包絡解調(diào)法及其診斷(DEMO)

1、包絡解調(diào)法及其診斷包絡解調(diào)法是故障診斷中較常用的一種方法， 它可非常有效地識 別某些沖擊振動。從而找到該沖擊振動的振源。例如，當軸承或齒輪 表面因疲勞或應力集中而產(chǎn)生剝落和損傷時， 會產(chǎn)生周期性的沖擊振 動信號，如圖425所不。從圖425個可以看出，信號包括兩部分：一部分是載頻信號， 即系統(tǒng)的自由振蕩信號及各種隨機干擾信號的頻率，是圖形中頻率成分較高的信號；第二部分是調(diào)制信號，即包絡線所包圍的信號。它的 頻率較低，多為故障信號。因此.若要對故障源進行分析，就必須把低頻信號（或調(diào)制信號） 從高頻信號（或載頻信號）中分離出來。這一信號分離、提取過程，被 稱為信號的包絡解調(diào)。對分離提取出來的包絡信號

2、進行特征頻率和幅 度分析，就能準確可靠地診斷出如軸承和齒輪的疲勞、切齒、剝落等 故障。圖4-25沖擊信號及其包絡目前分析高頻沖擊的有效方法之一是共振解調(diào) （包絡處理），即取 振動時域波形的包絡線，然后對包絡線進行頻譜分析。由于包絡線處 理可找出反復發(fā)生振動的規(guī)律，根據(jù)軸承的特征頻率，就可診斷出軸 承或齒輪故障的部位。研究表明，當軸承或齒輪無故障時，在共振解 調(diào)頻譜中沒有高階譜線；有故障時，共振解調(diào)頻譜中出現(xiàn)高階譜線。當齒輪發(fā)生疲勞裂紋時，齒輪剛度的變化會引起齒輪振動噪聲信 號瞬時頻率（相位）和幅值的變化。但裂紋由于只影響齒輪剛度，齒形 無大變化，故振動噪聲信號在頻域中無明顯征兆， 因此頻譜分析

3、對裂 紋診斷基本無效?？刹捎脮r域平均法分析。如果齒輪同時存在其它類 型的故障，則時域平均法的可靠性不高。此時可試用希爾伯特變換或 自適應濾波技術(shù)提取相位信息，也可試用共振解調(diào)分析技術(shù)即包絡譜 分析法。一、包絡分析法進行故障診斷的原理當軸承或齒輪某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時，在受載運行過程中要撞擊與之相互作用的其它元件表面， 產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈 沖力的頻帶很寬，就必然激起測振系統(tǒng)的高頻固有振動。 根據(jù)實際情 況，可選擇某一高頻固有振動作為研究對象， 通過中心頻率等于該固 有頻率的帶通濾波器把該固有振動分離出來。然后，通過包絡檢波器檢波，去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低

4、 頻包絡信號，對這一包絡信號進行頻譜分析便可容易地診斷出故障 來。其原理示意圖如圖4.1所示。包絡分析法能將與故障有關(guān)的信號從高頻調(diào)制信號中提取出來， 從而避免了與其它低頻干擾的混淆，并能快速而正確地診斷出軸承或 齒輪的故障及發(fā)生的部位。因而是目前最常用.最有效的診斷滾動軸 承和齒輪故障的方法之一。包絡分析法的具體步驟：(1)將信號通過適當?shù)膸V波器，以衰減其背景噪聲 ；(2)求得由脈沖序列引起的包絡線，即進行希爾伯特變換，構(gòu)成 以該脈沖信號為基礎的某個復變函數(shù)；(3)對所關(guān)注的頻率，分析其包絡線，檢出重復的頻率。圖4.1包絡分析診斷原理示意圖常用的包絡解調(diào)法有如下兩種方法：低通濾波包絡解調(diào)

5、法和希爾 伯特變換解調(diào)法。1、低通濾波包絡解調(diào)法低通濾波包絡法的步驟是：1）將信號低通濾波，從而得到的低頻脈沖信號；2）將信號進行絕對值處理；3）平滑信號；4）功率譜分析，分析脈沖信號的周期。上述解調(diào)過程可以用圖426進行表示。r一上i 揩網(wǎng) 講分所 a a一網(wǎng)/ ，/效大其他分析用捺出圖4-26低通濾波包絡法原理低通濾波包絡解調(diào)法用于軸承診斷時，不僅可以根據(jù)某種高頻固 有振動的是否出現(xiàn).判斷軸承是否異常；而且還可根據(jù)包絡信號的頻 率成分，來識別產(chǎn)生缺陷的軸承元件（如內(nèi)圈、外圈、滾動體）。低通濾波包絡法解調(diào)法將與故障有關(guān)的信號從高頻調(diào)制信號中 取出，從而避免了與其它低頻干擾的混淆，故有極高的診

6、斷可靠性和 靈敏度。其主要不足，一是信號的幅值量發(fā)生了變化，二是對于信號 的起始和末尾部分有較大的誤差.并且存在有 相位滯后的現(xiàn)象。2、希爾伯特變換解調(diào)法希爾伯持變換過去常用在電訊技術(shù)中，由于技術(shù)的共性，近些年來開始應用到機械故障診斷中。很容易證明調(diào)幅和調(diào)頻表現(xiàn)為總合成 矢量與載波矢量在幅值與頻率上的相對變化。 因此只要能設法求出總矢量的變化過程，解調(diào)就有可能?？偤铣墒噶糠譃閷嵅亢吞摬?實部通常就是已知的待解調(diào)的時域信號. 而虛部因頻譜的偶對稱性，所以 各譜線相互抵消。圖427為實部和解析信號之間的關(guān)系。圖4-27實部和解析信號之間的關(guān)系希爾伯特變換可以用兩次 fft的方法完成。希爾伯特包絡變

7、換法對規(guī)則波形非常有效，但對非規(guī)則波形差一些。希爾伯持變換的實質(zhì) 是對原信號施加一次特殊濾波。由于因果性的限制，系統(tǒng)函數(shù)的實部與虛部或模與相角之間將具 備某種互相制約的特性，這種特性以希爾伯特變換的形式表現(xiàn)出來。對于因果系統(tǒng)，其沖擊響應h(t)在t0時存在, 因此：h(t)=h”(t)(36)h(t )的傅立葉變換即系統(tǒng)函數(shù)h儂)可分解為實部rs和虛部jx儂)之和：h j = f ht i - r jx(37)對上式運用傅立葉變換的頻域卷積定理得:f h(t m-1 f h(t 山 f b(t w ( 38)于是有:r儂)+ jxg )= r(十j,(39)解得:以上兩式稱為希爾伯變換對，它說

8、明了具有因果性的系統(tǒng)函數(shù)h( 3)的一個重要特性：實部 r(3)唯一地確定虛部x (3),反過來也 是一樣。3、希爾伯變換的解調(diào)原理希爾伯變換的一個重要應用就是處理帶通信號的解調(diào)。用希爾伯特變換把一個實信號表示成一個復信號(即解析信號)，不僅使理論討 論方便，更重要的是可以研究實信號的包絡，瞬時相位和瞬時頻率。一個實信號x經(jīng)希爾伯特變換后可獲得一個該信號的適配虛部 ?t),由此可構(gòu)造一個解析信號u(t):ut =xt j?(t)(41)從而實信號x(t)的包絡為：a(t)=qx2(t )+.(t)(42)x(t)的瞬時相位為：二 t = arctg及txt(43)頻率調(diào)制信號為：吧)=丑9-2

9、%(44)出 dt用希爾伯特變換進行數(shù)字解調(diào)的原理扣留4.2所示.圖4.2希爾伯特變換進行包絡解調(diào)的原理框圖4、希爾伯特變換的計算方法由上式可知，實信號x(t)的希爾伯特變換?t )定義為:2t =hxt 1：x-d =x 1 二d(45)二-t式中h弘 康示對括號內(nèi)的信號進行希爾伯特變換。即x(t )的希爾伯特變換是x(t)與1/nd的卷積。又由于1/nd的傅立葉變換為：f -jxsign (f )(46)色t其中sign為符號函數(shù)，表示為(47)f 0 signalf a-1f x(f )(48)_m即利傅立葉變換是信號x(t)在頻域作相移，在正頻內(nèi)延遲n/2,在負頻域內(nèi)超前冗/2。因此，

10、計算信號的希爾伯特變換，可采用對應的頻域移相法，其具體步驟如下：1)對 x(t)作 fft 得 x (f);2) 對x (f)移相得*;對霓(f)作逆fft得xt)二、利用包絡原理診斷滾動軸承故障滾動軸承產(chǎn)生表面剝落時，會產(chǎn)生沖擊振動，這種沖擊振動從性質(zhì)上可分成兩類。第一類沖擊振動是由于軸承元件的缺陷在運行中受到反復沖擊 而產(chǎn)生的低頻脈動，稱為軸承的“通過振動”。具發(fā)生周期是有規(guī)律 的，可以從軸承的轉(zhuǎn)速和軸承零件的尺寸求得。例如，在軸承零件的 整個圓周上發(fā)生了一處剝落時，沖擊振動發(fā)生的間隔頻率(又稱為通過頻率)會因剝落的位置不同而不同。滾動軸承的通過頻率范圍一般在1khz以下.是滾動軸承故障的

11、重要信息特征之一。但某些機械中 由于在這一頻帶中的噪聲，特別是流體動力噪聲的干擾較大，因而信 噪比較差。第二類沖擊振動是固有振動。 根據(jù)頻帶不同，在滾動軸承故障診 斷中，可以加以利用的固有振動有二種：1）軸承外圈一階徑向固有振動，具頻帶在 l 8khz范圍內(nèi)，在 諸如軸承壽命試驗機、離心泵、風機這類簡單機械的滾動軸承故障診 斷中，這是一種既可靠又經(jīng)濟的診斷信息。2）軸承其它元件的固有振動。具頻帶在2060khz范圍內(nèi)，能避 開流體動力噪聲，信噪比高。由于各種固有頻率只取決于元件的材料、外形和質(zhì)量，與轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)頻率無關(guān)，一旦軸承元件出現(xiàn)表面剝落就會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊， 從而激 發(fā)起各種固有振動，所以通過

12、查找這些固有振動當中的某一種是否出 現(xiàn)，是診斷軸承元件表面剝落故障的極好判據(jù)。利用軸承的各通過頻率對軸承元件的固有振動頻率的調(diào)制現(xiàn)象， 通過包絡解調(diào)原理判斷軸承故障。對于正常軸承，其振動加速度的頻率成分多集中在 800hz以下的 低頻范圍，800hz以上頻率峰值很低，幾乎可以忽略；軸承出現(xiàn)疲勞 之后800hz以下頻帶內(nèi)的變化并不十分顯著，但在 1500 3000hz 的頻帶內(nèi)出現(xiàn)大量峰群，此峰群的中心頻率與軸承外圈及其外殼形成 的振動系統(tǒng)的一階徑向固有振動有關(guān)；且不同元件疲勞時激起中心頻 率有著一定的差別，如外圈疲勞的特征頻率為2300hz;鋼球疲勞的 特征頻率為2200hz;內(nèi)圈疲勞的特征頻

13、率為 2100hz。（軸承在安裝 在軸和軸承箱中由于受到約束使固有頻率比自由狀態(tài)下的頻率有所 增大）三、利用希爾伯特變換解調(diào)法對齒根疲勞裂紋進行診斷在齒輪傳動中，由于轉(zhuǎn)速的變化或輪齒等分不均勻會產(chǎn)生振動信 號的調(diào)頻現(xiàn)象，而實際上齒輪傳動中調(diào)頻和調(diào)幅是同時存在的。 當然 與齒輪相連接的機械部件慣性越大， 相對調(diào)幅而言調(diào)頻就不顯著。速 度波動小.邊頻的數(shù)目就少。齒面波度誤差、相鄰周節(jié)誤差、齒面載 荷不均勻等等都可能產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。 當齒輪根部產(chǎn)生裂紋時，同樣會 產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。這時，可根據(jù)希爾伯特變換解調(diào)求出具幅值、相位特 性，對裂紋故障進行診斷。四、包絡線分析原理：實際工程中，有時檢測得到的信號波形

14、雖然比較復雜，但其包絡 線卻有一定的規(guī)律或趨向。此時利用包絡線分析辦法可以對信號高頻 成分的低頻待征或低頻率事件作更詳細的分析。 例如有缺陷的齒輪在 嚙合中存在低頻、低振幅所激發(fā)的高頻、高振幅共振，對此進行包絡 線分析可以對缺陷作出恰當?shù)呐袛?。由于包絡線組成波形的頻率、幅值及其單頻相位角不同、其合成 波形的包絡線也不同。這里以圖435所示的波形為例介紹包絡線的一般分析方法。由于圖4-35中，上下包絡線之間的間距稱為包絡帶寬，最大帶 寬等于兩組成波振幅之和，最小帶寬為兩組成波振幅之差。圖4- 35中包絡線帶寬呈周期性變化，具變化頻率稱為拍頻，記為fb,即1/又。拍的最大幅值處稱為腹部，最小振幅處

15、稱為腰部。其中拍的腹部由兩組成波的瞬時間同相產(chǎn)生， 腰部是由兩組成波的瞬 間反相產(chǎn)生。拍的腹部和腹部相鄰波峰或波谷的距離l腹和l腰決定于兩 組成波的頻率關(guān)系。若令大幅值波頻率為 f主，小幅值波頻率為f次， 則l腰l腹時，心屋；1腰1腹時，f次f主。圖4-35兩種相近頻率合成的拍波采用包絡線分析信號，可按以下步驟進行：(1)檢查信號波形形狀和變化規(guī)律，作出上、下包絡線，其中包絡 線變化頻率代表低頻分量，包絡線內(nèi)的波形為高頻分量。當包絡不呈 現(xiàn)周期性變化時，應對包絡線作進一步的分析。(2)從包絡線帶寬中計算出高頻分量的峰峰值。(3)當上、下包絡線形狀和相位不一致時，可以通過每個峰谷中點 線作出包絡

16、中線，如圖436所示。包絡中線變化周期代表低頻分量。 線包絡線中線不呈周期性變化，應對包絡中線再作進一步分析。(4)上下包絡線近似為簡諧波，但其間的高頻分量成拍波時，確定腹和腰的位置及其上下包絡線間的距離，并量出腹、腰處相鄰波峰的間距l(xiāng)腹和l腰、拍波周期又，計算出合成波頻率 九。(5)當fb = f主時，主波峰峰值由包絡線最大帶寬與最小帶寬之 和的一半來計算。(6)拍波分解出來的次要分量的頻率，當l腹 l腰時，f次 f主，f次 =1+ fb;當l腹 l腰時，f次 f主，f= f次+ fb。次要分量的振動波 形峰值等于最大帶寬與最小帶寬之差的一半。(7)在一個完整循環(huán)內(nèi)僅有一個拍時，則兩個分量的

17、頻率差為1,如圖4 37中a+ b;若有兩個拍時，則兩頻率分量的頻率差為2,如圖437中a+c; 其余類推，即在一個完整循環(huán)內(nèi)包含的拍波數(shù)與兩頻率分量的頻率差 值相等。圖4-36包絡中線圖4-37完整循環(huán)內(nèi)多個拍波的分析other sources of ultrasonicfrequenciescavitation 氣穴現(xiàn)象high pressure st turbulence (液體 liquids and air. r u b b i ng. (seal s , etc.)eam and a i r fl或氣體的)紊亂rotors, beltso w .湍流 inguards發(fā)， 勵 磁

18、.固 有 的 i n t h ei m p a c t excitation 激(looseness o r i nherentelectrical a r c i ng 弧overall gse displaygse spectrumdisplay包絡解調(diào)原理: 故障所引起的低頻（通常是數(shù)百 hz以內(nèi)）沖擊脈沖激起了高頻（數(shù)十倍于沖擊頻率）共振波形，對它進行包絡、檢波、低通濾波（即解調(diào)），會獲得一個對應 于低頻沖擊的而又放大并展寬的共振解調(diào)波形。4溪正誨就信圣中希微36臍沖u心諷制陽餡粉詣包絡解調(diào)的優(yōu)點：1）剔除了低頻振動干擾2）含有未知的故障信息（即s/nt）對于共振解調(diào)波后續(xù)處理方法不同，可分為spmk ifd法1) spmt：它是應用共振解調(diào)波的幅值來進行診斷。共振解調(diào)波通過峰值檢波、平均、保持、測得沖擊量值s