机械故障诊断技术论文模板

基于Hilbert解调法的振动信号齿轮诊断方法机械11013110301000×××摘要：振动诊断技术是目前机械故障诊断中最常用的诊断方法，它是通过测量机械外部振动来判断机械内部故障的一种方法。本文将详细阐述基于Hilbert解调法的振动信号齿轮诊断方法，通过对Hilbert解调法基本原理的介绍，引出此方法在齿轮故障诊断中的应用，然后再通过具体工程实例来加以说明解释。文章的最后将得出结论：此方法能够有效地判断齿轮故障部位，以便立刻做出决策来消除故障。关键词：Hilbert解调，振动信号，齿轮故障诊断GearfaultdiagnosismethodbasedonHilbertdemodulationforvibrationsignalsAbstract:Thetechnologyofvibrationdiagnosisisoneofthemostadopteddiagnosticmethodsinmechanicalfaultdiagnoses.Thewayofjudgingthemachineryinternalfaultisdonebymeasuringthemachineryexternalvibration.Inthispaper,IwillelaborateongearfaultdiagnosismethodbasedonHilbertdemodulationforvibrationsignals.OnthebasisofintroducingthebasicprincipleofHilbertdemodulation,theapplicationofthismethodingearfaultdiagnosiswillbeproposed.Afterunderstandingthat,aspecificexamplewillbeinvestigatedforfurtherunderstanding.Intheendofthearticle,theconclusionwillbedrawn:thismethodcanjudgethepositionsofthegearfaultefficiently,inordertomakeadecisionimmediatelytoeliminatethefault.Keywords:Hilbertdemodulation,vibrationsignals,gearfaultdiagnosis.0引言机械故障诊断过程本质上是一个故障模式识别的过程[1]，针对某一个具体的机械故障诊断问题，选择不同的模式识别方法，其分类精度和准确性可能会有较大的差异[2,3]。对于不同类型的故障以及故障在不同机械上的存在，我们应该选择合适的方法对其进行诊断，以保证高的分类精度和准确性。在不同的机械零件中，齿轮是最普遍的一种零件之一；齿轮传动又是机械设备中最常用的传动方式。齿轮失效又是诱发机器故障的重要因素[4]。因此，对齿轮的故障诊断就显得尤为重要。在机械故障诊断学上，齿轮故障诊断的方法有很多，如振动诊断、扭振分析、噪声分析、声发射、油样分析、温度及能耗检测等[5]。这些方法大致可以分为两大类：一类是通过对齿轮运行中的动态信号的处理分析来判断振动、噪声信号。另一类是根据摩擦磨损理论，通过研究分析齿轮箱的温度和润滑油中的磨屑状态来诊断齿轮的状况。由于第一类方法具有便于记录、处理和不易受干扰等优点而被广泛采用。而对于用传感器、放大器及其他测量仪器所得到的振动信号，又存在着不同的分析和处理办法（其目的在于提取信号中的故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障类型）。选择最为合适的一种处理办法，不仅能够快速地诊断出故障部位，而且还具有非常高的准确率。齿轮的局部故障（如疲劳点蚀、剥落等）通常由幅值调制和频率调制的形式表现出来，其结果反映在频域上即为边频带成分。由于在测量中影响边频带成分的因素比较多，往往给频域分析带来困难。因此，我们此时需采用解调方法，从齿轮振动的时域信号中直接提取调制信号，并分析调制函数与齿轮故障的变化关系，以便找到齿轮故障根源及其严重程度进而找出相应的解决措施[6]。由于齿轮的局部故障通常由幅值调制和频率调制的形式表现出来，但在测量信号中影响边频带成分的因素较多，而Hilbert解调法又能够从齿轮振动的时域信号中直接提取调制信号。因此，可以将Hilbert解调法运用在初论故障诊断上。本文将采用基于Hilbert解调法的齿轮诊断方法，旨在通过此方法准确、可靠地达到对齿轮故障的诊断和预防的目标，并且能够在准确诊断齿轮故障的基础上进行相应的处理，以消除故障从而保证其在一定的工作期限内可靠、有效地实现其功能。1Hilbert的基本原理对调制信号进行基于Hilbert变换的幅值解调分析，其基本思想是把一个实信号表示为一个复信号，从而构成解析信号，这样不仅使理论讨论方便，更重要的是可研究调制信号的时间包络曲线、瞬时相位和瞬时频率[7]。1.1Hilbert变换实函数)(tx的Hilbert变换按式dtxttxtx)(11*)()(（1）定义：式中*表示卷积。对于离散序列)(nx，可通过FFT的正逆变换的方式求出其Hilbert变换)(nx。令)]([)(nxFFTkX，)]([)(nxFFTkX，1,2,1,0Nn])(1[)(nxFFTkH，1,,2,1,0Nk由时卷积定理得)()()(kHkXkX，1,,2,1,0Nk而1,,22,12,2,0,012,,2,1,)sgn()(NNNkjNkNkjkjkH　　　　　　　　　　　　　　　设)(I)()(mkkRkXm则1,,22,12),(R)(I2,0,0.00.012,,2,1),(R)(I)(ememNNNkkjkNkjNkkjkkX　　　　　　　　　　　对)(kX作傅里叶变换，即得1,,2,1,0)],([)(NnkXIFFTnx　　1,,2,1,0Nk（2）求序列)(nx的Hilbert变换)(nx的程序流程图如图1所示。图1.Hilbert变换程序流程图1.2幅值解调分析解析信号)(tz由式)()()(nxjnxnz（3）定义。因为)(nz是一个复信号，用矢量表示为)()()(njenrnz（4）式中)()()(22nxnxnr（5）)()(arctan)(nxnxn（6）)(nr称为)(nx的振幅（包络线），)(n称为瞬时相位。即任意的实序列)(nx可表示为))(cos()()(nnrnx（7）式中)(nr表示系统的瞬时能量的时间变化。不仅可以从振幅。还可以从瞬时相位这个参数观测)(nx。将)(n微分：)()(ndndnw（8）)(nw即为瞬时频率。求包络)(nr的过程就是解调。对)(nr作谱分析，可得到包络信号的包络谱。流程图如图2所示。图2.解调分析流程图总结说来，希尔伯特解调算法的具体步骤为[8]：①求出采样信号的Hilbert变换对②以采样信号为实部、Hilbert变换对为虚部，两者构成解析信号③求模得到信号的包络④对包络进行低通滤波，作FFT求出包络谱，得到调制频谱及其高次谐波，并可得到相位调制函数。随着计算机产业的发展，在实际生产运用中，可以直接通过MATLAB程序实现对此繁杂的数据计算过程，并能够达到很高的准确率和效率。2Hilbert解调法在齿轮诊断中的应用用Hilbert解调法对齿轮进行故障诊断时，是利用Hilbert变换性质，构造一复解析时间信号进行解调，恢复原调制信号（其基本原理前文已阐述）、解调后的信号，可直接观察波形，分析故障情况，也可进行频谱分析或其他分析。在实际应用过程中，通常观察其时域信号，无法从中辨别是否有故障存在，但调制信号中有一个小峰值，则预测此位置可能会发生故障。进而我们可以通过以此信号频率的整数倍为中心频率进行窄带带通滤波，并对滤波信号进行Hilbert解调分析，最后得出齿轮中故障的具体位置。在此过程中，我们需要着重注意齿轮箱的测试、诊断与数据处理方法。2.1在齿轮故障诊断中应注意的问题2.1.1测点部位的确定首先，测试信号的获取过程中，需要将测量装置摆放在合适的位置，才能测得准确的、代表性的测量数据。总结说来，测点的选取一般遵循以下两条原则[9]：（1）轴承座为天然的测点，它能最直接的反映与本轴有关的振动信息，如果结构条件不允许，应使测点尽量靠近轴承座（原因：振动信号与传递中的衰减，特别是高频信号的衰减较快）；（2）对重要的、经常发生故障的部位可多布测点，而不重要的、不常发生故障的部位可少布测点。利用振动对齿轮箱进行诊断，主要使用转速在1000r/min以上的直齿圆柱、人字齿轮、直齿锥齿轮及斜齿圆柱齿轮等。测点部位主要选择普通减速器的轴承座盖。对于高级减速器，若轴承座在机罩内部，则可选轴承附近刚性好的部位，或测量基础的振动[10]。2.1.2测定参数的确定齿轮大声的振动中，有1kHz以上的高频固有振动，也有与齿轮的选择频率或啮合频率相关的低频振动。通常对于低频振动，可选择振动速度作为测量参数；对于与固有振动相关的高频振动，可选择振动加速度作为测定参数。2.1.3测定周期的选择为了及时发现齿轮初期状态的异常，需要合理确定测量周期。一般来讲，当齿轮处于正常工作情况下，可保持固有周期；当振动增大或出现异常征兆时，则应采用缩短周期的对策，并应将测定周期尽可能安排得短些。2.1.4判断标准的确定齿轮通过振动检测，是处于正常状态还是发生了异常，需要有判定的标准。根据判断标准，才能知道测定值所表示的齿轮状态是正常状态，还是必须注意监测的状态。判定标准可分为以下两类：（1）绝对判断标准：可将同一个部位测得的值原封不动地作为评价的依据。（2）相对判断标准：对于还没有制定的绝对判断标准的齿轮，适合于使用过去的实际统计资料。例如，相对判断值标准规定实测值达到正常值的两倍时要引起注意；达到4倍时，则表示危险。2.1.5传感器的安装方法加速度传感器与其他传感器相比，其优点为能够测定频率范围较宽的振动信号，且廉价、使用方便，并能对振动速度和振动位移进行转换，所以得到广泛的应用。无论使用哪种传感器都应注意传感器与被测物之间必须进行绝缘。如果绝缘不良，就会发生同机械振动毫无关系的电噪声，使振动波形与实际情况不相符合，从而造成诊断上的错误。特别是在固定传感器时，更要注意垫上具有绝缘性能的专用垫片。2.2数据的计算（各轴转速、转频、啮合频率、电机滚动轴承通过频率、滚动轴承固有频率）（1）由现场观察发现，选取振动和噪声较大的转速作为基准，选择此传动链作为测试工况。通过各齿轮齿数对应的关系求出各轴的转速、转频及啮合频率；（2）电机滚动轴承通过频率的计算内环通过频率ZDdffa)cos1(5.01（9）外环通过频率ZDdffao)cos1(5.0（10）滚动体通过频率dDDdffab)cos1(5.022（11）式中：Z—滚动体数目,af—轴转频,D—轴承的节径,d—旋转体直径,—接触角（3）滚动轴承固有频率计算钢球的固有频率kHzErfbn2424.0（12）其中，r为钢球半径（m），为材料密度（kg/m3），E为弹性模量（pa）。外环或内环的径向弯曲固有频率为：kHzmmmDDHhDAfom1)1()1)1)((1()/1(1041.0)(2243（13）式中，A为轴承型号，h为圆环宽度（mm），D为圆环外径（mm），m为振动阶数（3,2,1m）。通过查表法（依据阶数和滚动轴承的型号）可以查得滚动轴承外圈和内圈的径向固有频率。2.3故障齿轮的频域特征表1.齿轮典型故障的振动特征[11]齿轮状态主要频率特征产生原因正常rznfnf齿轮自身刚度引起的不同轴rrzzmffnfnf齿轮、轴装配不当偏心rrzzmffnfnf加工原因局部异常rmf齿根有大裂纹、局部齿面磨损、轮齿断裂、局部