基于VMD阶比跟踪的变转速齿轮箱齿轮故障特征提取

针对变转速工况下齿轮箱齿轮阶比信号互相干扰故障特征难以提取的问题,提出了基于VMD(Variational Mode Decomposition)和阶比跟踪技术结合的齿轮箱齿轮故障特征提取方法。该方法通过计算阶比跟踪技术对振动信号进行角域重采样;获得重采样信号后,利用VMD按照中心阶比不同,自适应地将重采样信号分解,再利用峭度准则从IMF(Intrinsic Mode Function)分量中选取出故障信号;最后对故障信号进行快速谱峭图处理和滤波平方包络解调。通过变转速下齿轮箱的齿轮故障试验和对比分析,表明该方法能有效提取出变转速下齿轮箱的齿轮故障特征,且降噪效果明显,特征突出,适用于变转速齿轮箱的齿轮故障特征提取。     

基于线调频小波路径追踪阶比循环平稳解调的齿轮故障诊断

为从变转速齿轮箱振动信号中提取齿轮故障特征,提出基于线调频小波路径追踪的阶比循环平稳解调方法。该方法利用线调频小波路径追踪算法估计振动信号中的转速信号,根据转速信号对信号进行等角度采样,获取角域周期平稳信号,求取角域信号的循环自相关函数,在特征循环阶比处对循环自相关函数进行切片,并对切片进行解调分析得到切片解调谱,依据切片解调谱进行齿轮故障诊断。由于线调频小波路径追踪算法具有精度高和抗噪能力强的优点,而循环平稳解调算法可以有效提取淹没在噪声中的周期性故障特征,因而,该方法结合了二者的优点,适合于变转速齿轮信号的故障特征提取。算法仿真和应用实例表明,该方法能有效地提取变转速齿轮箱振动信号中的齿轮故障特征。     

基于线调频小波路径追踪阶比能量解调的齿轮轮齿裂纹故障诊断

针对变速下齿轮裂纹故障信号微弱,难以提取这一特点,提出了基于线调频小波路径追踪的阶比能量解调算法,并将其应用于变速下的齿轮裂纹故障诊断。该方法先采用线调频小波路径追踪算法提取齿轮的啮合频率分量,由此得到转速信号;然后利用转速信号对原始信号进行等角度采样得到角域平稳信号;接着对角域平稳信号进行带通滤波和角域平均运算以消除干扰噪声的影响;最后使用能量算子解调求取瞬时频率和瞬时幅值,根据瞬时频率和瞬时幅值进行故障诊断。应用实例表明,该方法能有效地提取变速下的齿轮裂纹故障。     

基于线调频小波路径追踪阶比跟踪算法的齿轮箱故障诊断研究

针对阶比跟踪转速获取硬件方法需要额外安装转速测量设备,软件方法精度不高、抗噪能力弱的问题,提出基于线调频小波路径追踪瞬时频率估计的齿轮箱阶比跟踪故障诊断方法。该方法利用基于线调频小波路径追踪瞬时频率估计算法适于分解频率呈曲线变化的非平稳信号的特点,采用其对齿轮箱的啮合频率分量进行估计以获取转速信号,依据转速信号对等时间间隔采样信号进行等角度重采样,将非平稳信号转化为角域平稳信号,得到振动信号的阶次谱,判断齿轮箱故障。仿真算例与应用实例表明上述方法在瞬时频率估计方面具有精度高和抗噪能力强的优点,可以根据信号自身的特点自适应的选择基函数,准确地对转速进行估计,其与阶比跟踪算法的结合能有效诊断齿轮箱故障。     

基于阶次分析与循环平稳解调的齿轮箱复合故障诊断方法

针对变转速下的齿轮箱中复合故障的特征提取,提出了一种基于阶次分析与循环平稳解调的齿轮箱复合故障诊断方法.该方法先用线调频小波路径追踪算法从原始振动信号中提取转频信号,再根据转频信号对原始振动信号进行等角度重采样,将时域非平稳信号转化为角域周期平稳信号,最后对角域周期平稳信号进行循环平稳解调分析,根据故障特征阶次处的切片解调谱进行齿轮箱复合故障诊断.通过算法仿真和应用实例对包含齿轮局部故障和轴承局部故障的变转速齿轮箱复合故障进行了分析,分析结果表明,该方法在无转速计的情况下能有效地提取处于变转速下的齿轮箱复合故障的特征.     

基于多项式Chirplet变换和变分模态分解的变转速工况轴向柱塞泵故障诊断

针对变转速工况轴向柱塞泵故障诊断时故障特征提取困难的问题,提出了基于多项式Chirplet变换和变分模态分解的诊断方法。首先使用多项式Chirplet变换估计瞬时频率;然后基于估计的瞬时频率重采样,将时域非平稳信号转化为角域平稳信号;最后对角域信号进行变分模态分解。根据峭度对所得的本征模态函数分量进行重构并作包络阶次谱分析,判断轴向柱塞泵中轴承的故障类型。实验结果表明,该方法有效提取了变转速工况轴向柱塞泵轴承的故障特征。     

基于时变零相位滤波的变转速滚动轴承故障诊断

针对变转速下齿轮箱中滚动轴承故障调制特征的提取与分离,提出了基于时变零相位滤波的变转速滚动轴承故障诊断方法。该方法先用线调频小波路径追踪(CPP)算法从齿轮箱滚动轴承故障振动信号中估计出齿轮啮合频率,由啮合频率除以齿数得到齿轮箱的转速,同时,采用Hilbert包络解调方法获取轴承故障振动信号的包络信号;然后根据获取的转速信息设计各阶时变零相位滤波器;再采用各时变零相位滤波器对包络信号进行分析,获取各调制信号;最后,利用转速信号对求取的各调制信号进行阶次分析,并根据各阶次谱来诊断滚动轴承故障。算法仿真和应用实例分析表明,该方法可有效提取和分离变速齿轮箱中滚动轴承的各阶故障调制特征。     

基于离散随机分离的齿轮箱复合故障分析法

齿轮箱复合故障中,较弱的故障特征往往被较强的故障信号所淹没,传统方法较难实现对较弱故障特征的提取。为解决上述问题,提出一种基于离散随机分离的齿轮箱复合故障振动分析法。该方法首先使用快速谱峭度算法获取对齿轮箱振动信号的共振带参数,依据该共振带参数设计带通滤波器及结合Hilbert变换实现对振动信号包络提取;之后应用角域重采样将时域包络信号转换到角域以消除转速波动影响;再应用离散随机分离对角域包络信号进行分离,分别得到齿轮故障和轴承故障对应的角域包络信号;最后,分别对角域包络信号进行包络谱分析获得齿轮、轴承故障的特征频率信息。试验结果表明,该方法可实现齿轮箱齿轮及轴承复合故障特征的有效提取。     

基于阶次跟踪的变速齿轮啮合频率振动评估方法

针对变速齿轮在某一转速范围内运行时产生共振导致强烈振动的问题,有效地对变速齿轮啮合频率进行评估是减少和规避此类故障的关键。但由于变速齿轮振动信号在时域呈现非平稳性,传统的齿轮信号分析方法无法有效地提取出特征频率,并且齿轮箱振动源较多且存在背景噪声,导致阶次谱成分复杂。有鉴于此,将阶次跟踪和经验模态分解相结合,提出一种基于阶次跟踪的变速齿轮啮合频率振动评估方法。首先采用阶次跟踪方法对某转速下齿轮的时域信号进行等角度重采样;然后对阶次域信号进行经验模态分解,提取出包含齿轮啮合信息的本征模函数(Intrinsic Mode Function,IMF)分量;再利用阶次谱分析提取出齿轮啮合阶次所对应的幅值;最后通过比较不同转速下的齿轮啮合阶次的幅值大小,对齿轮的振动变化进行评估。在实际现场齿轮信号的应用结果表明:该方法得到的阶次谱中啮合阶次明显,并且能够有效地实现变速齿轮的共振转速识别。     

基于角域重采样与VMD的电梯曳引轮轴承故障诊断方法

针对曳引轮轴承故障诊断效果易受变转速工况和环境噪声影响的问题，提出了一种基于轿厢运行速度估计曳引轮转速的角域重采样方法，以及基于麻雀搜索算法(SSA)优化变分模态分解(VMD)参数的曳引轮轴承故障诊断方法。首先，采用轿厢运行速度估计曳引轮转速的方法，对曳引轮轴承振动信号进行了角域重采样；然后，采用SSA算法优化VMD参数的方法，对振动信号进行了分解，并根据最大峭度准则选取了分量，提取了曳引轮轴承故障特征指标；最后，搭建了电梯试验台，开展了故障注入试验，构建了多种分类模型，对基于角域重采样与SSA-VMD的曳引轮轴承故障诊断方法的有效性进行了验证。研究结果表明：曳引轮轴承角域重采样后的诊断效果明显优于未角域重采样的诊断效果，故障识别率提高了5%以上；实验条件下采用SSA-VMD方法能够准确地提取曳引轮轴承故障特征，故障识别率可达到95%。     

A new fault diagnosis algorithm for helical gears rotating at low speed using an optical encoder

Helical gears are widely used in gearboxes due to its low noise and high load carrying capacity, but it is difficult to diagnose their early faults based on the signals produced by condition monitoring systems, particularly when the gears rotate at low speed. In this paper, a new concept of Root Mean Square (RMS) value calculation using angle domain signals within small angular ranges is proposed. With this concept, a new diagnosis algorithm based on the time pulses of an encoder is developed to overcome the difficulty of fault diagnosis for helical gears at low rotational speeds. In this proposed algorithm, both acceleration signals and encoder impulse signal are acquired at the same time. The sampling rate and data length in angular domain are determined based on the rotational speed and size of the gear. The vibration signals in angular domain are obtained by re-sampling the vibration signal of the gear in the time domain according to the encoder pulse signal. The fault features of the helical gear at low rotational speed are then obtained with reference to the RMS values in small angular ranges and the order tracking spectrum following the Angular Domain Synchronous Average processing (ADSA). The new algorithm is not only able to reduce the noise and improves the signal to noise ratio by the ADSA method, but also extracts the features of helical gear fault from the meshing position of the faulty gear teeth, hence overcoming the difficulty of fault diagnosis of helical gears rotating at low speed. The experimental results have shown that the new algorithm is more effective than traditional diagnosis methods. The paper concludes that the proposed helical gear fault diagnosis method based on time pulses of encoder algorithm provides a new means of helical gear fault detection and diagnosis.     

VMD的AR模型和关联维数在齿轮故障特征提取中的应用

针对齿轮故障信号的非线性及常伴有大量噪声干扰的问题,提出一种基于变分模态分解(VMD)的自回归(AR)模型和关联维数相结合的故障特征提取方法。该方法采用VMD将齿轮振动信号分解为一系列固有模态函数(IMF),通过频域互相关系数准则选取对信号特征敏感的IMF分量进行信号重构,对重构信号建立AR模型,并以AR模型自回归参数的关联维数作为特征量对齿轮的工作状态和故障类型进行识别。通过实测齿轮振动信号的分析,证明了所提方法的有效性。     

Weak fault feature extraction of rolling bearing under strong poisson noise and variable speed conditions

Fault feature extraction of the rolling bearing under strong background noise is always a difficult problem in bearing fault diagnosis. At present, most of the research focuses on weak signal extraction under Gaussian white noise and has certain practical significance. However, the noise in engineering is often complex and changeable, Gaussian white noise cannot fully simulate the actual strong background noise. Poisson white noise is a type of typical non-Gaussian noise, which widely exists in complex mechanical impact. It is of great significance to study the weak fault feature extraction of a faulty bearing under this type of noise. At the same time, variable speed conditions occupy most rotating machinery speed conditions. Non-stationary vibration signals make it difficult to extract fault features, and the frequency spectrum ambiguity will occur because of speed fluctuation. To solve the above problems, a method of weak feature extraction of a faulty bearing based on computed order analysis (COA) and adaptive stochastic resonance (SR) is proposed. Firstly, by numerical simulation, the non-stationary fault characteristic signal corrupted with strong Poisson noise is transformed into a stationary signal in the angle domain by COA. Secondly, the influence of the parameters of the pulse arrival rate and noise intensity of Poisson white noise on the optimal SR response in the angle domain are studied, and the influence of the parameters of Poisson white noise on the fault feature extraction is given. Then, adaptive SR method is used to extract and enhance fault feature information. Finally, the effectiveness of this method in weak fault characteristic signal extraction under strong Poisson noise is verified by experiments. Numerical simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method in bearing fault diagnosis under strong Poisson noise and variable speed conditions.

     

变速行星齿轮系统故障诊断方法

针对风力发电机行星齿轮系统变速非平稳工况,且故障信号耦合调制严重、传递路径复杂、噪声污染严重等特点,提出了基于阶次包络分析的故障诊断方法,详细阐述了方法原理和实现流程。通过对变速工况下的仿真加速度信号进行阶次包络分析,对比行星轮、太阳轮以及齿圈出现故障后与正常齿轮系统的阶次包络谱结构特性,总结了不同部件故障的特征阶次。在此基础上,通过对变速行星齿轮系统试验信号的分析表明:阶次包络分析方法能较好地抑制噪声干扰,反映故障特征清楚,且故障特征能作为变转速时行星齿轮系统故障诊断和定位的依据。     

船用机械设备故障诊断系统研究与开发

为了解决船用设备运行的可靠性这一问题,在工控机等硬件设备上开发了基于C#平台的船用机械故障诊断系统。首先,构建了工控机、信号调理器等硬件组成部分;在此基础上,采用C#编制了采集卡接口、信号处理方法、图形绘制等程序;最后进行了调试并应用于船用现场试验。结合齿轮故障设备模拟试验台,运用故障诊断系统采集信号,利用信号处理软件分析了正常齿轮与磨损齿轮的时域波形和频谱波形,分析了断裂齿轮的细化频谱的边频带,以此识别出了各类齿轮失效所在位置和原因。研究结果表明,船用机械设备故障诊断系统对于故障齿轮的检测具有有效性和可行性,同时该结果为利用故障诊断系统对轴承、柴油机等其他故障设备的诊断开发过程奠定了基础。     

机车走行部故障在线诊断的特征分析方法研究

在讨论特征分析方法原理的基础上，针对机车走行部故障在线监测过程中存在的信号分析与处理问题，运用整周期等角度采样方法将时域振动信号转换为角域信号，采用FFT变换将角域信号变换为对应的特征频谱，通过谱估计、谱图分析得到机车走行部各零部件的故障特征谱值，再根据该特征谱值识别机车走行部各零部件的故障。然后，根据机车走行部故障诊断的实际需要，设计了一套基于特征分析方法的机车走行部故障在线诊断系统。实验结果表明，该方法能准确、可靠地识别机车走行部故障。     

边频带谱理论的齿轮箱故障诊断

介绍了机械故障特征频率周围的边频带谱及其谐波理论，并以预缩聚反应釜轴承磨损故障为实例孽明如何应用边频带谱理论对低转速、大扭矩齿轮箱故障进行分析诊断。事实证明，边频带谱及其谐波能够有效地反映机械故障产生的原因，因此可以用来对这些特殊齿轮箱故障实施有效的诊断。