用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械设备振动监测与故障诊断领域，具体设及一种用于旋转机械故障 诊断的多频带包络谱阵。
【背景技术】
[0002] 旋转机械在运行过程中，故障信息通常W调制形式存在于振动信号之中，例如齿 轮点蚀、断齿、滚动轴承的疲劳、轴弯曲等故障所产生的振动信号都含有周期性冲击成分， 具有调幅、调频等调制现象。齿轮振动主要由齿轮副晒合激励产生，信号中包含各级齿轮 的晒合频率及其谐波成分，当齿轮发生故障时，产生的周期冲击成分在振动信号中形成调 制作用，调制信号的频谱在齿轮晒合频率附近形成边带。利用带通滤波提取齿轮晒合频率 附近的成分，得到窄带信号，通过解调分析将调制波从信号中分离出来，实现故障信息的提 取，进而判断零件损伤的程度和部位，该种方法称为包络分析（envelope analysis)。常用 的包络分析方法主要有希尔伯特（化化ert)变换法、检波滤波法、复调制、循环平稳分析方 法、小波变换法等。利用窄带滤波器将包含边带成分的频带筛选出来，然后提取经筛选信号 的幅值包络函数，做包络函数的频谱，称之为信号的包络谱。
[0003] 窄带包络分析需要两个环节：第一，对实测振动信号的频谱进行分析，选择边带成 分突出的频带进行窄带滤波；第二，通过对窄带滤波信号进行包络分析，提取出故障引起的 边带成分。其中窄带滤波中屯、频率和频宽的选择是影响包络分析效果的关键。一般而言， 对于齿轮箱振动信号，故障产生的边带成分分布在相关齿轮副的晒合频率两侧，可W选择 晒合频率作为窄带滤波中屯、频率，也可W选择某个共振频率作为滤波中屯、频率；而对于轴 承故障，则选择与故障相关部件的共振频率附近进行窄带滤波。然而对于具有多级齿轮传 动的复杂机械系统，各级传动的振动能量相差较大，大量的齿轮与轴承导致可能发生故障 的部件较多，难W准确选择窄带滤波中屯、频率。如果对每一级齿轮副的故障进行诊断，都需 要在该级传动的晒合频率附近做窄带包络分析，既影响了分析诊断的实时性，又限制了自 动诊断程序的实现。实际分析表明，不同滤波中屯、频率的包络分析结果有时存在很大的差 异，从而可能得出不同的故障诊断结论。特别是当故障比较微弱，引起的边带成分不太突出 时，滤波中屯、频率与频宽的影响更为明显。
【发明内容】
[0004] 本发明基于上述情况，提供一种用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵方法。
[0005] 本发明所述方法包括W下步骤：
[0006] (1)确定窄带滤波器的类型和滤波频宽。滤波器类型没有严格限制，可W选择任何 形式的经典带通滤波器，如己特沃斯带通滤波器、切比雪夫滤波器等。滤波频宽则需要根据 分析对象的结构和信号特征确定，窄带滤波的目的是提取信号中故障产生的周期性冲击成 分，从中提取幅值包络函数进行分析，W显现故障引起的频谱中的边带成分。因此滤波频宽 应包含若干个结构故障可能产生的最高边带频率。窄带滤波器的Z域表达式为：
[0007]
【主权项】
1.用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵，其特征在于，包括w下步骤：
1. 确定窄带滤波器的类型和滤波频宽。滤波器类型没有严格限制，可W选择任何形式 的经典带通滤波器，如己特沃斯带通滤波器、切比雪夫滤波器等。滤波频宽则需要根据分析 对象的结构和信号特征确定，窄带滤波的目的是提取信号中故障产生的周期性冲击成分， 从中提取幅值包络函数进行分析，W显现故障引起的频谱中的边带成分。因此滤波频宽应 包含若干个结构故障可能产生的最高边带频率。窄带滤波器的Z域表达式为：
式中，bf和Bk为滤波器系数，带通滤波器上、下截止频率通过滤波器系数得W体现；M、 N为滤波器的滑动平均和自回归阶数；
2. 确定移动滤波的频率步长，可W选择在0. 1至0. 5倍滤波频宽范围，步长太小，得到 的包络谱阵分辨率较高，但计算量大；反之，步长太大，计算分析速度快，但包络谱阵的分辨 率降低；
3. 进行振动信号的窄带滤波，表达式为 y (n) = X (n)曲（n) 式中，x(n)为原始振动时间序列，h(n)为窄带滤波器单位脉冲响应函数，由H(z)逆向 Z变换得到，y(n)为窄带滤波之后的信号；
4. 对滤波之后的信号进行HUbed变换
式中，a(n)为窄带滤波之后的包络信号
，其相应的包络谱如下： A 讯二油s(FFT(a (n)，Nf)/Nf) 式中，Nf为离散傅里叶变换之后的频率点数，A(f)为窄带滤波之后信号的包络谱，FFT 表示对信号做快速傅里叶变换； 5. W某个低频频率作为窄带滤波的中屯、频率，自此开始，得到该频率下对应的包络 谱A(fi，f)，然后按照选定的频率步长移动到下一个滤波中屯、频率f2,再次进行窄带包络分 析，得到相应的包络谱A江2, f)，如此循环，直到滤波频宽覆盖全部分析频率范围，最终得到 多频带包络谱阵E A(fi，f)。进一步，W振动频率f为X轴，窄带滤波中屯、频率为y轴， 包络谱幅值为Z轴绘制多频带包络谱阵。
【专利摘要】本发明属于机械设备振动监测与故障诊断领域，具体涉及一种用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵。本发明通过对拾取的旋转机械振动信号进行多窄带滤波处理，获取不同频段的振动信号，对多组不同频段的振动信号进行包络解调分析，获取多组信号的包络谱，将包络谱变换为以振动频率和窄带滤波中心频率为x、y轴坐标，振动幅值为z轴坐标的三维包络谱阵(图)。基于该包络谱阵，可以对旋转机械的故障调制频率、故障发生部位、故障损伤程度做出快速、直观的判断，便于实现智能化的故障诊断。
【IPC分类】G01M13-00, G01M13-02
【公开号】CN104596756
【申请号】CN201510050392
【发明人】柳亦兵, 姜锐, 滕伟, 安宏文, 辛卫东
【申请人】华北电力大学, 内蒙古京隆发电有限责任公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月2日