基于沖擊響應(yīng)譜特征提取的自動(dòng)機(jī)裂紋故障診斷

李海廣，潘宏俠，任海鋒

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭014010）

基于沖擊響應(yīng)譜特征提取的自動(dòng)機(jī)裂紋故障診斷

李海廣1，2，潘宏俠1，任海鋒1

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原030051；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭014010）

針對(duì)武器自動(dòng)機(jī)在動(dòng)作過程中，機(jī)構(gòu)相互碰撞產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)信號(hào)，提出計(jì)算沖擊振動(dòng)信號(hào)的沖擊響應(yīng)譜，并提取沖擊響應(yīng)譜特征值，進(jìn)而開展自動(dòng)機(jī)部件裂紋故障識(shí)別的新方法。開展不同裂紋部件的射擊試驗(yàn)，采集正常及故障條件下自動(dòng)機(jī)部件碰撞沖擊信號(hào)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分離；計(jì)算分離后沖擊信號(hào)最大沖擊響應(yīng)譜，根據(jù)沖擊響應(yīng)譜不同區(qū)域的沖擊響應(yīng)特征參數(shù)，提出沖擊響應(yīng)譜相對(duì)峰值比和相對(duì)峰值頻率比的定義，并將相對(duì)峰值比、相對(duì)峰值頻率比作為故障特征值進(jìn)行提?。辉诓煌鸭y故障條件下，對(duì)比故障特征值統(tǒng)計(jì)分布形態(tài)，完成不同故障條件的識(shí)別試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊響應(yīng)譜特性提取可以準(zhǔn)確有效地診斷自動(dòng)機(jī)裂紋故障，是一種可以用來在線監(jiān)測的新方法。

兵器科學(xué)與技術(shù)；故障診斷；運(yùn)動(dòng)形態(tài)；沖擊響應(yīng)譜；相對(duì)峰值比；相對(duì)峰值頻率比

0　引言

自動(dòng)機(jī)是自動(dòng)武器的核心組成部分，完成重新裝彈和發(fā)射下一發(fā)彈的全部動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射的各機(jī)構(gòu)的組合［1］，其工作循環(huán)一般包括:擊發(fā)、活動(dòng)件后坐、開鎖、退殼、復(fù)進(jìn)、閉鎖等主要過程，正常的自動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)特性［2］。在高溫、高壓、高沖擊的工作環(huán)境下，自動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)停射、卡澀、射速偏低等故障［3］，其中裂紋及磨損等故障是影響工作可靠性的重要因素。傳統(tǒng)的檢測方法往往是將零部件解體，進(jìn)行觀察或利用超聲［4］、渦流［5］、漏磁［6］等技術(shù)進(jìn)行無損檢測。然而隨著信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)測試及傳感器技術(shù)的發(fā)展，世界各國學(xué)者普遍重視能夠在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對(duì)機(jī)械設(shè)備發(fā)生異常的部位及異常發(fā)生的原因，進(jìn)行精確分析診斷的新技術(shù)。振動(dòng)信號(hào)含有豐富的反映機(jī)械工作狀態(tài)信息，且易于獲取，相關(guān)分析理論也相對(duì)成熟，因此利用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷的技術(shù)最為普遍。其中振動(dòng)信號(hào)對(duì)于裂紋等早期故障的預(yù)報(bào)研究中，李輝等［7］在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、劉長利等［8］在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)研究中，均發(fā)現(xiàn)裂紋對(duì)振動(dòng)特性的影響。自動(dòng)機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其振動(dòng)特性為高強(qiáng)度的短時(shí)沖擊信號(hào)，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋等故障時(shí)也會(huì)影響其沖擊響應(yīng)信號(hào)的頻率、能量特性。文獻(xiàn)［9-12］提出采集自動(dòng)機(jī)射擊工作過程中的沖擊振動(dòng)信號(hào)，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）［10］、局域波［11-12］等信號(hào)分解方法，找到故障信息敏感的信號(hào)分量，再提取故障特征值進(jìn)行模式識(shí)別的自動(dòng)機(jī)裂紋故障識(shí)別方法。然而這類識(shí)別方法的最大缺陷是在故障分量的選擇中存在主觀因素，不同分解方法通常選擇不同的故障分量，同時(shí)造成模式識(shí)別的困難。在沖擊振動(dòng)信號(hào)的研究領(lǐng)域中，沖擊響應(yīng)譜是將沖擊振動(dòng)信號(hào)整體作為研究對(duì)象，因此本文提出利用沖擊響應(yīng)譜提取故障信息的新方法。沖擊響應(yīng)譜是將沖擊信號(hào)輸入到一個(gè)單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，得到該系統(tǒng)在不同自然頻率下的相應(yīng)峰值，由布洛特于1963年提出。沖擊響應(yīng)譜廣泛應(yīng)用于沖擊試驗(yàn)，模擬真實(shí)的沖擊環(huán)境，表征沖擊作用效果，如包裝貨品跌落［13］、火箭發(fā)射［14］、飛機(jī)著陸［15］等。也有學(xué)者指出沖擊響應(yīng)譜特征能夠反映出真實(shí)沖擊信號(hào)的特性［16］，能夠用于不同沖擊過程的比較［17］，但這一研究領(lǐng)域還未引起廣大學(xué)者的重視，基于沖擊響應(yīng)譜的故障信號(hào)識(shí)別工作還未廣泛開始。

本文基于沖擊響應(yīng)譜能夠反映出沖擊信號(hào)特征的特性，將沖擊響應(yīng)譜的應(yīng)用范圍衍生到故障處理領(lǐng)域。利用自動(dòng)機(jī)在工作循環(huán)的每個(gè)分解過程中，形成的沖擊振動(dòng)信號(hào)為分析對(duì)象，通過計(jì)算沖擊信號(hào)的最大沖擊響應(yīng)譜，分析沖擊響應(yīng)譜在不同區(qū)域的沖擊響應(yīng)特征值。提出相對(duì)峰值比，相對(duì)峰值頻率比的定義，并作為故障特征值進(jìn)行提取，利用特征值分布特性進(jìn)行不同故障類型的識(shí)別。故障對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以簡單、有效、客觀地反映出故障信息，鑒于沖擊響應(yīng)譜是沖擊振動(dòng)測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)功能，因此本文提出的方法很容易在硬件設(shè)備中實(shí)現(xiàn)在線故障診斷。

1　理論基礎(chǔ)

1.1沖擊響應(yīng)譜

沖擊響應(yīng)譜是基于沖擊加速度時(shí)域數(shù)值的計(jì)算函數(shù)，主要思想是將沖擊激勵(lì)施加在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單自由度質(zhì)量彈簧阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。每個(gè)單元由質(zhì)量為mi的質(zhì)塊，剛度為ki的彈簧，和一個(gè)阻尼為ci的阻尼器組成的單自由度系統(tǒng)，每個(gè)單元系統(tǒng)阻尼比ξi是相等的。

將加速度信號(hào)作為基礎(chǔ)激勵(lì)源，質(zhì)塊的運(yùn)動(dòng)方程為

式中:x為質(zhì)塊的絕對(duì)位移；y為基座的位移。定義z=x-y為相對(duì)位移，（1）式轉(zhuǎn)化為為系統(tǒng)的無阻尼自然頻率系統(tǒng)阻尼比。

求解方程（2）式，可以得到?jīng)_擊響應(yīng)峰值與自然頻率之間的函數(shù)，即該系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)譜。目前應(yīng)用較廣泛的沖擊響應(yīng)譜算法是改進(jìn)的遞歸數(shù)字濾波法［18］，該方法于1980年由Smallwood［19］提出。

圖1　沖擊響應(yīng)譜模型Fig.1 Shock response spectrum model

根據(jù)質(zhì)塊沖擊響應(yīng)參變量不同，沖擊響應(yīng)譜分為絕對(duì)加速度譜、相對(duì)位移譜；根據(jù)沖擊作用時(shí)間沖擊響應(yīng)譜可以分為初始沖擊響應(yīng)譜、殘余沖擊響應(yīng)譜、最大沖擊響應(yīng)譜；根據(jù)沖擊響應(yīng)參變量矢量方向，沖擊響應(yīng)譜可以分為正譜和負(fù)譜。由于沖擊造成的損害程度正比于最大沖擊響應(yīng)，是否發(fā)生在沖擊作用時(shí)間內(nèi)并不重要。因此在實(shí)際使用中，每時(shí)刻正負(fù)譜的絕對(duì)峰值譜作為系統(tǒng)的最大沖擊響應(yīng)譜，各沖擊響應(yīng)譜的關(guān)系如圖2所示，本文采用沖擊響應(yīng)譜為最大沖擊響應(yīng)譜。

圖2　不同沖擊響應(yīng)譜關(guān)系圖Fig.2 Links among different SRSs

1.2沖擊響應(yīng)譜區(qū)域特征

沖擊響應(yīng)譜能夠反映沖擊信號(hào)的特性，如圖3中分別為振幅相等、時(shí)間間隔相同的矩形脈沖、正弦脈沖、后峰鋸齒脈沖激勵(lì)等作用下的沖擊響應(yīng)譜，通常整個(gè)譜線可以分為3個(gè)區(qū)域［20］，可以在不同區(qū)域進(jìn)行譜特征提取。

1）脈沖區(qū)域。最大沖擊響應(yīng)譜數(shù)值小于沖擊幅值，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，譜線斜率理論上等于12 dB/oct，在實(shí)際應(yīng)用中，該區(qū)域的斜率在6 dB/oct與12 dB/oct之間［16］，比較小的斜率是由于傳感器缺陷產(chǎn)生基線漂移造成的。

2）靜態(tài)區(qū)域。正譜沖擊響應(yīng)值在高頻區(qū)域趨向于沖擊幅值。

3）中間區(qū)域。最大沖擊響應(yīng)是沖擊幅值動(dòng)態(tài)放大，放大系數(shù)顯著地依賴于沖擊信號(hào)的形狀和系統(tǒng)阻尼。Wright［16］針對(duì)不同沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證中，闡明沖擊譜中的加速度放大系數(shù)，即某一自然頻率對(duì)應(yīng)的加速度峰值與沖擊信號(hào)峰值之比，不同沖擊信號(hào)下，其取值范圍為2～6之間。

在不同譜線區(qū)域可以提取不同的沖擊響應(yīng)譜特征值:在脈沖區(qū)域，對(duì)數(shù)坐標(biāo)下譜線斜率可以表征沖擊信號(hào)的對(duì)稱性，如圖3中，對(duì)稱的正弦脈沖信號(hào)沖擊響應(yīng)譜斜率明顯大于矩形脈沖等非對(duì)稱脈沖信號(hào)；靜態(tài)區(qū)域中最大自然頻率所對(duì)應(yīng)的峰值沖擊響應(yīng)譜可以表征沖擊信號(hào)的幅值；中間區(qū)域內(nèi)可以提取沖擊響應(yīng)譜線峰值，表征加速度放大系數(shù)（見圖3），不同的沖擊信號(hào)響應(yīng)譜存在不同的沖擊響應(yīng)譜峰值。

圖3　不同沖擊激勵(lì)的沖擊響應(yīng)譜及譜區(qū)域劃分Fig.3 Shock response spectra of different input pulses and spectra domains

2　試驗(yàn)研究

2.1自動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

本文試驗(yàn)研究的對(duì)象為某型高射機(jī)槍，如圖4所示，采用導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)。由于自動(dòng)機(jī)的構(gòu)成比較復(fù)雜，各個(gè)機(jī)構(gòu)之間多是以曲面或者棱角的形式相接觸，給布置測點(diǎn)安放傳感器帶來困難。經(jīng)過對(duì)比自動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)的位置和考慮傳感器安放的可行性，最終選擇了在機(jī)槍尾部上方和機(jī)匣的前側(cè)上方來布置測點(diǎn)，具體測點(diǎn)位置如圖4所示。加速度傳感器采用美國PCB公司350A14量程為10 000 g的單向加速度傳感器，槍口正前方為x軸正方向，槍口左方向?yàn)閥軸正方向，建立坐標(biāo)系。本試驗(yàn)在機(jī)槍射擊靶場進(jìn)行，用比利時(shí)LMS系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的采集工作，設(shè)置采樣頻率為204.8 kHz.每個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況下，實(shí)彈射擊依次按照單發(fā)、3連發(fā)、5連發(fā)順序進(jìn)行射擊。

圖4　試驗(yàn)高射機(jī)槍及測點(diǎn)布置Fig.4 Test machine gun and measuring point arrangement

2.2自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解

在自動(dòng)武器發(fā)射過程中，自動(dòng)機(jī)各部件能夠按照給定的順序，分時(shí)分段、有條不紊地參與整個(gè)自動(dòng)機(jī)的工作。自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解的概念是:分析自動(dòng)機(jī)完整、準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)過程，將動(dòng)作過程中產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)過程相對(duì)應(yīng)起來，有針對(duì)性地對(duì)沖擊振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而得到自動(dòng)機(jī)相關(guān)工作狀態(tài)信息，形成一種自動(dòng)機(jī)振動(dòng)信息分析方法。圖5為本文試驗(yàn)高射機(jī)槍自動(dòng)機(jī)動(dòng)作過程，在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解，以開閉鎖過程為例。其開閉鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程分析如圖6，圖中:實(shí)線部分為開鎖時(shí)機(jī)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)碰撞過程，機(jī)框向右運(yùn)動(dòng)開鎖，主要撞擊點(diǎn)如圖所示有A、B兩個(gè)位置；虛線部分為閉鎖時(shí)機(jī)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)碰撞過程，機(jī)框向左運(yùn)動(dòng)閉鎖，主要撞擊點(diǎn)為C位置。

2.3基于運(yùn)動(dòng)形態(tài)振動(dòng)信號(hào)

圖7為本文試驗(yàn)在單發(fā)射擊模式下的機(jī)匣前側(cè)上方x軸方向振動(dòng)時(shí)域圖。由振動(dòng)信號(hào)可以看出，信號(hào)具有很強(qiáng)的沖擊特性，能量在撞擊后出現(xiàn)峰值，之后迅速地衰減，而每一次撞擊正是完成自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)循環(huán)的一環(huán)節(jié)，而基于每個(gè)循環(huán)環(huán)節(jié)的振動(dòng)信號(hào)特征提取，進(jìn)而開展自動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的研究，正是本文提出的運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解的概念。

圖7中撞擊1:機(jī)框撞擊閉鎖片（閉鎖撞擊）；撞擊2:機(jī)框撞擊擊針（擊發(fā)撞擊）；撞擊3:機(jī)框撞擊閉鎖片（開鎖撞擊）；撞擊4:抽殼撞擊；撞擊5:拋殼撞擊；撞擊6:后坐到位撞擊。過程1為閉鎖過程，過程2為開鎖過程，過程3后坐到位撞擊過程。

圖5　自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解Fig.5 Operation status decomposition of gun automatic mechanism

圖6　開閉鎖碰撞動(dòng)作示意圖Fig.6 Locking or unlocking collision process

2.4故障設(shè)置

本次試驗(yàn)共設(shè)置了兩種故障，其中對(duì)閉鎖片故障設(shè)置一種，槍擊框故障一種。分別為:故障1是在開鎖時(shí)閉鎖片旋轉(zhuǎn)與機(jī)槍框接觸的部位，即沿經(jīng)過閉鎖片回轉(zhuǎn)圓心且垂直于閉鎖片內(nèi)平面的方向，設(shè)置1.5mm深的裂紋槽；故障2即為機(jī)頭左右兩側(cè)的圓角矩形窗后端的兩對(duì)圓角上，沿圓角直徑各呈正負(fù)45°切入1.5mm深的裂紋槽，如圖8所示。

圖7　單發(fā)模式振動(dòng)信號(hào)基于運(yùn)動(dòng)形態(tài)分解Fig.7 Single-shot vibration signals based on operation status decomposition

圖8　不同部件故障裂紋位置Fig.8 Different crack locations on different parts

每一種故障模式下:實(shí)彈射擊模式為單發(fā)射擊，射擊3次，共3發(fā)子彈；3連發(fā)射擊模式，射擊兩次，共6發(fā)子彈；5連發(fā)射擊模式，射擊一次，5發(fā)子彈。在兩種故障和正常試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，共射?2發(fā)子彈。

2.5故障振動(dòng)信號(hào)截取

由于本次試驗(yàn)故障設(shè)置在閉鎖片和槍機(jī)上，而閉鎖片和槍機(jī)的主要?jiǎng)幼魇窃陂]鎖行程和開鎖行程完成的。根據(jù)位置關(guān)系，機(jī)匣的前側(cè)測點(diǎn)測量開閉鎖撞擊信號(hào)比較明顯，而且閉鎖沖擊振動(dòng)信號(hào)前有一段自由行程，加速度信號(hào)保持在0 g附近，整個(gè)閉鎖沖擊信號(hào)很容易分離下來。

由于單發(fā)射擊及連發(fā)第1發(fā)射擊時(shí)，各個(gè)機(jī)構(gòu)件之間有很大的空隙。但在連發(fā)射擊模式，第1發(fā)子彈的作用力后，各機(jī)構(gòu)件之間的空隙被很大地壓縮了，構(gòu)件之間振動(dòng)約束增強(qiáng)，沖擊振動(dòng)時(shí)間減少，造成單發(fā)及第1發(fā)子彈與后續(xù)連發(fā)子彈閉鎖沖擊信號(hào)作用時(shí)間不同。如正常模式下，第1組3連發(fā)子彈的第1發(fā)和第2發(fā)閉鎖x方向沖擊振動(dòng)信號(hào)，如圖9所示?？紤]到連發(fā)模式下，第2發(fā)及后續(xù)子彈的沖擊振動(dòng)信號(hào)會(huì)受到前1發(fā)的影響，故本文振動(dòng)信號(hào)截取單發(fā)及連發(fā)第1發(fā)子彈閉鎖x方向沖擊信號(hào)。

圖9　閉鎖沖擊信號(hào)時(shí)域圖Fig.9 Time domain signals from unlocking collision

2.6沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算

1）沖擊響應(yīng)譜參數(shù)選取。由（2）式可知計(jì)算沖擊響應(yīng)譜需要選取質(zhì)塊系統(tǒng)的阻尼比ξ和一組自然頻率ωn，由于本文是基于不同沖擊信號(hào)的沖擊響應(yīng)譜比較，阻尼比ξ的選取對(duì)于不同沖擊譜比較影響比較小，本文選取ξ=0.05.雖然任何一組自然頻率ωn都可以用來計(jì)算沖擊譜響應(yīng)，但由圖3可知，自然頻率的選擇影響到了譜線在不同區(qū)域的分布，本文選取質(zhì)塊自然頻率初始值為100 Hz.最大自然頻率選擇采集頻率的1/8，倍頻為21/6，即自然頻率序列ωn為100 Hz、105.95 Hz、112.25 Hz、118.92 Hz、…、100×21/6（N-1）Hz，這里N=98，沖擊響應(yīng)譜的計(jì)算采用遞歸數(shù)字濾波法。

2）沖擊響應(yīng)譜的區(qū)域分析。計(jì)算故障模式及正常模式下，閉鎖振動(dòng)沖擊信號(hào)的最大沖擊響應(yīng)譜，由于每一種故障模式共有6發(fā)子彈，產(chǎn)生6條不同的沖擊響應(yīng)譜線。如圖10所示，由圖10中可發(fā)現(xiàn)，不同故障模式下，最大沖擊響應(yīng)譜呈現(xiàn)出較一致的脈沖區(qū)域，不同形態(tài)的靜態(tài)區(qū)域和中間區(qū)域，其中:正常模式下，自然頻率104Hz附近，存在具有明顯峰值的中間區(qū)域，超過104Hz后為靜態(tài)區(qū)域；故障1模式下的中間區(qū)域不明顯，超過104Hz，沖擊響應(yīng)幅值仍然增加；故障2模式下在104Hz附近，沖擊響應(yīng)幅值基本保持不變，處于中間區(qū)域。

圖10　不同故障模式下的子彈沖擊響應(yīng)譜Fig.10 Shock response spectrum of the first bullet under different fault conditions

2.7沖擊響應(yīng)譜故障特征提取

由圖10分析可知沖擊響應(yīng)譜線在不同故障模式下主要差異表現(xiàn)為:是否出現(xiàn)明顯的靜態(tài)區(qū)域和放大區(qū)域。經(jīng)過比較分析故障模式及正常模式?jīng)_擊響應(yīng)譜線，可以發(fā)現(xiàn)不同的故障模式對(duì)應(yīng)3條典型的不同沖擊響應(yīng)曲線，如圖11所示。圖11（a）最大沖擊響應(yīng)峰值發(fā)生低于最大自然頻率的某個(gè)中間頻率，峰值之后呈下降趨勢(shì)；圖11（b）為中間區(qū)域最大沖擊響應(yīng)峰值發(fā)生在最大自然頻率附近，整體曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；圖11（c）在最大頻率附近，沖擊響應(yīng)值保持基本不變。

圖11　典型的不同沖擊響應(yīng)譜線形狀Fig.11 Typical shock response spectrum line shapes

觀察圖11中3條不同沖擊響應(yīng)譜曲線形狀，結(jié)合1.2節(jié)沖擊響應(yīng)譜不同區(qū)域的劃分方法，可知3條沖擊響應(yīng)譜曲線的不同，主要體現(xiàn)為中間區(qū)域與靜態(tài)區(qū)域的不同。但僅僅使用1.2節(jié)提出的譜線斜率、譜線峰值、最大自然頻率沖擊響應(yīng)值等沖擊響應(yīng)譜特征值，無法確定譜線峰值位置及譜線變化規(guī)律，還不足以區(qū)分這3條沖擊響應(yīng)譜曲線。為了區(qū)分不同區(qū)域劃分，可以提取以下主要參數(shù):沖擊響應(yīng)峰值Gmax及其對(duì)應(yīng)的自然頻率FnGmax，最大自然頻率Fnmax及最后n個(gè)連續(xù)沖擊響應(yīng)值的平均值。n的取值范圍可以通過觀察沖擊響應(yīng)譜整體趨勢(shì)確定，本文設(shè)定為自然頻率序列N的1/5，如圖12所示。

圖12　沖擊響應(yīng)譜線特征參數(shù)提取Fig.12 Feature extraction of different shock response spectra

定義相對(duì)峰值比Gr、相對(duì)峰值頻率比Fnr為

根據(jù)定義可知，Gr取值范圍大于等于1，F(xiàn)nr的取值范圍小于等于1.相對(duì)峰值比Gr為相應(yīng)譜峰值與后連續(xù)n個(gè)沖擊響應(yīng)值平均數(shù)之比，Gr的大小可以表征峰值的存在及其大小，Gr?1說明峰值明顯存在。相對(duì)峰值頻率比Fnr為沖擊響應(yīng)譜峰值頻率與最大自然頻率之比，其大小可以表征峰值位置，F(xiàn)nr?1說明峰值位置遠(yuǎn)離最大自然頻率。圖11（a）為中間區(qū)域+靜態(tài)區(qū)域的典型譜線，沖擊響應(yīng)峰值明顯大于最后n個(gè)沖擊響應(yīng)幅值的平均值，而峰值頻率遠(yuǎn)離最大自然頻率，故Gr大于1，而Fnr明顯小于1.圖11（b）為完全中間區(qū)域典型譜線，沖擊響應(yīng)峰值接近最大自然頻率沖擊響應(yīng)值，且大于最后n個(gè)沖擊響應(yīng)幅值平均值，故Gr大于1，峰值頻率接近最大自然頻率，F(xiàn)nr接近1.圖11（c）是過渡中間區(qū)域，沖擊響應(yīng)峰值與最后n個(gè)沖擊響應(yīng)幅值的平均值較接近，峰值頻率的取值范圍比較大，故Gr略大于1，F(xiàn)nr小于1.根據(jù)上述分析，圖11中3種不同沖擊響應(yīng)譜線上，使用Gr、Fnr提取相應(yīng)譜線特征，結(jié)果如表1所示。

表1　沖擊響應(yīng)譜不同區(qū)域特征提取Tab.1 Feature extraction of shock response spectra from different spectra domains

圖13　不同故障模式下Gr、Fnr分布特性Fig.13 Distribution characteristics of Grand Fnrin different fault modes

計(jì)算圖10所示在不同故障模式下沖擊響應(yīng)譜的故障特征值:相對(duì)峰值比Gr、相對(duì)峰值頻率比Fnr，其中n的取值范圍N/5=98/5≈20.觀察特征值的分布特性，繪制不同故障模式下Gr、Fnr的分布箱線圖，如圖13所示，以進(jìn)行故障類型的識(shí)別。從圖13可以清楚地觀察到正常模式下，Gr取值范圍分布在1.3～2.0內(nèi)，而Fnr取值集中分布在0.2附近。對(duì)照表1，可以判斷:正常模式下，譜線處于中間區(qū)域+靜態(tài)區(qū)域的狀態(tài)；故障1模式下，Gr取值范圍分布在1.4～1.7內(nèi)，F(xiàn)nr取值集中分布在0.7～1.0內(nèi)，接近1.0，對(duì)照表1可以判斷故障1模式的譜線處于完全中間區(qū)域；故障2模式下，Gr取值主要分布在1.3附近，而Fnr取值主要分布在0.2～1.0內(nèi)，對(duì)照表1，同樣可以判定故障2模式的譜線處于過渡中間區(qū)域。從圖13中還可以觀察到，每種故障工況下，并不是每發(fā)子彈均存在與總體趨勢(shì)相一致的譜線區(qū)域規(guī)律，考慮的原因是子彈個(gè)體的差異，如質(zhì)量、彈藥量不同，對(duì)射擊過程中沖擊振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。

對(duì)比圖8不同部件故障裂紋位置，故障1為閉鎖片裂紋故障，故障2為槍擊框裂紋故障。圖13中Gr、Fnr的分布規(guī)律可以準(zhǔn)確區(qū)分正常及兩種故障模式，說明沖擊響應(yīng)譜故障特征參數(shù)Gr、Fnr的分布特征可以有效地揭示故障的發(fā)生及故障位置的不同。進(jìn)而驗(yàn)證了本文提出利用高速自動(dòng)機(jī)動(dòng)作時(shí)的碰撞沖擊信號(hào)，通過提取沖擊響應(yīng)譜故障特征參數(shù)，開展故障識(shí)別的方法是完全有效的。

3　結(jié)論

1）基于自動(dòng)機(jī)動(dòng)作過程的運(yùn)動(dòng)分解，測量動(dòng)作過程中部件上的短時(shí)沖擊振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算沖擊信號(hào)的最大沖擊響應(yīng)譜，在不同裂紋故障模式下沖擊響應(yīng)譜形態(tài)呈現(xiàn)出不同區(qū)域劃分的特點(diǎn)。

2）本文定義:最大沖擊響應(yīng)譜的相對(duì)峰值比，即沖擊響應(yīng)峰值與最后n個(gè)沖擊響應(yīng)值的平均值之比；相對(duì)峰值頻率比，即沖擊響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的自然頻率與最大自然頻率之比。通過對(duì)相對(duì)峰值比、相對(duì)峰值頻率比取值范圍分析，可以確定沖擊響應(yīng)譜線的基本形態(tài)，如完全中間區(qū)域、靜態(tài)區(qū)域等。

3）基于不同部件、不同裂紋故障條件下，測取每發(fā)子彈的沖擊振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算最大沖擊響應(yīng)譜，將沖擊響應(yīng)譜相對(duì)峰值比、相對(duì)峰值頻率比作為故障特征進(jìn)行提取，并統(tǒng)計(jì)兩個(gè)參數(shù)的分布特性，該分布特征可以有效地識(shí)別出故障類別的不同。

總之本文研究結(jié)果表明，基于沖擊響應(yīng)譜特征提取的新方法可以有效地揭示自動(dòng)機(jī)的早期故障信息，是一種可以用于在線檢測的新方法。

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Crack Fault Diagnosis of Automatic Mechanism Based on Shock Response Spectrum Features Extraction

LI Hai-guang1，2，PAN Hong-xia1，REN Hai-feng1
（1.College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan，030051，Shanxi，China；2.Inner Mongolia Key Laboratory for Utilization of Bayan Obo Multi-Metallic Resources，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

A new crack fault diagnosis method is presented for the automatic mechanism of high-speed gun.The method uses shock response spectrum（SRS）for features extraction.Impact vibration data are acquired in the weapon firing test in which different cracked parts are used.These data are separated according to gun operation status.The shock response spectra of the separated data are computed.Two new definitions of relative peak ratio and relative peak frequency ratio of response spectrum are proposed based on different response characteristics of response spectrum area.The relative peak ratio and relative peak frequency ratio as fault features are extracted.The various faults are recognized by comparing the Statistical distribution pattern of fault characteristic values under different crack conditions.The experimental result shows the proposed method can be used effectively and accurately to diagnose the crack failures ofgun automatic mechanism and is particularly applicable for on-line monitoring.

ordnance science and technology；fault diagnosis；operation status；shock response spectrum；relative peak ratio；relative peak frequency ratio

TJ06

A

1000-1093（2016）09-1744-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.027

2016-03-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51675491）

李海廣（1975—），男，副教授。E-mail:btlhgboy@163.com；潘宏俠（1950—），男，教授。E-mail:panhx1015@163.com