基于自適應(yīng)小波的二十輥軋機(jī)軋輥局部缺陷識(shí)別研究

吳勝利，邵毅敏，王利明，袁意林，葉維軍

( 1. 重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030；2. 寧波寶新不銹鋼有限公司, 寧波 315807 )

基于自適應(yīng)小波的二十輥軋機(jī)軋輥局部缺陷識(shí)別研究

吳勝利1，邵毅敏1，王利明1，袁意林2，葉維軍1

( 1. 重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030；2. 寧波寶新不銹鋼有限公司, 寧波 315807 )

軋輥在磨削過程中，軋輥表面會(huì)產(chǎn)生振紋等局部缺陷，嚴(yán)重影響帶鋼表面質(zhì)量，有效識(shí)別軋輥缺陷尺寸大小仍是目前軋機(jī)診斷存在的難題之一。利用MATLAB小波工具箱構(gòu)造與信號(hào)對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)小波，通過與Haar小波、Morlet小波和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，不僅證明了構(gòu)建自適應(yīng)小波方法的正確性，而且也驗(yàn)證了自適應(yīng)小波對(duì)軋輥缺陷識(shí)別的有效性，為有效識(shí)別軋輥缺陷以及分析缺陷尺寸提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐支撐。

軋輥缺陷；自適應(yīng)小波；識(shí)別

軋輥表面存在缺陷時(shí)，在軋制過程中會(huì)在帶鋼表面產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷，不僅影響帶鋼表面質(zhì)量，增加了停機(jī)更換軋輥的次數(shù)，而且嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此建立有效識(shí)別的軋輥表面局部缺陷方法，可及時(shí)更換軋輥，減少不必要停機(jī)檢查，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

軋輥表面缺陷的形態(tài)、初始剝落斷口的材料特性有較為廣泛的研究[1-2]，尤其是工作輥直接與帶鋼表面接觸，粗糙度對(duì)帶鋼表面質(zhì)量影響等[3]。當(dāng)軋制過程中工作輥表面產(chǎn)生剝落等缺陷時(shí)，有效提取其振動(dòng)特征及時(shí)更換軋輥是減少經(jīng)濟(jì)損失的主要手段[4]。自適應(yīng)選取最匹配尺度系數(shù)特征小波，同時(shí)利用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化，可有效地提高信號(hào)的信噪比[5-6]。改進(jìn)閾值量化公式方法和遺傳算法小波基搜索方法，構(gòu)建的自適應(yīng)小波能在強(qiáng)噪聲環(huán)境下有效提取微弱的故障沖擊信號(hào)和識(shí)別早期故障特征頻率[7-8]。有研究表明小波的形狀越逼近沖擊信號(hào)，越有利于故障特征的提取[9]。

目前的研究，主要集中在軋輥表面缺陷缺陷對(duì)帶鋼表面質(zhì)量的影響和自適應(yīng)小波構(gòu)建的方法方面。但是，如何利用自適應(yīng)小波提取軋輥表面缺陷，特別是對(duì)缺陷尺寸識(shí)別方面的研究較少。因此，基于自適應(yīng)小波，通過與Haar小波及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，提出了自適應(yīng)小波的二十輥軋機(jī)軋輥局部缺陷識(shí)別方法，為實(shí)現(xiàn)軋輥表面缺陷尺寸的識(shí)別提供了一條新的途徑。

1 自適應(yīng)小波的構(gòu)造

構(gòu)造與原始信號(hào)相似的自適應(yīng)小波，必須保證截取的信號(hào)至少應(yīng)該是一個(gè)完整的周期，否則將影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性。在希爾伯特空間對(duì)截取信號(hào)與原始信號(hào)進(jìn)行了相似性判斷與衡量，兩信號(hào)最小能量誤差Emin可表示為[10]

Emin=‖x‖2-(x,y)/‖y‖2

(1)

式中，x為原始信號(hào)，y表示截取的信號(hào)并進(jìn)行延拓。同時(shí)式(1)可以表示為

(2)

式中，Rxy=(x,y)/‖x‖‖y‖。Rxy越大能量誤差越小，即表示兩信號(hào)相似程度越高。信號(hào)相似性判斷及自適應(yīng)小波分析流程圖，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)小波分析流程Fig. 1 Analysis algorithm of adaptive wavelet

構(gòu)造小波函數(shù)ψ(t)必須滿足小波函數(shù)的基本條件[11]：

(1) 小波函數(shù)值在很小區(qū)間之外等于0；

(2) 小波函數(shù)的均值應(yīng)該為0，即

(3)

(3)滿足小波函數(shù)的容許條件，即

(4)

利用MATLAB小波工具箱，構(gòu)造與信號(hào)形狀類似或者逼近的小波，與仿真信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波，如圖2所示。

圖2 仿真信號(hào)及對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)小波Fig.2 Simulated signal and the corresponding adaptive wavelet

2 自適應(yīng)小波與Haar小波對(duì)比分析

加入隨機(jī)噪聲的周期沖擊仿真信號(hào)，如圖3所示。根據(jù)Jena的研究，在現(xiàn)有的小波中，Haar小波在形狀上與仿真信號(hào)比較接近，因此選擇Haar小波對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，如圖4(a)所示，自適應(yīng)小波對(duì)仿真信號(hào)的分析結(jié)果如圖4(b)所示。

圖3 仿真信號(hào)Fig.3 Simulated signal

(a)Haar小波分析結(jié)果

(b)自適應(yīng)小波分析結(jié)果圖4 不同小波對(duì)仿真信號(hào)分析結(jié)果Fig. 4 Results of simulated signal based on different wavelets

通過對(duì)比分析可以得到，Δt=Δt1=Δt2，構(gòu)造的自適應(yīng)小波與Haar取得了相同的效果，并且沖擊的間隔與仿真信號(hào)時(shí)域間隔相同。因此構(gòu)造與沖擊信號(hào)相對(duì)應(yīng)的小波，就能有效的識(shí)別沖擊持續(xù)時(shí)間，即缺陷尺寸的大小。

3 二十輥軋機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

軋輥表面存在的缺陷及對(duì)應(yīng)的帶鋼表面，如圖5所示，軋輥上的缺陷將在反映在帶鋼表面。利用B&K加速度傳感器和放大器，LMS數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為20 480 Hz，如圖6所示。軋機(jī)支撐輥直徑D7=D8=D9=D10=300 mm，第二中間輥直徑D4=D5=D6=173 mm，第一中間輥直徑D2=D3=98.4 mm，工作輥直徑D1=67.2 mm。測(cè)試時(shí)軋機(jī)主要軋制參數(shù)，如表1所示。

表1 測(cè)試時(shí)軋機(jī)主要軋制參數(shù)

圖5 軋輥表面缺陷及相應(yīng)的帶鋼表面Fig. 5 Defects on the surface of roll and the corresponding surface of steel strip

圖6 傳感器布置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 6 Location of sensor and the data acquisition device

軋輥存在缺陷時(shí)的測(cè)試信號(hào)，如圖7所示?？梢缘玫叫盘?hào)中存在明顯的周期性沖擊，并構(gòu)造與其相對(duì)應(yīng)的小波。Morlet小波與測(cè)試信號(hào)形狀比較接近，因此采用Morlet小波與構(gòu)造的小波對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，Molet小波時(shí)頻分析結(jié)果，如圖8(a)所示，利用構(gòu)造的自適應(yīng)小波分析結(jié)果，如圖8(b)所示。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試信號(hào)Fig. 7 The experimental signal

(a)Morlet小波分析結(jié)果

(b)自適應(yīng)小波分析結(jié)果圖8 不同小波對(duì)試驗(yàn)信號(hào)分析結(jié)果Fig. 8 Results of measured signal based on different wavelets

Morlet小波與測(cè)試信號(hào)形狀接近，但分析結(jié)果只看到帶鋼表面振紋的頻率，不能有效地識(shí)別缺陷的存在；利用構(gòu)造的小波對(duì)測(cè)的信號(hào)的分析可以得到，圖中畫出的虛線間隔與振紋寬度一致，不僅有效地識(shí)別了振紋的頻率，同時(shí)沖擊的間隔基本等于缺陷沿軋輥圓周方向的寬度。不僅驗(yàn)證了構(gòu)造小波的有效性，同時(shí)也為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別軋輥表面缺陷，提供了理論與實(shí)踐方法。

4 不同寬度沖擊特性分析

圖9(a)，(b)，(c)所示的分別為沖擊寬度為10%，15%，20%時(shí)的仿真信號(hào)；用構(gòu)造的自適應(yīng)小波進(jìn)行分析，如圖10所示。圖10(a)，(b)，(c)所示的分別為沖擊寬度為10%，15%，20%時(shí)的分析結(jié)果，可以得到，分析結(jié)果寬度與原信號(hào)沖擊間隔相同，并隨著沖擊間隔的增大，分析結(jié)果的寬度也隨之增大。

圖9 不同寬度沖擊的仿真信號(hào)Fig. 9 Simulated signals with different sizes defects

圖10 不同寬度沖擊時(shí)利用對(duì)應(yīng)自適應(yīng)小波分析結(jié)果Fig. 10 Results of simulated signals with different sizes defects based on the adaptive wavelets

5 結(jié) 論

本文提出了自適應(yīng)小波的二十輥軋機(jī)軋輥局部缺陷識(shí)別方法，可對(duì)沖擊的寬度進(jìn)行有效識(shí)別，經(jīng)與含有表面缺陷的軋輥現(xiàn)場(chǎng)軋制試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了構(gòu)建的自適應(yīng)小波不僅準(zhǔn)確提取故障特征頻率，而且對(duì)缺陷尺寸大小進(jìn)行有效的識(shí)別，該方法為準(zhǔn)確定位剝落、凹坑等缺陷尺寸大小提供了提供了新的手段。

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Identification of local defects on the roll surface of a twenty-high roll mill based on the adaptive wavelet

WU Shengli1, SHAO Yimin1, WANG Liming1, YUAN Yilin2,YE Weijun1

(1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2. Ningbo Baoxin Stainless Steel Co.,Ltd., Ningbo 315807, China)

Local defects are prone to appear on the surface of roll in grinding process, which seriously affect the quality of the steel strip. The identification of defects and the sizes of defects are still existing difficult problems. The MATLAB wavelet toolbox was used to generate an adaptive wavelet. The a greement between the results of the adaptive wavelet and the Haar, Morlet wavelet and the experimental results validates the effectiveness of the generated adaptive wavelet method. The results also provide a theoretical support for identifying defects on the surface of roll.

local defect on the roll; adaptive wavelet; identifying

國家自然基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51035008)

2015-06-13 修改稿收到日期： 2016-07-13

吳勝利 男，博士生，1983年生

邵毅敏 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

E-mail: ymshao@cqu.edu.cn

TH165.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.10.019