基于EMD與AR譜的某型艦炮減速器故障診斷

劉志偉

(海軍士官學(xué)校 兵器系，安徽 蚌埠 233012)

某型艦炮的減速器主要起到減小馬達(dá)的負(fù)載力矩，使操作靈活的作用。它可以將來自于液壓馬達(dá)的動力傳遞給凸輪箱、定位驅(qū)動裝置和揚彈機，是火炮正常發(fā)揮效能必不可少的裝置。因此對減速器進行故障診斷研究具有十分重要的意義。

本文采用EMD 和AR 模型結(jié)合的方法對某型艦炮減速器進行故障診斷研究。EMD 方法適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號序列，具有很高的信噪比［1-2］，該方法能從任意復(fù)雜信號的局部特征時間尺度入手，把復(fù)雜信號函數(shù)分解為有限個本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)之和，各IMF分量包含了原信號的不同時間尺度真實物理信息的局部特征信號。AR 模型是一種全極點的時間序列分析方法，該模型的自回歸參數(shù)對平穩(wěn)信號狀態(tài)變化的分析十分準(zhǔn)確，能夠有效地表達(dá)動態(tài)系統(tǒng)的客觀規(guī)律。但是AR 模型對非平穩(wěn)信號的分析效果不理想，而減速器齒輪傳動系統(tǒng)的故障信號表現(xiàn)為非平穩(wěn)信號，所以不能直接對信號建立AR 譜模型［3-5］。本文將EMD 方法和AR 模型相結(jié)合應(yīng)用到某型艦炮減速器信號的故障診斷中，首先對故障信號進行分解，得到若干個平穩(wěn)分量，然后對包含故障信息的分量做AR 譜分析，提取故障頻率，實現(xiàn)故障診斷。通過本文對減速器故障診斷的分析研究驗證了該方法的有效性。

1 診斷方法分析

1.1 EMD 分解

通過EMD 方法把一個復(fù)雜的非平穩(wěn)信號分解為有限個本征模態(tài)函數(shù)之和，其中任何一個本征模態(tài)函數(shù)(IMF)都必須滿足條件:

1)整個數(shù)據(jù)段內(nèi)，極值點的個數(shù)和零交叉點的個數(shù)必須相等或相差最多不能超過1 個;

2)在任何時間點上，由局部極大值點形成的包絡(luò)線和局部極小值點形成的包絡(luò)線的平均值為零。

對任一復(fù)雜信號x(t)進行EMD 分解的步驟:

1)找出復(fù)雜信號函數(shù)x(t)所有的極大值點和極小值點，用三次樣條插值函數(shù)擬合形成原數(shù)據(jù)的上下包絡(luò)線;

2)取上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的均值記作ml，將原信號函數(shù)x(t)減去該平均包絡(luò)ml，得到一個新的信號函數(shù)hi=x(t)-ml;

3)判斷信號函數(shù)hi是否還存在局部極大值和極小值，如果沒有則說明該信號的第1 個本征模態(tài)函數(shù)c1=h1;如果信號函數(shù)hi還存在局部極大值和極小值，則轉(zhuǎn)1);

4)用原信號函數(shù)x(t)減去c1，得到一個新的信號函數(shù)x1(t)，轉(zhuǎn)1);

5)按照以上方法可得到有限個本征模態(tài)函數(shù)c1，c2，…，cn，還有一個趨勢項Res;

6)有以上步驟可得到復(fù)雜非平穩(wěn)信號x(t)的分解結(jié)果

1.2 AR 自回歸模型

對任何一個IMF 分量ci(t)建立如下的自回歸模型AR(m)

2 診斷方法應(yīng)用

某型艦炮在射擊時減速器振動劇烈，為了保證武器系統(tǒng)良好的性能，需要對減速器進行診斷，找出故障源。本文通過加速度傳感器對減速器進行了振動信號測試，圖1 為減速器齒輪傳動簡圖及加速度傳感器的測點布置。

圖1 傳動簡圖及測點布置

某型艦炮減速器的輸入液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為88 r/min，其中輸入軸齒輪嚙合頻率為43.43 Hz，轉(zhuǎn)動頻率為3.57 Hz;中間軸齒輪嚙合頻率為39.20 Hz，轉(zhuǎn)動頻率為0.88 Hz;輸出軸齒輪嚙合頻率為51.37Hz，轉(zhuǎn)動頻率為0.24 Hz。本文以測點1 測得的信號為例進行EMD 分解和AR 譜分析。

測點1 測得的信號如圖2 所示。按照EMD 分解的具體方法，可以將該信號分解為5 個IMF 分量。

圖2 測點1 測得的信號

圖3為減速器故障信號的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果，從上到下按照頻率由高到低的順序依次是本征模態(tài)函數(shù)C1～C4，最后一個為殘余分量Res。信號經(jīng)過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后變成單一類正弦(或類余弦)的本征模態(tài)函數(shù)信號。從圖中可以看出這幾個IMF 分量集中包含了原始信號中的最顯著、最重要的信息，因此對這幾個分量進行功率譜分析。

對本征模態(tài)函數(shù)中與故障頻率關(guān)系比較大的C1、C2分量進行AR 譜分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。AR 譜顯示的是信號功率隨頻率變化的關(guān)系，這2 幅圖清晰地顯示出信號振動頻率的功率變化情況。

可以看出，各分量的中心頻率逐漸降低。圖4 是信號經(jīng)EMD 分解后的C1分量的AR 譜圖，其最高峰值處的頻率值為56.5Hz，與輸入軸轉(zhuǎn)頻的16 倍頻相差0.62 Hz，相當(dāng)于輸入軸轉(zhuǎn)頻的17%;而C2分量的AR 譜圖5 中，最高峰值處的頻率值22 Hz，與輸入軸轉(zhuǎn)頻的6 倍頻相差0.58 Hz，相當(dāng)于輸入軸轉(zhuǎn)頻的16%。以上誤差均超出了允許的范圍。通過對IMF 分量的AR 譜分析發(fā)現(xiàn)，該型艦炮減速器輸入軸齒輪嚙合產(chǎn)生的振動是減速機振動的主要振源，表明該齒輪齒面已產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，從而導(dǎo)致齒輪間隙增大。

圖3 減速器故障信號的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果

圖4 C1 的AR 譜圖

圖5 C2 的AR 譜圖

為了確保診斷的準(zhǔn)確性，采用同樣的方法對測點2、測點3 測得的信號進行分析，得到的結(jié)論一致。實際拆開設(shè)備經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，確實是輸入軸齒輪齒面磨損嚴(yán)重引起的故障。

3 結(jié)束語

EMD 分解方法是通過待測信號的特征時間尺度獲得本征模態(tài)信號函數(shù)，然后利用AR 譜模型對得到的各本征模態(tài)信號函數(shù)進行功率譜分析，然后判斷待測信號的故障信息。本文利用這種EMD 分解和AR 譜相結(jié)合的方法對某型艦炮的減速器進行故障診斷，仿真和實測故障信號的分析證明了該方法的有效性。

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