)頻幅值應(yīng)該相差不大。圖5所示信號(hào)修正前一階轉(zhuǎn)頻幅值與圖4所示信號(hào)的一階轉(zhuǎn)頻幅值相比相差較大,而修正后一階轉(zhuǎn)頻幅值與圖4所示信號(hào)的一階轉(zhuǎn)頻幅值相比相差較小。因此,修正后的一階轉(zhuǎn)頻幅值應(yīng)是實(shí)際一階轉(zhuǎn)頻幅值的更精確估計(jì)。經(jīng)過(guò)修正后,一階轉(zhuǎn)頻幅值的估計(jì)精度有很大提高。造成圖6信號(hào)轉(zhuǎn)頻及其幅值修正前后差別較大的原因是實(shí)際轉(zhuǎn)頻在譜圖中的位置非常接近最大頻率誤差所處的位置(即位于最大譜線與次大譜線的正中間)。以上分析的結(jié)果表明本節(jié)給出的增壓器轉(zhuǎn)速、一階轉(zhuǎn)頻幅值估計(jì)方法確實(shí)有較高的估計(jì)精度,修正方法給出的一階轉(zhuǎn)頻幅值的估計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)速的微弱波動(dòng)不敏感,實(shí)現(xiàn)一階轉(zhuǎn)頻幅值較精確的估計(jì)。利用其估計(jì)的一階轉(zhuǎn)頻幅值來(lái)監(jiān)測(cè)增壓器的狀態(tài),易于提早發(fā)現(xiàn)故障和追蹤故障的發(fā)展。3振動(dòng)識(shí)別法的應(yīng)用基于上述的增壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)速估計(jì)方法,我們開(kāi)發(fā)了TKDTFD-Ⅰ型車(chē)載增壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)部分。為了全面地掌握增壓器狀態(tài),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)不僅包括增壓器的轉(zhuǎn)速、振動(dòng),還包括一些重要的熱工參數(shù)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2005年11月下旬開(kāi)始在1臺(tái)DF11型機(jī)車(chē)上裝車(chē)試用,隨車(chē)監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)上兩臺(tái)增壓器的工作狀態(tài)。在裝車(chē)試用半年多的時(shí)間里,利用振動(dòng)測(cè)轉(zhuǎn)速的方法發(fā)現(xiàn)了原有機(jī)車(chē)電磁測(cè)速系統(tǒng)的故障。圖6記錄的是2006年3月7日6∶54至7∶04這個(gè)時(shí)間段內(nèi)由電磁測(cè)速系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的增壓器轉(zhuǎn)速。從圖6可以看出,后增壓器的轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)前文所述的判斷電磁測(cè)速系統(tǒng)故障的方法,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)排除了是增壓器自身問(wèn)題造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)的可能性,而判斷是后增壓器電磁測(cè)速系統(tǒng)發(fā)生故障。在部分轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)(圖6中編號(hào)為51～60),不同測(cè)速方法測(cè)量的轉(zhuǎn)速值列于表1。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)報(bào)增壓器電磁測(cè)速系統(tǒng)故障后,我們對(duì)電磁測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行了檢查,檢查發(fā)現(xiàn)電磁傳感器安裝座松動(dòng)。安裝座松動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量到的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。對(duì)電磁傳感器安裝座重新緊固后,故障消除。因此,通過(guò)振動(dòng)測(cè)速法,發(fā)現(xiàn)了電磁測(cè)速系統(tǒng)故障,避免了系統(tǒng)誤報(bào)。車(chē)載增壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)增壓器狀態(tài)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)半年以上的監(jiān)測(cè),積累了大量的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)。我們對(duì)一些特定轉(zhuǎn)速下振動(dòng)信號(hào)的一階轉(zhuǎn)頻幅值的變化趨勢(shì)進(jìn)行了跟蹤。圖7顯示了增壓器轉(zhuǎn)速處于18300～18