牛希鑫 李靜敏 張敬堂
摘 要:通過(guò)小波分析,分解車輛變速箱中的振動(dòng)信號(hào),將非平穩(wěn)信號(hào)與突變信號(hào)分離,找出引起變速箱故障的原因。
關(guān)鍵詞:小波分析;變速箱;故障診斷分析
小波變換起源于80年代,屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)的一種。小波分析是尺度與信號(hào)時(shí)間的分析方法,在時(shí)頻兩域都能夠表現(xiàn)出局部信號(hào)的特點(diǎn)。在低頻部分分辨頻率與時(shí)間分辨率較低,在在高頻部分分辨頻率與時(shí)間分辨率較高,使用檢測(cè)信號(hào)中所夾帶的反常信號(hào),通過(guò)小波分析能夠準(zhǔn)確判斷出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的故障原因。
眼下,有很多檢測(cè)故障的方式,最常見(jiàn)的就是振動(dòng)檢測(cè)技術(shù),但在譜分析法中還存在一些問(wèn)題:在時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻率信號(hào)的過(guò)程中,時(shí)域信息容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。通過(guò)小波分析,在較長(zhǎng)時(shí)間的間隔內(nèi),能夠準(zhǔn)確獲得低頻信息,在較短的時(shí)間間隔內(nèi),能夠獲得準(zhǔn)確的高頻信息。
二、小波分析在變速箱故障檢測(cè)中的應(yīng)用
在使用變速箱時(shí),開(kāi)始稱之為磨合階段,在這期間磨損速度較快;之后就進(jìn)入到正常的磨損階段,會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間;之后進(jìn)入到較為劇烈的磨損階段,磨損情況會(huì)急劇增加,這時(shí)也稱為故障磨損狀態(tài)。變速箱從正常使用狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)為故障狀態(tài),是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程,不是短時(shí)間就能造成的,若此時(shí)檢測(cè)變速箱,則會(huì)檢測(cè)出異常信號(hào),很難用普分析法找出故障原因,這時(shí)小波分析就能夠發(fā)揮真正的作用。
進(jìn)行分析我們可知,峰值出現(xiàn)在200赫茲與400赫茲處,計(jì)算得出此為齒輪嚙合的頻率信號(hào),則其他信號(hào)處則相對(duì)穩(wěn)定,并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)信號(hào)異?,F(xiàn)象,則可以判斷此信號(hào)為正常信號(hào)。
再通過(guò)小波信號(hào)進(jìn)行分析,在此例子中所使用為Daubechies小波,這是由Inrid Daubechies發(fā)現(xiàn)的,所以用他的名字來(lái)命名,除了Haar小波外,并沒(méi)有對(duì)其他小波的表達(dá)式。Daubechies小波的特點(diǎn)如下:
第一,小波函數(shù)的支撐距離為2N-1,消失矩階為N;
第二,Daubechies小波基本不含有對(duì)稱性,而且大部分都有明顯的不對(duì)稱性;
第三,正則性與序號(hào)N成正比,即N增加,正則性也會(huì)隨之增加;
第四,Daubechies小波函數(shù)具備正交性。
之后,對(duì)此信號(hào)采取了5層分解的方法,而且對(duì)各個(gè)層次之間進(jìn)行了系數(shù)重構(gòu),具體如下:
a5是低頻信號(hào),處于第5層,頻率在0至15赫茲之間;d1是高頻信號(hào),處于第1層,頻率在250赫茲至500赫茲之間;d2是高頻信號(hào),處于第2層,頻率在0至125赫茲至250赫茲之間;d3是高頻信號(hào),處于第3層,頻率在62赫茲至125赫茲之間;d4是高頻信號(hào),處于第4層,頻率在31赫茲至63赫茲之間;d5是高頻信號(hào),處于第5層,頻率在16赫茲至31赫茲之間。
其中,原始信號(hào)s等于d1至d5與a5的總和,也就是將各子信號(hào)進(jìn)行疊加所得的信號(hào)。a5是低頻信號(hào)可將其視為信號(hào)發(fā)展趨勢(shì),是力的變化所產(chǎn)生的作用;d1和d2是高頻穩(wěn)定信號(hào),只有很小的振動(dòng)幅值,變化趨于穩(wěn)定狀態(tài),而且d2的變化還具備周期性,視作齒輪嚙合后造成的正常振動(dòng)現(xiàn)象;d3、d4與d5則是異常信號(hào)的典型代表,振動(dòng)幅值非常明顯,特別是d5的振動(dòng)幅值尤為劇烈,這些信號(hào)為突變信號(hào),如果在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)此種信號(hào),會(huì)將其視作虛假信號(hào),可能是突發(fā)因素所造成的,不算在考慮范圍內(nèi);在檢測(cè)期間,d3、d4與d5差不多是同時(shí)出現(xiàn)的異常信號(hào),持續(xù)時(shí)間都超過(guò)了3秒,所以在這種情況下,就不可能是突發(fā)因素造成的,而是由于變速箱出現(xiàn)故障導(dǎo)致的。在實(shí)際檢測(cè)中,異常信號(hào)頻繁出現(xiàn),這足以證明變速箱已經(jīng)出現(xiàn)了故障,造成了振動(dòng)突變現(xiàn)象,這也是嚴(yán)重故障的即將出現(xiàn)的信號(hào)。
通過(guò)上述分析可知,利用小波變換,能夠分解變速箱中的振動(dòng)信號(hào),可將非平穩(wěn)信號(hào)與突變信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分,為找到引起變速箱的故障提供了一定的參考。在信號(hào)檢測(cè)中,普分析法就不具備這樣的優(yōu)勢(shì),這也是為什么小波信號(hào)是目前檢測(cè)變速箱故障最為常見(jiàn)的原因之一。
三、結(jié)語(yǔ)
綜上所述,小波變換與其他分析方法相比,優(yōu)勢(shì)較為明顯,因?yàn)槠渚邆涓拥臅r(shí)頻窗口特點(diǎn),能夠任意調(diào)節(jié)在不同時(shí)域取樣的頻率,這也完全能夠滿足不同頻率信號(hào)變化的特點(diǎn)。所以,通過(guò)小波變換能夠?qū)ψ兯傧涞墓收线M(jìn)行準(zhǔn)確判斷。
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