角域四階累積量切片譜在連桿軸承微弱故障提取中的應(yīng)用

角域四階累積量切片譜在連桿軸承微弱故障提取中的應(yīng)用

黃連軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件。它的技術(shù)狀態(tài)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀和長(zhǎng)度。連桿軸承磨損故障特征微弱,容易被發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的其他分量和強(qiáng)噪聲淹沒(méi),難以提取。發(fā)動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速過(guò)程更容易暴露微弱故障特征,但變轉(zhuǎn)速過(guò)程信號(hào)是多分量非平穩(wěn)信號(hào),常用的頻譜分析方法并不能取得較好的效果,需要有效的非平穩(wěn)信號(hào)分析方法。文獻(xiàn)用小波包-AR譜提取連桿軸承故障特征,但特征提取結(jié)果往往依賴(lài)于小波基函數(shù)的選擇,文獻(xiàn)將循環(huán)平穩(wěn)理論應(yīng)用于連桿軸承故障的特征提取,而循環(huán)平穩(wěn)理論對(duì)于信號(hào)周期性、平穩(wěn)性要求太高且計(jì)算量大。階比分析是分析變轉(zhuǎn)速過(guò)程非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的有效方法,已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速過(guò)程信號(hào)分析中取得了較好效果,但階比分析沒(méi)有抑制噪聲能力,因此在微弱故障特征提取上有一定的局限性。高階譜具有較強(qiáng)的高斯噪聲抑制能力,但只能分析平穩(wěn)信號(hào),而且計(jì)算量較大,在分析變轉(zhuǎn)速過(guò)程非穩(wěn)態(tài)信號(hào)時(shí)受限。為了從變轉(zhuǎn)速過(guò)程非穩(wěn)態(tài)信號(hào)中有效提取出連桿軸承微弱故障特征,本文提出了一種基于角域四階累積量切片譜的柴油機(jī)連桿軸承特征提取方法。采用階比方法將變轉(zhuǎn)速過(guò)程非平穩(wěn)信號(hào)重采樣成角域平穩(wěn)信號(hào),再計(jì)算四階累積量切片譜,并應(yīng)用于提取連桿軸承故障特征,取得了較好的效果。1角域四階累積曲線的譜分析原理1.1軸類(lèi)轉(zhuǎn)角的t階比分析將時(shí)域的非平穩(wěn)信號(hào)等角度重采樣成角域平穩(wěn)信號(hào),其具體分析原理為:假設(shè)機(jī)器做勻變速運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)角與時(shí)間滿足二次多項(xiàng)式關(guān)系:式中,θ(t)是軸的轉(zhuǎn)角,b0,b1,b2為待定系數(shù),t為時(shí)間。將3個(gè)依次到達(dá)的脈沖時(shí)間點(diǎn)t1,t2,t3代入式(1),因?yàn)檗D(zhuǎn)速脈沖的角度間隔Δф是固定的,即將式(2)代入式(1)求解可以得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角變化的時(shí)間:式中,Δθ為等角度采樣的角度間隔,k為插值系數(shù),由式(4)決定根據(jù)式(3)所求得的t值,通過(guò)插值對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重采樣,得到等角度采樣信號(hào)。1.2階累積量的三維切片零均值的高斯隨機(jī)過(guò)程的3階以上高階累積量恒等于零。因此,如果一個(gè)測(cè)量信號(hào)中含加性高斯噪聲,高階累積量理論上可以完全抑制高斯噪聲的影響,提取出有用的信號(hào)。離散零均值平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程x(n)的四階累積量為:式中:E[·]為數(shù)學(xué)期望,Rx(τ)是{x(n)}的二階矩,Rx(τ)=E[x(n)x(n+τ)]。τ1、τ2、τ3為滯后量,無(wú)量綱。根據(jù)τ1、τ2和τ3取值的不同,x(n)的四階累積量的一維切片共有3種:(1)當(dāng)τ1=τ2=τ3=τ時(shí),(2)當(dāng)τ1=τ2=τ,τ3=0或τ1=τ3=τ,τ2=0或τ2=τ3=τ,τ1=0時(shí),(3)當(dāng)τ1=τ,τ2=τ3=0或τ2=τ,τ1=τ3=0或τ3=τ,τ1=τ2=0時(shí),其中:c14x稱(chēng)為對(duì)角切片;c24x和c34x稱(chēng)為非對(duì)角切片。對(duì)四階累積量的一維切片進(jìn)行傅里葉變換,得到四階累積量切片譜:這些譜都是三譜在不同方向的一維投影。對(duì)于受高斯噪聲污染的平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)而言,其一維高階累積量對(duì)角切片與非對(duì)角切片是相等的。當(dāng)信號(hào)為非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)時(shí),信號(hào)的一維高階累積量對(duì)角切片與非對(duì)角切片一般是不相等的,它們抑制高斯噪聲的效果是不同的,且與信號(hào)有關(guān)。相比于高階譜的定義:式中,ckx(τ1,τ2,…,τk-1)=cum{x(n),x(n+τ1),…,x(n+τk-1)}表示零均值的k階平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程{x(n)}的k階聯(lián)合累積量?？梢钥闯?高階譜是由高階累積量經(jīng)過(guò)多維傅氏變換得到的,計(jì)算量大且耗時(shí)長(zhǎng),四階累積量切片譜比三譜明顯簡(jiǎn)化了計(jì)算的復(fù)雜度,但保留了其抑制高斯噪聲的優(yōu)點(diǎn)。1.3階累積量切片譜為了有效分析變轉(zhuǎn)速過(guò)程非平穩(wěn)信號(hào),抑制噪聲干擾,提取連桿軸承故障特征,本文提出了角域四階累積量切片譜,既能分析變轉(zhuǎn)速過(guò)程非平穩(wěn)信號(hào),又能抑制高斯噪聲干擾。具體實(shí)現(xiàn)步驟:(1)采用階比分析將變轉(zhuǎn)速過(guò)程非平穩(wěn)信號(hào)等角度重采樣成角域平穩(wěn)信號(hào);(2)計(jì)算角域平穩(wěn)信號(hào)的四階累積量對(duì)角切片;(3)對(duì)四階累積量的一維對(duì)角切片進(jìn)行離散傅里葉變換,得到四階累積量切片譜:2基于角域內(nèi)四個(gè)累積曲線的函數(shù)提取，以提取機(jī)車(chē)框架軸的故障特征2.1測(cè)試結(jié)果與分析以實(shí)車(chē)WD615型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象,設(shè)置第2缸連桿軸承為故障軸承,試驗(yàn)時(shí)盡量不改變其它條件,僅改變連桿軸承的配合間隙。WD615型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸承配合間隙正常極限為0.17mm,本試驗(yàn)中連桿軸承正常和故障的配合間隙參數(shù)如表1所示。為了比較不同的測(cè)點(diǎn)位置對(duì)信號(hào)特征提取的影響,試驗(yàn)中設(shè)置了多個(gè)測(cè)試點(diǎn),如圖1所示。將加速度傳感器分別放置在第2缸對(duì)應(yīng)的缸蓋頂部(A位置),缸體上部右側(cè)(B位置),左側(cè)(C位置),油底殼與缸體結(jié)合處右側(cè)(D位置),左側(cè)(E位置),和油底殼下部(F位置)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速過(guò)程中,故障特征暴露更加明顯,但變轉(zhuǎn)速過(guò)程采集的重復(fù)性很難控制,為了保證各次數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性,采用定轉(zhuǎn)速觸發(fā)方式采集發(fā)動(dòng)機(jī)加速振動(dòng)信號(hào)。所謂定轉(zhuǎn)速觸發(fā)采集,就是設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)速值,一旦發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到這個(gè)轉(zhuǎn)速值,采集器開(kāi)始采集信號(hào)。設(shè)定采集器觸發(fā)轉(zhuǎn)速分別為1000r/min,1400r/min,1800r/min,采樣頻率為20kHz,采樣點(diǎn)數(shù)為40000,采集了前述三種技術(shù)狀況下的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)。圖2為觸發(fā)轉(zhuǎn)速1000r/min采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)三種技術(shù)狀態(tài)下,位置B處的升速過(guò)程振動(dòng)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線?？梢钥闯?升速過(guò)程很快,1秒鐘后信號(hào)已基本處于穩(wěn)態(tài)。2.2振動(dòng)信號(hào)分析實(shí)車(chē)最高轉(zhuǎn)速在2300r/min左右,對(duì)應(yīng)于三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速分別截取轉(zhuǎn)速區(qū)間1000-1400r/min,1400-1800r/min,1800-2200r/min的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,為了分析不同轉(zhuǎn)速區(qū)間、不同測(cè)試位置對(duì)不同程度故障特征提取的影響,對(duì)三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速、6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行角域四階累積量切片譜分析,并進(jìn)行對(duì)比,確定連桿軸承故障特征提取的敏感測(cè)試位置、敏感觸發(fā)轉(zhuǎn)速和有效特征參數(shù)。2.2.1正常、輕和嚴(yán)重故障的階比譜為了檢驗(yàn)角域四階累積量切片譜的有效性,先對(duì)位置B處轉(zhuǎn)速區(qū)間為1800-2200r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)升速過(guò)程振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階比分析,再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行角域四階累積量切片譜分析。位置B處正常、輕微和嚴(yán)重故障的階比譜如圖3所示。從圖3中可以看出,正常、輕微和嚴(yán)重故障信號(hào)的階比譜中,峰值眾多并且雜亂,隨著故障程度增大,階比譜能量并沒(méi)有明顯增強(qiáng),很難提取連桿軸承的故障特征。對(duì)上述位置B處升速過(guò)程振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行角域四階累積量切片譜分析,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以清楚看出,正常、輕微和嚴(yán)重故障信號(hào)的切片譜能量主要都集中在100-200階比帶內(nèi),隨著故障程度增大,該階比帶的切片譜能量相應(yīng)增加,能清楚分辨正常、輕微和嚴(yán)重故障技術(shù)狀態(tài),說(shuō)明角域四階累積量切片譜有效提取出了連桿軸承故障特征,證明了角域四階累積量切片譜的有效性。2.2.2故障識(shí)別轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的c為了檢驗(yàn)不同觸發(fā)轉(zhuǎn)速對(duì)連桿軸承特征提取的影響,對(duì)位置B處三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速下截取的不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的振動(dòng)信號(hào),分別進(jìn)行角域四階累積量切片譜分析,并統(tǒng)計(jì)0-100、100-200、200-300階比帶的切片譜能量和峰值,結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出,三種轉(zhuǎn)速區(qū)間,100-200階比帶內(nèi)角域四階累積量切片譜累加能量都能正確識(shí)別連桿軸承技術(shù)狀態(tài),因此可以以100-200階比帶內(nèi)的累加能量作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù);1400-1800r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),僅200-300階比帶內(nèi)的切片譜能量能正確識(shí)別連桿軸承技術(shù)狀態(tài),可以以此作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù),其他轉(zhuǎn)速區(qū)間和階比帶內(nèi)的切片譜都沒(méi)能正確反應(yīng)反映連桿軸承技術(shù)狀態(tài)。同時(shí),可以看出轉(zhuǎn)速區(qū)間1400-1800r/min,1800-2200r/min的角域四階累積量切片譜峰值隨配合間隙的增大而增大且增幅明顯,也可以以此作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù)。2.2.3連鎖反應(yīng)時(shí)間的選擇為了檢驗(yàn)不同測(cè)試位置對(duì)連桿軸承特征提取的影響,采用角域四階累積量切片譜對(duì)3個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間、6個(gè)測(cè)試位置的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析,能正確識(shí)別連桿軸承技術(shù)狀態(tài)的特征參數(shù)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,不同的轉(zhuǎn)速區(qū)間下,不同測(cè)試位置的角域四階累積量切片譜,在不同的階比帶內(nèi)對(duì)連桿軸承故障敏感。其中位置B在三個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間的100-200階比帶內(nèi)對(duì)故障都敏感,因?yàn)檠剀?chē)輛前進(jìn)方向觀察發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),連桿帶動(dòng)曲軸做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)被測(cè)軸承對(duì)應(yīng)的氣缸開(kāi)始做功時(shí),連桿帶動(dòng)曲軸對(duì)軸承右側(cè)形成瞬態(tài)強(qiáng)烈沖擊,因此位置B對(duì)故障更加敏感。D、E、F位置幾乎沒(méi)有可選的特征,這是由于位于缸體下部的三個(gè)位置距離激勵(lì)源較遠(yuǎn),信號(hào)的故障特征淹沒(méi)在大量噪聲干擾中不能很好的顯現(xiàn)。同時(shí)不同轉(zhuǎn)速對(duì)特征提取影響較大,其中1400-1800r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間反映連桿軸承磨損故障的特征最多。綜合上述分析,可以確定柴油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸承故障時(shí)的敏感測(cè)試位置為缸體上部右側(cè),敏感轉(zhuǎn)速區(qū)間為1400-1800r/min,特征階比帶為100-200階次,可以以缸體上部右側(cè),轉(zhuǎn)速區(qū)間1400-1800r/min,100-200階比帶內(nèi)的累加能量和峰值作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù)。3特定階比