基于多尺度线调频基稀疏信号分解的包络解调方法及其在齿轮故障诊断中的应用

提出一种基于多尺度线调频基稀疏信号分解的包络信号提取方法,并将其应用于转速剧烈波动情况下的齿轮箱故障诊断。基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法可以根据信号的特点,自适应的选择相应尺度对信号进行投影分解。其库函数的多尺度特性和线调频基函数中频率斜率参数的引入使得该方法比以往使用单一尺度库函数的分解方法更适合分解频率呈曲线变化的非平稳信号。当齿轮出现故障时,振动信号会出现啮合频率调制现象,在齿轮转速大范围波动情况下,载波频率和调制频率均随转速大范围波动。采用基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法,能同时有效提取变转速齿轮故障状态下载波频率和包络信号频率随时间的变化曲线,进而对齿轮箱故障进行诊断,解决经验模态分解方法和小波方法难于对转速剧烈波动情况下的齿轮故障进行诊断的问题。仿真算例和应用实例说明了此方法的有效性。     

基于自适应时变滤波阶比跟踪的齿轮箱故障诊断

针对多输入多输出齿轮箱传动系统和齿轮箱集群的振动信号中各啮合频率阶次相互干扰,从而导致故障诊断困难的问题,研究提出一种基于自适应时变滤波阶比跟踪的齿轮箱故障诊断方法。该方法利用基于多尺度线调频基稀疏信号分解提取各对传动齿轮的啮合频率,以各啮合频率为中心频率,对应转频的倍频为滤波带宽分别设计自适应时变滤波器对信号进行滤波,逐个提取振动信号中的啮合频率调制分量,再分别对提取的啮合频率调制分量单独进行阶比分析,有效地抑制其他无关联轴上齿轮啮合振动信号和其他非阶比噪声信号对阶比谱的影响,较好地解决阶比信号相互干扰的问题,提高阶比谱的调制识别效果,为多输入多输出齿轮箱系统和齿轮箱集群的故障诊断提供一条有效途径。仿真算例和应用实例说明方法的有效性。     

基于多尺度线调频基稀疏信号分解的广义解调方法及其在齿轮故障诊断中的应用

在基于多尺度线调频基稀疏信号分解的基础上,提出一种基于多尺度线调频基稀疏信号分解的广义解调方法,并将其应用于非平稳转速状态下的齿轮故障诊断.广义解调可以将时频分布呈曲线变化的多分量非平稳信号转化为时频分布平行于时间轴的平稳信号,因此非平稳信号经广义解调后满足傅里叶分析对平稳性的要求,而如何获取多分量信号的广义解调相位函数是广义解调方法的关键和难点.对信号进行基于多尺度线调频基的稀疏信号分解,得到分量信号的相位函数,再对分量信号进行广义解调和频谱分析得到齿轮故障特征频率.该方法非常适合于分析转速波动齿轮的多分量调幅-调频振动信号,仿真算例和应用实例说明了方法对变速齿轮箱故障诊断的有效性.     

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。     

基于稀疏信号分解的自适应时变滤波器及其在齿轮故障诊断中的应用

提出一种新的自适应时变滤波器设计方法,并将其应用于变速齿轮箱齿轮故障诊断中.齿轮箱振动信号频率成分复杂,特别是多级变速齿轮箱,存在多个啮合频率,而齿轮箱齿轮故障诊断的核心是获取啮合频率的调制状态.在非平稳转速下,如何从复杂振动信号中提取包络调制信号是齿轮箱故障诊断需要解决的关键问题.基于多尺度线调频基(Multi-scale chirplet)的稀疏信号分解方法可以有效地提取频率呈曲线变化的信号分量,适合于载波频率的提取,以该载波频率为滤波器的中心频率,转频的倍频为滤波带宽,设计滤波中心频率曲线变化的自适应时变滤波器,可以有效地将多个包络调制信号分别提取出来,进而可以对变速多级齿轮箱齿轮进行故障诊断.提出的自适应滤波器可以根据信号本身的特点自动改变滤波中心频率和滤波带宽,对信号进行滤波,保留信号的有用频率成分,抑制无用成分.仿真算例和应用实例说明了方法的有效性.     

基于多尺度线调频基稀疏信号分解的轴承故障诊断

在线调频小波路径追踪算法和稀疏信号分解的基础上,提出一种基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法,并将其应用于非平稳转速下的轴承故障诊断。基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法,根据信号的特点,自适应地选择多尺度的线调频基函数对信号进行投影分解。由于基函数库多尺度特性,使得该方法比以往采用单一尺度库函数的稀疏信号分解方法更适用于分解频率呈曲线变化的非平稳信号。在非恒定转速下,当轴承出现故障时,振动信号中与故障对应的特征频率将会随转速变化而波动,采用基于多尺度线调频基的稀疏信号分解方法能准确获得非平稳转速下轴承故障特征频率随时间的变化情况,进而对其状态和故障特征进行识别,仿真算例和应用实例说明了此方法的有效性。     

齿轮箱故障振动信号的阶比多尺度形态学解调

为从非平稳转速齿轮箱故障振动信号中提取包含故障信息的特征频率,提出阶比多尺度形态学解调方法,该方法采用线调频小波路径追踪算法获得齿轮箱转速信号,根据转速信号对时域振动信号进行等角度重采样,并用基于信号局部峰值的方法确定多尺度形态学分析的结构元素,用各结构元素对重采样信号进行形态学操作,对操作结果的平均值做频谱分析,以完成阶比多尺度形态学的解调过程。由于噪声与线调频基元函数的相似性很小,使得线调频小波路径追踪算法能从低信噪比的时域振动信号中准确获得转速信号,而多尺度形态学解调是对各尺度形态学分析结果的平均值进行频谱分析,能有效地抑制噪声,从而使得该方法具有很好的抗噪性能,适合用于工程实际中转速波动齿轮箱振动信号的分析,仿真分析和应用实例证明该方法的有效性和优越性。     

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。     

线调频小波路径追踪算法和FrFT相结合的升降速齿轮故障诊断方法

针对升降速阶段齿轮振动信号的非平稳特性,提出线调频小波路径追踪算法和分数阶傅里叶变换(Fractional Fouriertransform,FrFT)相结合的齿轮故障诊断方法。该方法采用线调频小波路径追踪算法获得升、降速阶段齿轮振动信号所包含的能量最大信号分量的瞬时频率,并通过对该瞬时频率时频曲线的观察,获得该瞬时频率近似于线性上升或下降的时间范围,提取该时间范围的齿轮振动信号段,用FrFT对所提取的振动信号段进行处理,得到齿轮振动信号段的FrFT频谱图,从FrFT频谱图存在的调制现象来判断齿轮故障。其中FrFT的最佳阶次可由瞬时频率的调频系数计算得到。由于噪声与Chirplet原子的相关性很小,使得线调频小波路径追踪方法对噪声不敏感;另一方面,选择合适的分数阶,信号的FrFT将具有很好的信噪分量效果,因此该方法可用于处理升降速阶段的低信噪比齿轮振动信号。仿真分析和应用实例验证了该方法的有效性和良好的抗噪性。     

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。