機械設(shè)備故障診斷中循環(huán)平穩(wěn)信號處理的應(yīng)用

【摘要】循環(huán)平穩(wěn)信號處理技術(shù)的引用，豐富了機械設(shè)備處理的內(nèi)容量。本文概括了循環(huán)平穩(wěn)信號處理的研究情況和特點，分析了這樣的方法存在的部分問題，最后在結(jié)尾部分點明了這項新技術(shù)的應(yīng)用問題和在機械設(shè)備故障中的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】循環(huán)平穩(wěn)；故障處理；應(yīng)用

機械設(shè)備信號的特征提取法一般分為兩種，第一種是穩(wěn)態(tài)信號的處理方法。非常典型的有離散頻譜分析法和頻率細化分析法等。這種處理方法相對很成熟，應(yīng)用的范圍也是非常廣泛。第二種是非平穩(wěn)信號的處理方法。非常典型的有轉(zhuǎn)速跟蹤法和Wigner-Ville分布法等，循環(huán)平穩(wěn)和高階譜等分析方法的引用，使得循環(huán)平穩(wěn)的分析方法有了非常大的進步，為社會帶來了一定的經(jīng)濟效益，但是其中存在的問題，也是我們最為關(guān)注的。

一、循環(huán)平穩(wěn)信號處理的簡單介紹

循環(huán)平穩(wěn)信號，就是在統(tǒng)計特征函數(shù)的時候會出現(xiàn)周期性的變化。這種信號在實際應(yīng)用中有著非常重要的意義。通常來講，平穩(wěn)信號的出現(xiàn)都有一定的普遍性，當(dāng)統(tǒng)計系統(tǒng)統(tǒng)計特征函數(shù)的時候，可以利用單次記錄的時間平均值代替平均集合，這一點很適用現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集。但是對于非平穩(wěn)的時間序列，統(tǒng)計特征是隨意變換的，因此我們就沒有辦法用上述特征判斷。循環(huán)平穩(wěn)信號因為自身獨特的平穩(wěn)特征，使得單次收集到的數(shù)據(jù)都有一定的普遍性，因此適合現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理和分析。

循環(huán)平穩(wěn)信號廣泛應(yīng)用在通訊、機械等系統(tǒng)中。比如在機械滾動軸承中出現(xiàn)的反復(fù)機械的振動的信號。我們以滾動軸承為例子，當(dāng)滾動軸承發(fā)生故障的時候，因為機器周期性的旋轉(zhuǎn)和周圍因素的干擾，使其產(chǎn)生復(fù)雜的震動信號，這種振動信號也存在部分的隨機信號。對于隨機信號，我們通常認為是有規(guī)律的，因此對這種隨機信號進行循環(huán)平穩(wěn)的分析，有效的提取出被噪聲埋沒的周期成分。循環(huán)信號處理技術(shù)在機械中的應(yīng)用，對于機械故障診斷有著至關(guān)重要的意義。

二、循環(huán)平穩(wěn)信號的具體應(yīng)用

1、一階循環(huán)統(tǒng)計量的應(yīng)用。這項內(nèi)容主要包括了一階循環(huán)矩。通過分析一階循環(huán)矩的具體分析機理，我們建立一套具備噪聲干擾的增幅振動信號的模型，分別進行四組不同的仿真實驗。通過實驗數(shù)據(jù)的顯示，我們發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)中的調(diào)幅信號存在循環(huán)平穩(wěn)的特征，利用非平穩(wěn)信號的循環(huán)平穩(wěn)性，加上一階循環(huán)矩的具體分析，我們可以有效的提取出信號在部分噪聲干擾的情況下的規(guī)律性頻率。之后我們對一階循環(huán)平穩(wěn)信號進行了有效的升級，提出了雙向同步平均法，用的就是一階循環(huán)矩來表示狀態(tài)特性，針對變速箱齒輪的振動信號進行有效的分析，結(jié)果證明不單單可以反映出齒輪的嚙合情況，還可以檢測出齒輪存在缺陷的振動信號。循環(huán)均值不具備一定的解調(diào)性能，不會很好的分離出多種調(diào)制類機械振動的有用信號，因此這一項技術(shù)在機械設(shè)備故障的診斷中應(yīng)用不是很廣泛。一般情況下都是通過小波分解、幅值的手段分析處理。

2、二階循環(huán)統(tǒng)計量的應(yīng)用。這項技術(shù)主要包括的有循環(huán)譜密度函數(shù)和循環(huán)平穩(wěn)度等。在研究二階循環(huán)統(tǒng)計量的基礎(chǔ)之上，我們對比了二階循環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)計量的分析和傳統(tǒng)方法的比較。第一種分析方法：通過分析故障滾動軸承的振動信號，指出了各自存在的優(yōu)勢和缺陷。循環(huán)信號的處理作為一種強大的工具，對于旋轉(zhuǎn)機械的故障判斷和分析具有很高的精準(zhǔn)度。指出了變速箱的振動信號也具有一定的二階循環(huán)平穩(wěn)性，這個信號譜的相關(guān)密度函數(shù)可以有效的識別振動的參數(shù)，通過對齒輪箱故障振動的實驗，我們得出和驗證了這項結(jié)論。第二種分析方法：分析包絡(luò)和統(tǒng)計量譜的密度在故障設(shè)備中的區(qū)別和聯(lián)系，研究表明了額循環(huán)譜的密度在頻率軸承上的顯示可以很好的顯示出故障的特征。與此同時，還證明了積分譜的密度和包絡(luò)譜之間的等價關(guān)系，從而對包絡(luò)譜的理論進行補充。循環(huán)密度函數(shù)方法和平方包絡(luò)解調(diào)方法都可以通過引入的循環(huán)平穩(wěn)信號進行相關(guān)的解調(diào)。通過試驗數(shù)據(jù)的結(jié)果分析，指出平方包絡(luò)分析中因為構(gòu)造了一定的解析函數(shù)，使得數(shù)值平方和循環(huán)導(dǎo)致的混疊效應(yīng)得到了很好的抑制。第三種分析方法：從機械振動信號的角度證明多循環(huán)平穩(wěn)、純循環(huán)平穩(wěn)的概念，還有就是和周期的過程、平穩(wěn)過程之間的關(guān)系。常見的采樣方式有兩種：等時間采樣和等角度采樣。這兩種采樣方法分別研究了他們的循環(huán)的平穩(wěn)性，得出不一樣的循環(huán)平穩(wěn)的條件。文中理論證明了當(dāng)旋轉(zhuǎn)機械等角度采樣得到的振動信號的時候，只要是轉(zhuǎn)速的波動為循環(huán)平穩(wěn)的時候，那么等時間采樣的信號也屬于循環(huán)平穩(wěn)的信號。鑒于循環(huán)平穩(wěn)在旋轉(zhuǎn)機械中的廣泛存在性，應(yīng)該打破常規(guī)的平穩(wěn)假設(shè)，在循環(huán)平穩(wěn)的基礎(chǔ)之上研究旋轉(zhuǎn)機械 的振動信號更加切合實際。我們以齒輪、內(nèi)燃機和滾動軸承的三種機械的比較，通過研究旋轉(zhuǎn)機械將平穩(wěn)的類型非為三類，多循環(huán)平穩(wěn)、簡單平穩(wěn)和準(zhǔn)循環(huán)平穩(wěn)，由此形成了初步的平穩(wěn)模型。第四種分析方法：時變幅值信號的處理方法。在已經(jīng)給定的時變幅值信號模型的基礎(chǔ)之上，我們論證了這個模型具備循環(huán)平穩(wěn)的特征，通過相關(guān)的研究得出，時變幅值信號的二階循環(huán)統(tǒng)計量能夠有效的分離調(diào)制頻率和載波頻率。

另外，部分學(xué)者也嘗試?yán)蒙窠?jīng)網(wǎng)傳和小波分析的方法引入到齒輪和軸承的循環(huán)平穩(wěn)系統(tǒng)中。比如說采用小波包原理對一組滾動軸承的振動信號和仿真信號進行分析和重組，然后再計算它的循環(huán)譜的密度，就可以有效的抑制干擾信號和噪聲對解調(diào)結(jié)果的影響程度。二階循環(huán)統(tǒng)計量理論在機械設(shè)備的故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，但是在計算量和計算方法方面依然很難概念，而且計算的精準(zhǔn)度不是很高。

3、高階循環(huán)統(tǒng)計量的應(yīng)用。高階循環(huán)統(tǒng)計量主要包括了高階循環(huán)矩、高階循環(huán)矩譜和高階循環(huán)累計量譜。高階循環(huán)統(tǒng)計量是建立在二階循環(huán)統(tǒng)計量的基礎(chǔ)之上。它很好的吸收了高階統(tǒng)計量和循環(huán)平穩(wěn)兩項的優(yōu)點，可以很好的分離出循環(huán)平穩(wěn)的信號，完全抑制各種狀態(tài)下的高斯噪聲的干擾。但與此同時也繼承了二者的缺點，最為突出的地方就是分析的時間過程更長。而在實際的操作過程中，為了提高結(jié)果的精準(zhǔn)度，需要適當(dāng)?shù)脑黾訕颖镜膫€數(shù)，于是就不可避免的增加了計算的量，從而增加了機械設(shè)備的應(yīng)用難度。

總結(jié)

本文從機械設(shè)備故障的診斷和應(yīng)用兩個角度為大家詳細介紹了循環(huán)平穩(wěn)信號的處理技術(shù)的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上有具體分析了三階理論的應(yīng)用，分析了它們在機械設(shè)備故障中的應(yīng)用和發(fā)展的前景，客觀的評價了優(yōu)勢所在和缺陷，并和同類技術(shù)進行全方面的比較。隨著計算機性能的逐步提高和實際應(yīng)用的不斷深入，對三階理論知識的深度研究，一定會讓機械設(shè)備故障診斷技術(shù)得到全新的發(fā)展。

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