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文/ 發(fā)布于 : 2021-06-08 瀏覽次數(shù):7090
由于齒輪故障癥狀及其信號的復(fù)雜性,因此在對齒輪進行故障診斷時,需要在盡可能地消除噪聲干擾、提高信噪比的前提下,提取出清晰故障特征信息。
常用的方法有以下幾種:
1. 細化譜分析法
細化譜分析法是通過采用頻率細化技術(shù)來增加頻譜圖中某些頻段上的頻率分辨率,即所謂的“局部頻率擴展”法。在齒輪故障信號中,調(diào)制后得到的邊頻含有豐富的故障信息,但是在一般的頻譜圖上往往又找不出清晰、具體的邊頻,究其原因是頻譜圖的頻率分辨率太低。頻譜圖上的頻率分辨率則是由譜線和最高分析頻率決定的,行業(yè)內(nèi)對此有定規(guī),具體關(guān)系為下式所示: ? f= f c /n= fs/N 式中,? f~頻率間隔,即頻率分辨率;f c~分析頻率范圍,即最高分析頻率;fs~采樣頻率,為避免頻率混淆,fs=(2.56 ~ 4)f c,一般為 fs=2.56 f c;n~譜線條數(shù),為定值,分有 100 線、200 線、400 線、800 線四檔;N~采樣點數(shù),N=2.56n,分有 256 點、512 點、1024 點、2048 點四檔。由于齒輪的嚙合頻率及其諧波的頻率很高,從而使分析頻率范圍 f c 不得不很高,也就引起頻率間隔?f 很大,即頻率分辨率很低,因此造成邊頻較難顯現(xiàn)及分辨。而細化譜分析法只是對某些部分頻段沿頻率軸進行放大,好像放大鏡一樣,把頻譜圖上某些感興趣的局部區(qū)域放大,從而得到頻率分辨率很高的細化譜,見右圖。這樣,就可以通過觀察細化后的邊帶結(jié)構(gòu),去尋找故障的特征信息。
2. 倒頻譜分析法
頻譜圖的幅值有兩種表示方法:一種是以振幅形式表示,稱為幅值譜;另一種以能量形式表示,稱為功率譜。功率譜是用來研究各頻率成分的能量在頻域上的分布。頻譜圖縱坐標(biāo)的刻度也有兩種表示方法:一種是線性坐標(biāo),另一種是對數(shù)坐標(biāo)。線性坐標(biāo)的優(yōu)點是直觀,缺點是不能同時顯示數(shù)值相差很大的成分;而對數(shù)坐標(biāo)恰恰相反,可以同時顯示出數(shù)值相差很大(1000 倍,甚至更高)的頻率成分,但這些成分之間是不成線性比例關(guān)系的。幅值譜的縱坐標(biāo)為線性坐標(biāo),功率譜的縱坐標(biāo)一般為對數(shù)坐標(biāo)。對數(shù)坐標(biāo)以分貝[dB]表示,其定義為 Ad=20 l g(A/Ar) 或 Ad=10 l g(A2 /Ar 2) 式中,Ad~基準(zhǔn)幅值(或參考幅值),常取 Ad=1V,對無量綱量取 Ad=1 A~幅值,單位與 Ad 相同。由上式可知,分貝值為 6,幅值之比為 2,即人們常說的“6 個分貝翻一翻” ;92分貝值為 20,幅值之比為 10;分貝值為 60,幅值之比為 1000。倒頻譜的定義是功率譜對數(shù)的功率譜。其表示式為C(τ) = { F- 1 [ l o gG(f)] } 2式中,G(f)~時間信號 fz 的功率譜,即 G(f) = {F[fz(t)] } 2 τ~倒頻譜的時間變量,稱為倒頻率。倒頻譜的縱坐標(biāo)與頻譜可采用相同的單位,而橫坐標(biāo)為倒頻率,單位為毫秒[ms]。倒頻譜分析法在齒輪故障診斷中具有特殊的作用,特別是用在邊頻帶的分析上。因為,實際齒輪箱振動信號的頻譜圖是十分復(fù)雜的,當(dāng)有幾個邊頻帶相互交叉分布在一起時,僅依靠頻率細化分析法是不夠的,往往難以看出邊頻帶的結(jié)構(gòu)。而倒頻譜則能夠較為清晰地顯示出頻譜圖中的周期性結(jié)構(gòu)成分——邊頻。如果把一個復(fù)雜的頻譜看著為一個時間歷程信號,在嚙合頻率及其諧波周圍分布著很多邊帶,邊帶的間隔頻率就是故障頻率,故障頻率的諧波階次越高,其振幅值越小,則諧波峰值的平均包絡(luò)線接近于一個周期波。對此功率譜圖再作一次譜分析(即進行傅里葉逆變換),轉(zhuǎn)換到一個新域里,從而把周期性的頻率結(jié)構(gòu)很清楚地顯現(xiàn)出來,這就是倒頻譜分析方法。倒頻譜是對原頻譜圖上周期性頻率結(jié)構(gòu)成分的能量作了又一次集中,并在功率的對數(shù)轉(zhuǎn)換時給低幅值分量有較高的加權(quán),而對高幅值分量以較低的加權(quán),結(jié)果是突出了小信號周期。因此,利用倒頻譜圖可以有效地識別頻譜上的周期成分。這是倒頻譜分析的第一個優(yōu)點。例如,某齒輪箱的功率譜圖,頻率范圍為 0~20kHz,譜線為 400 條??煽吹?4.3 kHz93的嚙合頻率及其二階和三階諧頻。因頻率分辨率太低(50 kHz),不能分解出邊頻帶。 3.5~13.5 kHz 頻段的細化功率譜(2000 線),由于分辨率較高(5Hz),可看到很多邊頻成分,但很難分辨出它們的周期。
3. 時域同步平均法
時域同步平均法的目的在于保留和齒輪故障有關(guān)的周期成分,去除其它非周期成分和噪聲的干擾,從而提高振動信號的信噪比。時域同步平均的原理是,按齒輪每轉(zhuǎn)一圈的周期間隔截取信號,在多次截取信號的基礎(chǔ)上,然后反復(fù)進行分段疊加的平均處理,這樣,隨著平均次數(shù)的增加,齒輪周期性的旋轉(zhuǎn)頻率和嚙合頻率及其各階諧波成分得以保留,而那些非周期性的無關(guān)噪聲成分則逐漸消失。最后再經(jīng)過光滑化濾波,即可獲得僅與齒輪實際振動有關(guān)的信號,這無論在時域上或頻域上均有利于齒輪故障狀態(tài)的分析。右圖為一個淹沒于隨機噪聲中的正弦波信號,在經(jīng)過 256 次線性平均后,又重新顯現(xiàn)出原來的正弦波信號形狀。時域同步平均法的關(guān)鍵是必須要有時標(biāo)信號,即齒輪的轉(zhuǎn)速脈沖信號。用脈沖的間隔時間作為齒輪每轉(zhuǎn)的時標(biāo),用脈沖信號去觸發(fā) A/D 轉(zhuǎn)換器工作,實現(xiàn)按齒輪旋轉(zhuǎn)周期截取信號,而且起始點始終對應(yīng)于齒輪的某一角位置,從而確保時標(biāo)周期與齒輪旋轉(zhuǎn)周期一致。如果希望對每個齒輪都進行時域同步平均時,則可以將測得的時標(biāo)信號周期 T 按相應(yīng)的傳動比進行擴展或壓縮,換算為該齒輪的旋轉(zhuǎn)周期 T′。時域平均處理后的信號包含著齒輪故障的具體信息。右圖表示齒輪在幾種狀態(tài)下的時域同步平均,正常的時域平均信號,波形應(yīng)該是均勻一致的、光滑的,主要由嚙合頻率組成,沒有明顯的高次諧波;齒輪不對中,嚙合頻率為轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率所調(diào)制,形成調(diào)幅波形;齒面嚴(yán)重磨損,波形中波峰與波谷均呈不光滑形狀,95嚙合頻率出現(xiàn)較大的高次諧波成分;齒面局部嚴(yán)重剝落或斷齒,在一圈波形總體上還算是均勻的情況下,出現(xiàn)了一處波形的突跳現(xiàn)象。
4. 自適應(yīng)消噪技術(shù)
齒輪的故障信號往往混有很大的背景噪聲,這種背景噪聲會把真正有用的信號淹沒了。為了提高信號的信噪比,除了用信號同步平均法外,還可以采用自適應(yīng)噪聲消除技術(shù),簡稱為 ANB 技術(shù)。這種技術(shù)通過兩個傳感器分別拾取信號,然后再進行處理,消噪的能力很強。尤其是采用 ANB 處理技術(shù),可以使倒頻譜受背景噪聲影響的缺點得以克服,提高了倒頻診斷的靈敏度和準(zhǔn)確性。
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