基于小波變換的火炮隨動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)故障分析診斷＊

白 穎 趙 巖 李峻年

（1．92941部隊(duì)94分隊(duì) 葫蘆島 125001）（2．海軍駐葫蘆島431軍代室 葫蘆島 125001）

1 引言

火炮隨動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，這不但影響電機(jī)的工作壽命，而且使得電機(jī)的故障率相對(duì)增大。正確掌握電機(jī)的故障診斷，在設(shè)備零部件失效之前，及時(shí)迅速地采取有效措施排除故障［1］，避免突然的事故發(fā)生，保障設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)提高火炮作戰(zhàn)能力具有十分重要的意義。

2 故障分析診斷的任務(wù)

設(shè)備故障診斷技術(shù)使設(shè)備維修體制由傳統(tǒng)的事后維修和預(yù)防維修方式，逐步變?yōu)轭A(yù)知維修。隨著生產(chǎn)裝備、軍事裝備越來越先進(jìn)和復(fù)雜，沒有故障監(jiān)測和診斷的先進(jìn)手段，就很難預(yù)防各種隨機(jī)因素引起的故障?；鹋陔S動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)運(yùn)行時(shí)由于負(fù)載條件、環(huán)境條件或其他運(yùn)行條件改變等原因，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)各種故障，這些故障又會(huì)以各種不同的征兆表現(xiàn)出來，而所有的故障都是按一定機(jī)理發(fā)生和發(fā)展的，有一定的客觀規(guī)律，本文的任務(wù)正是要根據(jù)這種規(guī)律，利用先進(jìn)的檢測手段和方法對(duì)隨動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行檢測，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行趨勢分析和故障識(shí)別，確定電機(jī)運(yùn)行是否存在故障，以及故障性質(zhì)和故障部位，做出診斷決策，做到預(yù)知維修（即根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所預(yù)知的設(shè)備狀態(tài)來確定設(shè)備維修工作的內(nèi)容和時(shí)間，制訂出維修方案）［2～3］，從而提高部件的可靠性，縮減維修工時(shí)，降低維修費(fèi)用，減少意外和事故的發(fā)生，減少部件不必要的負(fù)擔(dān)，同時(shí)改善或延長部件的壽命，使部件從定期更換轉(zhuǎn)變?yōu)楸匾獣r(shí)才更換。

3 故障診斷原理

設(shè)備故障診斷是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的不同的信息變化規(guī)律，識(shí)別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是正常還是異常、通常，當(dāng)設(shè)備的功能指標(biāo)低于正常工作情況下的最低極限值時(shí)，就認(rèn)為設(shè)備發(fā)生了故障，可進(jìn)行診斷。設(shè)備診斷過程包括信息獲得、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和診斷決策等過程，圖1是設(shè)備診斷過程的流程圖。

圖1 設(shè)置診斷過程

診斷過程中傳感器采用固定安裝的方式，以便可以長期獲得機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)，連接裝有減震器。采集可通過多點(diǎn)控制采集方式，以保證信號(hào)的控制精度。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測的正常振動(dòng)信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理并儲(chǔ)存后用作原始特征數(shù)據(jù)。在信號(hào)的采集和傳輸過程中，必須注意噪聲的污染，在背景噪聲較大的地方，信號(hào)應(yīng)該經(jīng)過數(shù)字化預(yù)處理，濾除不需要的低、高頻噪聲（如機(jī)械振動(dòng)等各類噪聲），僅使故障沖擊脈沖激起軸承或傳感器共振響應(yīng)波形通過，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理是設(shè)備診斷中重要的一環(huán)。

數(shù)據(jù)處理過程中，我們可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換，根據(jù)Mallat小波變換分解與重構(gòu)算法，對(duì)實(shí)測信號(hào)進(jìn)行特征提取，從而獲得更為真實(shí)的信號(hào)，達(dá)到滿意效果。

設(shè)x（t）是平方可積函數(shù)［記做x（t）∈L2（R）］，動(dòng)態(tài)信號(hào)x（t）的小波變換為

a為尺度因子，它的作用是將基本小波φ（t）作伸縮。當(dāng)a增大時(shí)，通過一固定的（即濾波器）觀察到波形壓縮的信號(hào)，a越大，幅值越小，φ在時(shí)間上擴(kuò)展，可觀察總體信號(hào)。相反，隨著a的減小，其時(shí)域窗口減小，頻帶加寬，可觀察細(xì)節(jié)信號(hào)，φ（t）的頻譜移向高頻部分，這樣信號(hào)的頻率越高，其時(shí)域分辨率也愈高，這一特性決定了小波變換在突變信號(hào)處理上的地位，它具有用多分辯率來刻畫信號(hào)局部特征的能力，很適合于檢測正常信號(hào)中夾雜的瞬態(tài)突變［4～5］。

從診斷軟件構(gòu)成上看，比較典型的診斷軟件大體上有以下幾個(gè)部分組成：知識(shí)庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、解釋程序、知識(shí)獲取程序、解釋程序和用戶界面。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

診斷標(biāo)準(zhǔn)中的加速度振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)限值依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)ISO3945的規(guī)定判定［6］。設(shè)備故障診斷和維修是一種技術(shù)復(fù)雜和需要多方面領(lǐng)域知識(shí)的工作，診斷中需要許多獨(dú)特的專家經(jīng)驗(yàn)和各方面的信息才能勝任此工作和高效地解決問題。

圖2 診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖

4 故障診斷示例

隨動(dòng)電機(jī)的故障診斷技術(shù)主要包括電流分析法、振動(dòng)診斷、絕緣診斷、溫度診斷和換向診斷等，這里以電機(jī)的振動(dòng)診斷來說明其過程。

圖3 測點(diǎn)位置

對(duì)于各種類型和規(guī)格的電機(jī)來說，在它們穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)都有一種典型特性［7］和一個(gè)允許限值。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障、零部件產(chǎn)生缺陷、裝配和安裝情況發(fā)生變化時(shí)，其振動(dòng)的振幅值、振動(dòng)形式和頻譜成分均會(huì)發(fā)生變化，不同的缺陷和故障引起的振動(dòng)方式也不同［8］。可見，振動(dòng)能客觀地反映電機(jī)的運(yùn)行狀況。對(duì)于隨動(dòng)電機(jī)來說，測振動(dòng)傳感器的測點(diǎn)數(shù)一般為7點(diǎn)，在電機(jī)兩端按軸向、垂直徑向和水平徑向各1點(diǎn)，機(jī)殼中央頂部1點(diǎn)配置（見圖3）。

測量時(shí)，傳感器選用接觸壓電式振動(dòng)加速度傳感器，傳感器與測點(diǎn)的接觸必須良好。傳感器及其安裝附件的總重量應(yīng)小于電機(jī)重量的1／50，電機(jī)的振動(dòng)值以各測點(diǎn)所測得的最大數(shù)值為準(zhǔn)；數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)來完成；設(shè)備的診斷由診斷軟件或?qū)＜蚁到y(tǒng)來完成，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，最后診斷軟件對(duì)振動(dòng)進(jìn)行識(shí)別并做出診斷結(jié)論。

電機(jī)故障中軸承故障占38．5%，軸承在運(yùn)行過程中會(huì)因各種原因產(chǎn)生磨損、疲勞剝落、腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等故障。若不及時(shí)對(duì)這些早期故障進(jìn)行診斷和維修，這些表面?zhèn)酃收蠒?huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，造成災(zāi)難性的事故。因此，研究軸承的故障診斷對(duì)研究電機(jī)故障診斷具有重要的意義。下面以隨動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)軸承的振動(dòng)測量和檢測為例，來說明診斷的過程。假設(shè)電機(jī)經(jīng)1號(hào)測點(diǎn)測量后發(fā)現(xiàn)軸承（由外套、內(nèi)套、滾動(dòng)體等幾部分組成）和定子之間的振動(dòng)異常，即測量信號(hào)較電機(jī)軸承正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)相比超過了允許值的閾值。這里所說的允許值是指滾動(dòng)軸承的特征頻率［9］。由于每種規(guī)格的滾動(dòng)軸承，都有其一定的故障特征頻率，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，測試儀器即可出現(xiàn)不同部位損壞時(shí)的特征頻率。滾動(dòng)軸承的特征頻率取決于其滾動(dòng)元件的幾何尺寸，具體計(jì)算公式如下：

1）外套特征頻率f外

2）內(nèi)套特征頻率f內(nèi)

3）滾動(dòng)體特征頻率f滾

以上式中：Z為滾珠或滾柱數(shù)目；n為轉(zhuǎn)速（r／min）；d為滾珠直徑（mm）；D為滾珠分布直徑（mm）；β為軸承壓力角。

當(dāng)故障信號(hào)頻率等于上式中某一式的計(jì)算頻率為其整數(shù)倍時(shí)，則發(fā)生故障的元件即為該頻率公式所對(duì)應(yīng)的軸承元件。缺陷的尺寸越大，信號(hào)越強(qiáng)。對(duì)比軸承元件的特征頻率和故障信號(hào)頻率即可確定故障位置進(jìn)而做出診斷決策。

當(dāng)軸承外環(huán)存在局部損傷點(diǎn)時(shí)，分布到故障點(diǎn)的靜態(tài)載荷密度不變，故障點(diǎn)到加速度傳感器之間的振動(dòng)信號(hào)傳遞路徑不變，故軸承外環(huán)故障的高頻共振信號(hào)在時(shí)域表現(xiàn)為以滾動(dòng)體經(jīng)過故障點(diǎn)的頻率（外環(huán)故障特征頻率）為重復(fù)頻率，且按指數(shù)規(guī)律衰減的高頻振動(dòng)序列。在包絡(luò)分析圖中，在外環(huán)故障頻率及其高倍頻處有明顯的譜線。

當(dāng)軸承內(nèi)環(huán)有故障時(shí)，隨著軸承內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)環(huán)故障點(diǎn)上的載荷密度隨著內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)而周期性變化。當(dāng)故障點(diǎn)處于最大載荷方向時(shí)，故障點(diǎn)承受的載荷密度最大。所以沖擊力的幅值也會(huì)周期性地變化。同時(shí)，內(nèi)環(huán)上的故障點(diǎn)與傳感器之間的傳遞路徑也隨著內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)而周期地變化［10］。信號(hào)表現(xiàn)為對(duì)高頻共振信號(hào)序列幅值的調(diào)制，調(diào)制頻率為內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)頻率。因此軸承內(nèi)環(huán)有故障時(shí)，包絡(luò)分析圖中，在內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)頻率和內(nèi)環(huán)故障頻率以及它們的高倍頻處有明顯的譜線。且在內(nèi)環(huán)故障頻率及它的高倍頻處存在以內(nèi)環(huán)頻率為間隔的邊頻帶。

當(dāng)滾動(dòng)體有故障時(shí)，情況同軸承內(nèi)環(huán)故障相似。

例如一故障電機(jī)轉(zhuǎn)速為900r／min，d＝15mm，D＝65mm，z＝12，β＝0°，傳感器采樣頻率為8kHz。對(duì)其加速度振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波變換處理，尺度取1～6（高頻段），步長0．5，可看到有明顯的周期信號(hào)，對(duì)小波變換的系數(shù)進(jìn)行包絡(luò)分析［8～9］，周期信號(hào)的頻率在70Hz附近。進(jìn)而進(jìn)行特征提取，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)中頻率為71Hz的成分較為突出。而由其零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)及公式計(jì)算得軸承外圈特征頻率為69．24Hz，內(nèi)套特征頻率為110．77Hz，滾動(dòng)體特征頻率為61．53Hz，該故障信號(hào)符合軸承外圈特征頻率。停機(jī)檢修，拆開電機(jī)軸承，發(fā)現(xiàn)軸承外圈有裂紋，更換備件。若經(jīng)小波變換處理后的信號(hào)符合軸承內(nèi)套或滾動(dòng)體的特征頻率時(shí)，則故障可定位為軸承內(nèi)套或滾動(dòng)體故障。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明對(duì)設(shè)備應(yīng)用預(yù)知維修能夠很好地對(duì)設(shè)備進(jìn)行異常檢查，較好地提高火炮系統(tǒng)的可靠性并節(jié)省大量維護(hù)費(fèi)用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用狀態(tài)維修后，可使火炮電機(jī)維修費(fèi)用減少25%～50%，維修工作量減少40%～70%。

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