相位傳播特性用于軋機(jī)主傳動系統(tǒng)的故障定位

任學(xué)平，王金磊，馬文生

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，包頭 014010；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

設(shè)備故障診斷的一個(gè)重要內(nèi)容就是對故障進(jìn)行定位，判定出現(xiàn)故障的部件。然而設(shè)備的各個(gè)部件之間是相互聯(lián)系的，因此設(shè)備具有故障傳播特性，即當(dāng)傳感器測得某一部件的振動信號出現(xiàn)異常時(shí)，并不能馬上確定其為故障源，因?yàn)榇斯收犀F(xiàn)象有可能是其他部件的故障傳播過來導(dǎo)致的，這就需要對故障進(jìn)行尋因定位，避免發(fā)生誤判，因此故障定位的方法就顯得尤為重要。文獻(xiàn)[1]提出的利用相關(guān)分析進(jìn)行故障定位的方法只適用于傳播路徑單一的簡單結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并且需要知道故障源的大概位置，而且沒有提及到信號的預(yù)處理方法；文獻(xiàn)[2]運(yùn)用的時(shí)域平均技術(shù)可以提高信噪比作為預(yù)處理方法，但需要在測量振動加速度的同時(shí)測量一個(gè)轉(zhuǎn)速同步脈沖信號以確定定整周期；文獻(xiàn)[3]提出的應(yīng)用希爾伯特變換提取相位信號的方法沒有形成一個(gè)系統(tǒng)的方法，即沒有前處理和后續(xù)處理。本文根據(jù)故障的傳播特性，提出了一種利用相位特征傳播特性來進(jìn)行故障定位的方法。本方法包括信號的預(yù)處理，相位的提取和后處理和分析實(shí)現(xiàn)故障定位，形成了一套系統(tǒng)的方法。最后對軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷的實(shí)例分析驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 基于相位傳播特性的分析方法

1.1 自適應(yīng)消噪技術(shù)

自適應(yīng)消噪技術(shù)(ANC)[4]是一種以維納濾波為基礎(chǔ)對混有噪聲的信號進(jìn)行提取處理的方法。其原理是最小平方濾波器加上反饋的相關(guān)回路,構(gòu)成自適應(yīng)消噪器。

LMS（Least Mean Square）算法是自適應(yīng)橫向?yàn)V波器中求最佳權(quán)系數(shù)的簡單有效的遞歸算法,它不需要求相關(guān)矩陣，也不涉及矩陣求逆，而是運(yùn)用了最優(yōu)化的數(shù)學(xué)算法最陡下降法。

1.2 希爾伯特變換提取相位特征信息

對一調(diào)制信號進(jìn)行希爾伯特變換[5]，然后用原信號和希爾伯特變換得到的信號構(gòu)成一個(gè)解析信號，再對解析信號移頻、反正切變換就得到信號的相位估計(jì)。

通過上述方法計(jì)算得到的相位是信號的折疊相位，即在求值的時(shí)候超過2π的相位是進(jìn)行了模的2π運(yùn)算的，這樣在經(jīng)過反余弦求出來的相位在(0，2π)之間，與真實(shí)相位不等，即產(chǎn)生了相位折疊。此時(shí)需要加上2π的整數(shù)倍才能得到無折疊的瞬時(shí)相位。

1.3 振動信號的平滑處理方法

利用傳感器測得的振動信號中往往含有噪聲信號。噪聲信號除了有周期性的噪聲信號外，還有不規(guī)則的隨機(jī)干擾信號；由于隨即干擾信號的頻帶較寬，有時(shí)高頻成分所占的比例還比較大，使得采集離散數(shù)據(jù)得到的振動曲線上呈現(xiàn)有許多毛刺，很不平滑。為了消弱干擾信號的影響，提高振動曲線光滑度，常常需要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。本文主要介紹五點(diǎn)三次平滑法[6]。

五點(diǎn)三次平滑法是利用最小二乘法原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行三次最小二乘多項(xiàng)式平滑的方法。

1.4 振動信號的相位傳播特性

齒輪箱的振動系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)[7]。在研究齒輪箱故障時(shí)，通常將齒輪傳動副進(jìn)行簡化。齒輪傳動副作為一個(gè)振動系統(tǒng)，其動力學(xué)方程為：

式中x——沿嚙合線上齒輪相對位移；

C——齒輪嚙合阻尼；

k(t)——嚙合剛度；

M——當(dāng)量質(zhì)量；

F(t)——外界激勵(lì)。

由齒輪箱的振動機(jī)理可知，故障具有傳播特性。根據(jù)故障的傳播特性，相位特征的傳播與故障的位置和測點(diǎn)位置之間的關(guān)系有關(guān)[8]。例如一振動測試的測點(diǎn)布置如圖1所示。若部件(1)出現(xiàn)故障，部件(2)無故障，由于測點(diǎn)1位于故障位置的前面，則由測點(diǎn)1測得的振動信號的相位特征為超前，如圖2a所示；反之，由于測點(diǎn)2和測點(diǎn)3位于故障位置的后面，則由測點(diǎn)2或測點(diǎn)3測得的振動信號的相位特征為滯后，如圖2b所示。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Measurement point layout schematic diagram

圖2 相位躍變波形圖Fig.2 Phase jump waveform diagram

由此可見，只要通過傳感器測得設(shè)備的振動信號，然后對信號處理分析得到相位波形，就能根據(jù)相位波形的躍變特征來進(jìn)行故障定位?；诖嗽?，我們可以拓展到齒輪箱之外部件出現(xiàn)故障的定位。

1.5 基于相位特征傳播特性的故障定位方法

本文提出的基于相位特征傳播特性的故障定位方法其具體步驟為：1）先通過自適應(yīng)消噪技術(shù)除去振動信號中的強(qiáng)相關(guān)噪聲；2）再應(yīng)用希爾伯特變換提取相位信息；3）然后通過五點(diǎn)三次平滑方法去除非相關(guān)噪聲得到信號的相位波形；4）最后根據(jù)相位波形的躍變特征實(shí)現(xiàn)故障定位。

本文中的信號處理方法均可通過MATLAB 7軟件編程實(shí)現(xiàn)[9]。

2 診斷實(shí)例

針對某鋼廠軋機(jī)設(shè)備主傳動系統(tǒng)工況異常，對軋機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場振動測試，軋機(jī)主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。基于齒輪箱的箱體軸承座端是振動易測試部位，就此選用4個(gè)加速度傳感器分別對齒輪座的輸入軸和輸出軸同時(shí)進(jìn)行振動測試，并對4個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行編號，其中1號、3號加速度傳感器放置方向?yàn)閺较颍?號、4號加速度傳感器放置方向?yàn)檩S向，測點(diǎn)布置如圖3所示。

齒輪座主要性能參數(shù)：齒輪及軸的轉(zhuǎn)動頻率為1.67～4.58 Hz，齒輪嚙合頻率為46.76～128.24 Hz。分析頻率2 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)8129，采樣長度0.8 s，N因子5.12，由此可得采樣頻率10 240 Hz。軋機(jī)齒輪座振動信號時(shí)域圖如圖4所示：

圖3 軋機(jī)主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Mill main transmission system structure diagram

圖4 振動信號的時(shí)域圖Fig.4 Vibration signal time-domain diagram

由圖4所示的時(shí)域信號可以看出，振動信號有明顯的周期沖擊現(xiàn)象，這說明系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了故障，但是否是齒輪座出現(xiàn)了故障，還不能確定，因?yàn)榇斯收闲盘栍锌赡苁瞧渌考鞑ミ^來的，所以需要對時(shí)域信號近一步處理。

首先用自適應(yīng)消噪技術(shù)除去強(qiáng)相關(guān)噪聲。根據(jù)前文所介紹的自適應(yīng)消噪處理方法，選擇2號傳感器測得的振動信號作為主輸入D(n)，4號傳感器測得的振動信號作為參考輸入X(n)，運(yùn)用LMS算法進(jìn)行自適應(yīng)消噪，得到最終輸出Z(n)的時(shí)域圖。如圖5所示：

再對自適應(yīng)消噪處理后的信號進(jìn)行希爾伯特變換，得到振動信號的折疊相位，如圖6(a)所示，再進(jìn)行變換得到無折疊的瞬時(shí)相位，如圖6(b)所示：

因?yàn)樽赃m應(yīng)消噪無法去除非相關(guān)噪聲，所以圖中有許多毛刺出現(xiàn)。再對相位信號進(jìn)行五點(diǎn)三次平滑處理，如圖7 a所示。

用同樣的方法對4號傳感器測得的振動信號進(jìn)行處理，最終得到相位波形如圖7 b所示。

圖5 自適應(yīng)消噪處理后的振動信號時(shí)域圖Fig.5 Vibration signal time-domain diagram after ANC

由圖7可以看出，相位均出現(xiàn)了明顯的超前，相位超前的趨勢相同，并且兩測點(diǎn)的最大相位躍變都出現(xiàn)在0.506 6 s處。由此可判定故障應(yīng)發(fā)生在兩傳感器測試點(diǎn)之外的下一級上，即齒輪箱輸出軸側(cè)萬向接軸或軋輥出現(xiàn)了故障。

在后續(xù)的設(shè)備檢修中重點(diǎn)檢查齒輪箱輸出軸側(cè)部件的異常，最后發(fā)現(xiàn)是萬向接軸出現(xiàn)了故障——萬向接軸存在間隙導(dǎo)致軋機(jī)齒輪箱的異常振動。這與上述分析結(jié)果相符，從而說明通過相位特征傳播特性進(jìn)行故障定位方法的有效性。

圖6 希爾伯特變換得到的信號相位圖Fig.6 Signal phase diagram after Hilbert transform

圖7 平滑處理后振動信號的相位圖Fig.7 Signal phase diagram after smooth processing

3 結(jié)語

本文提出了基于相位特征傳播特性的故障定位方法，通過自適應(yīng)消噪技術(shù)和希爾伯特變換提出相位信息，再經(jīng)過平滑處理得到信號的相位特征，實(shí)現(xiàn)故障定位；通過對軋機(jī)主傳動系統(tǒng)故障診斷實(shí)例分析判斷本方法的準(zhǔn)確性，得到如下結(jié)論：

（1）通過自適應(yīng)消噪技術(shù)對軋機(jī)信號的精化，消除了時(shí)變的相關(guān)干擾噪聲的影響，有效地提高了信噪比。五點(diǎn)三次平滑法對信號的后處理，剔除了隨機(jī)非相關(guān)噪聲，使得信號更加接近真實(shí)值，從而可以更容易地發(fā)現(xiàn)故障特征。希爾伯特變換對軋機(jī)信號的處理提取出了信號的相位信息，計(jì)算方法簡單，易于通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)；

（2）針對單一的信號處理方法很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)的故障定位這一問題，本文提出的利用相位特征傳播特性進(jìn)行故障定位的方法理論較為完善，更加成系統(tǒng)，操作性強(qiáng)，為故障方向定位提供了一條途徑。

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