基于稳健全息阶比谱提取微弱故障特征

提出了一种稳健全息阶比谱方法,用于提取变速器变速过程的微弱故障特征。首先分析了转速波动对传统阶比方法分析精度的影响,构造了基于转速调整的改进阶比方法,对水平与垂直方向加速过程信号的改进阶比谱进行全息分析,构成稳健全息阶比谱,并与单测点改进阶比谱结果对比。试验表明,改进阶比谱能有效抑制转速波动对等角度采样的影响,提高了阶比谱分析精度,有效增强了全息阶比谱的稳健性;相对于任一方向单测点阶比谱,稳健全息阶比谱既能分析变速过程信号,又能融合多点信息,其量化参数能更准确评价诊断对象的技术状态,证明稳健全息阶比谱是一种全面、可靠提取变速过程微弱故障特征的有效方法。     

基于曲线特征分段的多阶FRFT滤波提取齿轮早期故障特征

对于变速器齿轮早期微弱故障特征难以提取的问题,提出了一种基于曲线特征进行分段的多阶分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)滤波方法。首先,依据振动信号频率曲线的特征将目标档位的啮合频率曲线分成若干频率近似线性变化的信号段,然后通过计算确定相应信号段的分数阶傅里叶变换的滤波最佳阶次,再逐段进行滤波,从而分离出包含故障特征信息的目标阶比分量,进而进行故障特征提取。通过采用该方法分析变速器变加速工况振动信号,结果表明,基于曲线特征进行分段的多阶FRFT滤波能够有效分离出啮合频率分量,对分离出的分量进行阶次包络解调分析,能准确提取出齿轮微弱故障特征。     

基于转速自适应多阶FRFT滤波提取瞬变工况齿轮微弱故障特征

提出了一种基于转速信号自适应分段的多阶FRFT滤波方法,并应用于提取瞬变工况下变速器齿轮微弱故障特征。首先,根据设定的振动信号频率曲线曲率阈值将目标档位啮合频率时频曲线自适应分为若干段,使得每段内的信号频率近似线性变化;然后,在各分段内进行最小二乘拟合确定相应的FRFT最佳阶次,并在各段信号的最佳分数阶域进行滤波,实现基于转速自适应分段的多阶FRFT滤波。采用该方法分析实测变速器瞬变工况振动信号。结果表明,基于转速信号自适应分段确定多阶FRFT的最佳阶次,准确、快速、自适应性好;多阶FRFT滤波能够有效分离出瞬变工况下的啮合频率分量,隔离其他干扰;对分离出的啮合频率分量进行阶次包络解调分析,能有效提取出齿轮微弱故障特征。     

基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法

针对变速齿轮箱中复合故障的故障特征提取,提出了一种基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法。变速齿轮箱中的转速具有时变的特性,而故障特征往往与转速相关,亦具有时变特性。本文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曲线,再根据转频曲线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能量算子解调分析,根据阶次解调谱中的调制信息进行变速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速齿轮箱复合故障进行了分析,结果表明,本文方法在无转速计的情况下能有效地提取变速齿轮箱复合故障的故障特征。     

迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承故障诊断EI北大核心CSCD

变转速工作模式下齿轮啮合会掩盖故障轴承冲击特征,使得轴承故障特征信息微弱,针对变转速工作模式下齿轮啮合对轴承信号干扰的问题,提出了迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承的故障诊断方法。首先采用峰值搜索算法从包络时频谱中提取峰值啮合倍频(Instantaneous Dominant Meshing Multiply,IDMM),通过IDMM趋势线构造各广义解调函数的相位函数;其次利用迭代广义解调算法(Iterative Generalized Demodulation,IGD)分离出齿轮啮合频率及倍频信号,对剩余信号采用谱峭度算法确定由故障轴承引起的高频共振滤波参数并进行带通滤波;最后,以提取的IDMM趋势线作为轴承转频,对滤波结果进行角域重采样,根据阶次谱对滚动轴承运行状态予以判断。仿真信号和实测信号的处理结果证明该方法在无转速计设备的情况下能有效的实现变转速滚动轴承的故障诊断。     

基于分数阶傅里叶变换的邻近阶比分离研究

提出了一种基于分数阶傅里叶变换（Fractional Fourier Transform, FRFT）的邻近阶比分离方法。根据变速器输入轴转速信号及传动比确定FRFT最佳阶次,对变速器升速过程振动信号进行最佳阶次FRFT,在该分数阶域分离邻近阶比分量,并对分离出的单分量信号进行阶比分析。试验结果表明,根据转速信号确定FRFT最佳阶次,准确、快速、鲁棒性好,并具有自适应性;最佳阶次的FRFT能准确分离提取邻近阶比分量,对分离出的目标阶比分量进行单分量分析,能有效解决邻近阶比胶合问题。     

迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承故障诊断

变转速工作模式下齿轮啮合会掩盖故障轴承冲击特征,使得轴承故障特征信息微弱,针对变转速工作模式下齿轮啮合对轴承信号干扰的问题,提出了迭代广义解调齿轮信号分离的变转速滚动轴承的故障诊断方法。首先采用峰值搜索算法从包络时频谱中提取峰值啮合倍频(Instantaneous Dominant Meshing Multiply,IDMM),通过IDMM趋势线构造各广义解调函数的相位函数;其次利用迭代广义解调算法(Iterative Generalized Demodulation,IGD)分离出齿轮啮合频率及倍频信号,对剩余信号采用谱峭度算法确定由故障轴承引起的高频共振滤波参数并进行带通滤波;最后,以提取的IDMM趋势线作为轴承转频,对滤波结果进行角域重采样,根据阶次谱对滚动轴承运行状态予以判断。仿真信号和实测信号的处理结果证明该方法在无转速计设备的情况下能有效的实现变转速滚动轴承的故障诊断。     

基于分数阶聚能带分析的微弱故障特征提取研究

提出了一种分数阶聚能带时频累加谱方法,快速实现长数据的时频分析,突出目标分量,用于提取变速器急加速过程微弱故障特征。根据变速器输入轴转速信号及传动比确定分数阶傅里叶变换（Fractional Fourier Transform, FRFT）最佳阶次,对变速器急加速过程振动信号进行最佳阶次FRFT,根据FRFT模值谱确定聚能带,计算分数阶聚能带时频累加谱,通过对比多组正常和故障数据的分数阶聚能带时频累加谱结果和阶比谱结果,验证该方法的有效性。试验结果表明：根据转速信号能快速、准确确定FRFT最佳阶次;选取聚能带内的FRFT结果进行时频分析,计算量小,分辨率高,分数阶聚能带时频累加谱具有聚焦和局部放大的特点, 能很好地突出目标分量,抑噪噪声,是提取变速器急加速过程信号微弱故障特征的有效方法。     

基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法

通过对旋转机械变速运行齿轮箱振动研究,提出基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法。对齿轮箱变速等非稳态信号进行时域同步采样,利用阶比跟踪对时域信号等角度重采样转换为角域准平稳信号,克服转速波动对信号分析产生的频率模糊现象;对角域信号进行同步平均削弱与转速无关的频率成分,提高信噪比;对平均信号进行窄带解调分析,通过对阶比谱自动编辑分离出齿轮故障主要啮合阶比分量后恢复到角域信号,进行幅值解调及基于频移的相位解调,据幅值解调及相位解调波形图提取齿轮故障特征。结果表明,基于频移、谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法能有效提取齿轮故障特征信息。     

FRFT循频滤波及齿轮微弱故障特征提取

提出了一种分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)循频滤波方法,贴近瞬变工况下信号频率曲线变化特征,循迹剥离包含故障信息的特征分量,提取齿轮早期故障微弱特征。首先,研究了线性多尺度分段方法,将频率呈曲线任意变化信号自适应分成若干个频率近线性变化的信号段;然后研究了频率拟合确定FRFT滤波参数的方法,计算各段信号的FRFT滤波参数并逐段进行FRFT滤波,实现FRFT循频滤波。采用该方法对变速器加减速过程振动信号进行滤波解调分析,试验结果表明:线性多尺度分段方法,能自适应地将任一频率呈曲线任意变化信号分段成若干个频率近线性变化的信号段,且分段数较少;频率拟合确定FRFT滤波参数方法,不受振源和多分量数量影响,能准确确定各分段信号的FRFT滤波参数;该滤波方法能从变速器瞬变工况振动信号中循频提取出包含故障信息的特征分量,有效剥离其他分量和噪声干扰,对提取后的特征分量进行解调分析,能准确提取出传统方法难以识别的齿轮早期故障微弱特征。     

变转速齿轮箱复合故障的自适应时变滤波分析

复合故障诊断是机械故障诊断领域的一大难点。齿轮箱出现复合故障时,受传递路径、测点布置等影响,所拾取的复合故障振动信号中,各故障成分会呈现强弱不平衡,特别在变转速条件下,故障特征具有时变特性。因此,针对变转速下的齿轮箱复合故障诊断,提出了一种基于频域滤波的自适应时变滤波方法。该方法在频域构建自适应时变滤波器,采用自适应时变滤波器将包含齿轮故障特征的时变滤波信号从齿轮箱复合故障信号中分离出来,并进行包络阶次谱分析,以提取齿轮故障特征;同时,对残余信号(齿轮箱复合故障信号与时变滤波信号的差值)进行包络阶次谱分析,以提取轴承故障特征。算法仿真和应用实例表明,自适应时变滤波方法可有效分离变转速下齿轮和滚动轴承的故障特征。     

基于广义解调时频分析和瞬时频率计算的阶次谱方法在齿轮故障诊断中的应用

针对齿轮启停过程中故障振动信号的调频特性,提出了基于广义解调时频分析和瞬时频率计算的阶次谱方法,并将其应用于齿轮瞬态信号的分析。广义解调时频分析是一种新的时频分析方法,它可以将多分量的信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的单分量信号,每个单分量信号可以是调幅-调频信号,因此非常适合处理多分量的调幅-调频信号。而当齿轮发生故障时,其启停过程中的振动信号就表现为多分量的调幅-调频特征。在基于广义解调时频分析和瞬时频率计算的阶次谱方法中,首先采用广义解调时频分析方法将齿轮瞬态信号分解为若干个单分量信号,然后计算各个分量的瞬时频率,再对其瞬时频率信号进行重采样,最后对重采样信号进行频谱分析得到阶次谱,从而提取齿轮振动信号的故障特征,判断齿轮的工作状态。仿真信号和实验信号的分析结果表明了该方法的有效性。     

基于改进阶比的变速器微弱故障特征提取

提出了一种基于转速调整的改进阶比分析方法,并应用于提取变速器齿轮微弱故障特征。从理论上分析了传统阶比方法分析转速波动信号的局限性,提出了基于转速调整的改进阶比分析方法,采用传统和改进阶比方法对实测转速波动信号进行分析,通过对比证实了转速波动对传统阶比分析结果有较大影响,而改进阶比方法能有效克服该影响,明显改善了分析效果,提高了分析精度。分别采用传统阶比和改进阶比方法对变速器加速振动信号进行分析,结果表明,传统阶比谱不能正确区分齿轮正常与轻微故障状态,而改进阶比谱能清晰反映齿轮正常与轻微故障状态的幅值能量变化,说明改进阶比方法能有效分析转速波动信号并正确提取出微弱故障特征。     

基于线调频小波路径追踪的阶比双谱分析方法

为了将双谱用于转速波动下的齿轮故障诊断,提出一种基于线调频小波路径追踪的阶比双谱分析方法。该方法首先将分析信号的时间跨度在不同尺度下进行等分,形成不同的时间支撑区,然后用多尺度线调频基函数对信号进行投影分解,通过从不同的时间支撑区内投影系数最大的基函数中寻找出使分解信号能量最大的基元函数组合,获得信号包含的能量最大的信号分量,进而得到齿轮啮合频率分量的估计,最后将啮合频率除以齿轮的齿数得到齿轮的转速信号,根据提取的转速信号对时域振动信号进行等角度重采样,对重采样信号进行双谱分析即得到阶比双谱。仿真分析表明,该方法能在低信噪比条件下准确提取转速信号,从而使得双谱估计能合理应用于转速波动下的齿轮故障诊断,应用实例进一步验证了阶比双谱的有效性和优越性。     

基于包络同步平均的齿轮故障诊断

齿轮振动信号由于存在非平稳、调制、传递路径复杂等特点,其分析相对较为困难,传统的共振解调法还存在共振带参数无法准确确定的不足。为解决上述问题,本文提出了一种基于包络信号角域同步平均的齿轮故障诊断方法。该方法首先利用谱峭度提取出齿轮振动信号的复包络信号,再分别选取齿轮箱中不同转轴作为参考轴对复包络信号进行等角度采样,在角域进行同步平均并用阶比跟踪提取齿轮故障信息。该方法可有效消除源包络信号中的宽带噪声干扰,分离出与故障齿轮所在轴有关的阶比分量,同时可克服转速波动对信号分析产生的频率模糊现象。利用该方法分别对齿轮故障仿真信号和齿轮故障振动信号进行了分析,结果表明,所提出的包络角域同步平均方法能够有效地提取出齿轮故障的特征信息。     

基于改进的自适应噪声消除和故障特征阶比谱的齿轮噪源干扰下变转速滚动轴承故障诊断

变转速工作模式和齿轮噪源干扰是阻碍滚动轴承故障诊断的两个难题。虽然基于转速信号的角域重采样技术和基于参考信号的自适应噪声消除算法为这两个问题提供了可靠的解决路线,但是由于安装空间和成本的限制,转速信息和参考信号在实际工程中往往难以获取。为解决这一难题,提出了一种不依靠上述辅助设备的滚动轴承故障诊断新算法。整个算法由五部分组成:(1)利用峰值啮合倍频趋势线构造参考信号对混合信号进行自适应滤波以削弱齿轮噪源对轴承故障共振频带获取的干扰;(2)利用谱峭度快速算法确定由轴承故障引起的高频共振所对应的中心频率,滤波带宽和对应的尺度并直接得到最能反映轴承故障的滤波包络;(3)利用短时傅里叶变换求得两次滤波后包络信号的包络时频谱并利用峰值搜索算法对瞬时故障特征频率趋势线进行提取;(4)提出基于采样频率重调的重采样算法,对谱峭度滤波结果进行故障阶比域重采样;(5)利用傅里叶变换求取重采样信号的故障特征阶比谱,并提出新的故障诊断策略对滚动轴承的运行状态进行判断。仿真算例和应用实例证明了该算法的有效性。     

时变工况的风电机组齿轮箱无转速计阶次跟踪方法研究

针对时变工况风电机组齿轮箱振动信号受噪声干扰和频率模糊问题,通过研究无转速下风电机组齿轮箱振动信号与转频波动规律间的联系,提出了基于VMD-SET时变工况的风电机组齿轮箱无转速计阶次跟踪方法。该方法利用变分模态分解（VMD）滤波,利用同步提取变换（SET）对齿轮箱振动信号时频分析,分别从轴承故障时域振动信号中初步提取故障特征频率趋势,从正常齿轮啮合调制时域振动信号中提取啮合频率时频脊线,进一步利用精细化时频脊线交叉解耦优化瞬时频率提取效果,再用提取的转速曲线对轴承故障振动信号进行阶次跟踪,从角域阶次谱中得到故障特征阶次的单根谱线。通过仿真及实验验证了所提方法的优越性和有效性。     

一种带宽优化选取的ATF方法及其在齿轮故障诊断中的应用EI北大核心CSCD

自适应时变滤波(adaptive time-varying filtering,ATF)方法是一种基于数据驱动的非平稳信号处理方法,可有效分离变转速下的齿轮故障信号;但在ATF方法中,滤波带宽的选取需依据经验人为选取,具有较大的主观性。因此,针对ATF方法中滤波带宽的自适应优化选取,以齿轮啮合阶次与其临近阶次的能量比作为指标,提出了一种基于带宽优化选取的ATF方法;该方法先采用线调频小波路径追踪算法估计齿轮故障信号中的瞬时频率,然后设置不同的滤波带宽值构建自适应时变滤波器,再对滤波后的信号进行阶次分析,并计算齿轮啮合阶次与其临近阶次的能量比,最后挑选出最佳能量比所对应的滤波带宽作为最优带宽值来对信号进行滤波分析,进而诊断齿轮故障。对变转速下的齿轮局部故障进行了仿真和实例分析,并将之与集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法对比,结果表明,该方法不仅可自适应选取滤波带宽,减少滤波误差,而且能有效提取齿轮故障特征信号,凸显齿轮故障特征。     

基于时时能量阶比谱的变转速工况滚动轴承微弱故障诊断研究

变转速工况下的滚动轴承微弱故障诊断同时面临两个难点:一是滚动轴承的故障特征信号容易被环境噪声和干扰信号淹没;二是滚动轴承故障振动信号的时变特征难以被常规频谱方法提取。针对上述问题提出了基于时时能量阶比谱的滚动轴承故障诊断方法。首先对变转速工况下的滚动轴承微弱故障振动信号进行时时(time-time,TT)变换,在双时域上刻画轴承故障振动信号的时变特征;然后利用提出的时时能量定义计算轴承故障振动信号的时时能量,获得轴承故障振动信号的时时能量信号;最后对时时能量信号进行阶比分析得到轴承故障振动信号的时时能量阶比谱,并根据时时能量阶比谱的阶次特征识别出轴承故障类型。分析了变转速工况下的滚动轴承故障仿真信号和实验测试信号,结果表明:时时能量信号能够有效追踪轴承故障振动信号的时变能量分布,增强故障特征信号的冲击特征,时时能量阶比谱较包络阶比谱抗噪能力更强,为变转速工况滚动轴承微弱故障诊断提供一种有效方法。     

基于阶次窄带包络分析的直驱风机轴承微弱故障诊断

针对变转速工况下直驱风电机组滚动轴承早期微弱故障难以诊断的技术难题,提出一种基于阶次窄带包络的滚动轴承早期故障诊断新方法。首先,求出变转速下直驱风电机组滚动轴承故障信号时频谱,并设定等效转频。再利用时频自动搜峰算法搜索出等效转频对应阶次时频峰值。进一步,采用最小二乘法拟合得到转速信号变化曲线,通过该转速曲线计算出重采样鉴相时标,并对原信号进行等角域重采样。最后,对采样后角域信号进行窄带包络分析得到含滚动轴承故障信号的阶次窄带包络谱,该阶次窄带包络谱可用于滚动轴承故障诊断。该方法同时克服了变转速影响和低频调制微弱信号难以提取的问题,为滚动轴承故障诊断提供新方法。直驱风机滚动轴承应用实例验证了方法的有效性。