角域四階累積量切片譜在連桿軸承微弱故障提取中的應(yīng)用

角域四階累積量切片譜在連桿軸承微弱故障提取中的應(yīng)用

黃連軸是發(fā)動機的重要部件。它的技術(shù)狀態(tài)直接影響到發(fā)動機的外觀和長度。連桿軸承磨損故障特征微弱,容易被發(fā)動機復雜的其他分量和強噪聲淹沒,難以提取。發(fā)動機變轉(zhuǎn)速過程更容易暴露微弱故障特征,但變轉(zhuǎn)速過程信號是多分量非平穩(wěn)信號,常用的頻譜分析方法并不能取得較好的效果,需要有效的非平穩(wěn)信號分析方法。文獻用小波包-AR譜提取連桿軸承故障特征,但特征提取結(jié)果往往依賴于小波基函數(shù)的選擇,文獻將循環(huán)平穩(wěn)理論應(yīng)用于連桿軸承故障的特征提取,而循環(huán)平穩(wěn)理論對于信號周期性、平穩(wěn)性要求太高且計算量大。階比分析是分析變轉(zhuǎn)速過程非穩(wěn)態(tài)信號的有效方法,已經(jīng)在發(fā)動機變轉(zhuǎn)速過程信號分析中取得了較好效果,但階比分析沒有抑制噪聲能力,因此在微弱故障特征提取上有一定的局限性。高階譜具有較強的高斯噪聲抑制能力,但只能分析平穩(wěn)信號,而且計算量較大,在分析變轉(zhuǎn)速過程非穩(wěn)態(tài)信號時受限。為了從變轉(zhuǎn)速過程非穩(wěn)態(tài)信號中有效提取出連桿軸承微弱故障特征,本文提出了一種基于角域四階累積量切片譜的柴油機連桿軸承特征提取方法。采用階比方法將變轉(zhuǎn)速過程非平穩(wěn)信號重采樣成角域平穩(wěn)信號,再計算四階累積量切片譜,并應(yīng)用于提取連桿軸承故障特征,取得了較好的效果。1角域四階累積曲線的譜分析原理1.1軸類轉(zhuǎn)角的t階比分析將時域的非平穩(wěn)信號等角度重采樣成角域平穩(wěn)信號,其具體分析原理為:假設(shè)機器做勻變速運動,轉(zhuǎn)角與時間滿足二次多項式關(guān)系:式中,θ(t)是軸的轉(zhuǎn)角,b0,b1,b2為待定系數(shù),t為時間。將3個依次到達的脈沖時間點t1,t2,t3代入式(1),因為轉(zhuǎn)速脈沖的角度間隔Δф是固定的,即將式(2)代入式(1)求解可以得到對應(yīng)轉(zhuǎn)角變化的時間:式中,Δθ為等角度采樣的角度間隔,k為插值系數(shù),由式(4)決定根據(jù)式(3)所求得的t值,通過插值對振動信號進行重采樣,得到等角度采樣信號。1.2階累積量的三維切片零均值的高斯隨機過程的3階以上高階累積量恒等于零。因此,如果一個測量信號中含加性高斯噪聲,高階累積量理論上可以完全抑制高斯噪聲的影響,提取出有用的信號。離散零均值平穩(wěn)隨機過程x(n)的四階累積量為:式中:E[·]為數(shù)學期望,Rx(τ)是{x(n)}的二階矩,Rx(τ)=E[x(n)x(n+τ)]。τ1、τ2、τ3為滯后量,無量綱。根據(jù)τ1、τ2和τ3取值的不同,x(n)的四階累積量的一維切片共有3種:(1)當τ1=τ2=τ3=τ時,(2)當τ1=τ2=τ,τ3=0或τ1=τ3=τ,τ2=0或τ2=τ3=τ,τ1=0時,(3)當τ1=τ,τ2=τ3=0或τ2=τ,τ1=τ3=0或τ3=τ,τ1=τ2=0時,其中:c14x稱為對角切片;c24x和c34x稱為非對角切片。對四階累積量的一維切片進行傅里葉變換,得到四階累積量切片譜:這些譜都是三譜在不同方向的一維投影。對于受高斯噪聲污染的平穩(wěn)隨機信號而言,其一維高階累積量對角切片與非對角切片是相等的。當信號為非平穩(wěn)隨機信號時,信號的一維高階累積量對角切片與非對角切片一般是不相等的,它們抑制高斯噪聲的效果是不同的,且與信號有關(guān)。相比于高階譜的定義:式中,ckx(τ1,τ2,…,τk-1)=cum{x(n),x(n+τ1),…,x(n+τk-1)}表示零均值的k階平穩(wěn)隨機過程{x(n)}的k階聯(lián)合累積量?？梢钥闯?高階譜是由高階累積量經(jīng)過多維傅氏變換得到的,計算量大且耗時長,四階累積量切片譜比三譜明顯簡化了計算的復雜度,但保留了其抑制高斯噪聲的優(yōu)點。1.3階累積量切片譜為了有效分析變轉(zhuǎn)速過程非平穩(wěn)信號,抑制噪聲干擾,提取連桿軸承故障特征,本文提出了角域四階累積量切片譜,既能分析變轉(zhuǎn)速過程非平穩(wěn)信號,又能抑制高斯噪聲干擾。具體實現(xiàn)步驟:(1)采用階比分析將變轉(zhuǎn)速過程非平穩(wěn)信號等角度重采樣成角域平穩(wěn)信號;(2)計算角域平穩(wěn)信號的四階累積量對角切片;(3)對四階累積量的一維對角切片進行離散傅里葉變換,得到四階累積量切片譜:2基于角域內(nèi)四個累積曲線的函數(shù)提取，以提取機車框架軸的故障特征2.1測試結(jié)果與分析以實車WD615型柴油發(fā)動機作為試驗對象,設(shè)置第2缸連桿軸承為故障軸承,試驗時盡量不改變其它條件,僅改變連桿軸承的配合間隙。WD615型柴油發(fā)動機連桿軸承配合間隙正常極限為0.17mm,本試驗中連桿軸承正常和故障的配合間隙參數(shù)如表1所示。為了比較不同的測點位置對信號特征提取的影響,試驗中設(shè)置了多個測試點,如圖1所示。將加速度傳感器分別放置在第2缸對應(yīng)的缸蓋頂部(A位置),缸體上部右側(cè)(B位置),左側(cè)(C位置),油底殼與缸體結(jié)合處右側(cè)(D位置),左側(cè)(E位置),和油底殼下部(F位置)6個測點。發(fā)動機變轉(zhuǎn)速過程中,故障特征暴露更加明顯,但變轉(zhuǎn)速過程采集的重復性很難控制,為了保證各次數(shù)據(jù)采集的重復性,采用定轉(zhuǎn)速觸發(fā)方式采集發(fā)動機加速振動信號。所謂定轉(zhuǎn)速觸發(fā)采集,就是設(shè)定一個轉(zhuǎn)速值,一旦發(fā)動機達到這個轉(zhuǎn)速值,采集器開始采集信號。設(shè)定采集器觸發(fā)轉(zhuǎn)速分別為1000r/min,1400r/min,1800r/min,采樣頻率為20kHz,采樣點數(shù)為40000,采集了前述三種技術(shù)狀況下的發(fā)動機振動信號。圖2為觸發(fā)轉(zhuǎn)速1000r/min采集到的發(fā)動機三種技術(shù)狀態(tài)下,位置B處的升速過程振動信號與對應(yīng)的轉(zhuǎn)速曲線?？梢钥闯?升速過程很快,1秒鐘后信號已基本處于穩(wěn)態(tài)。2.2振動信號分析實車最高轉(zhuǎn)速在2300r/min左右,對應(yīng)于三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速分別截取轉(zhuǎn)速區(qū)間1000-1400r/min,1400-1800r/min,1800-2200r/min的時域振動信號進行分析,為了分析不同轉(zhuǎn)速區(qū)間、不同測試位置對不同程度故障特征提取的影響,對三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速、6個測試點的數(shù)據(jù)分別進行角域四階累積量切片譜分析,并進行對比,確定連桿軸承故障特征提取的敏感測試位置、敏感觸發(fā)轉(zhuǎn)速和有效特征參數(shù)。2.2.1正常、輕和嚴重故障的階比譜為了檢驗角域四階累積量切片譜的有效性,先對位置B處轉(zhuǎn)速區(qū)間為1800-2200r/min的發(fā)動機升速過程振動信號進行階比分析,再對該信號進行角域四階累積量切片譜分析。位置B處正常、輕微和嚴重故障的階比譜如圖3所示。從圖3中可以看出,正常、輕微和嚴重故障信號的階比譜中,峰值眾多并且雜亂,隨著故障程度增大,階比譜能量并沒有明顯增強,很難提取連桿軸承的故障特征。對上述位置B處升速過程振動信號進行角域四階累積量切片譜分析,結(jié)果如圖4所示。從圖4可以清楚看出,正常、輕微和嚴重故障信號的切片譜能量主要都集中在100-200階比帶內(nèi),隨著故障程度增大,該階比帶的切片譜能量相應(yīng)增加,能清楚分辨正常、輕微和嚴重故障技術(shù)狀態(tài),說明角域四階累積量切片譜有效提取出了連桿軸承故障特征,證明了角域四階累積量切片譜的有效性。2.2.2故障識別轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的c為了檢驗不同觸發(fā)轉(zhuǎn)速對連桿軸承特征提取的影響,對位置B處三種觸發(fā)轉(zhuǎn)速下截取的不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的振動信號,分別進行角域四階累積量切片譜分析,并統(tǒng)計0-100、100-200、200-300階比帶的切片譜能量和峰值,結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出,三種轉(zhuǎn)速區(qū)間,100-200階比帶內(nèi)角域四階累積量切片譜累加能量都能正確識別連桿軸承技術(shù)狀態(tài),因此可以以100-200階比帶內(nèi)的累加能量作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù);1400-1800r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),僅200-300階比帶內(nèi)的切片譜能量能正確識別連桿軸承技術(shù)狀態(tài),可以以此作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù),其他轉(zhuǎn)速區(qū)間和階比帶內(nèi)的切片譜都沒能正確反應(yīng)反映連桿軸承技術(shù)狀態(tài)。同時,可以看出轉(zhuǎn)速區(qū)間1400-1800r/min,1800-2200r/min的角域四階累積量切片譜峰值隨配合間隙的增大而增大且增幅明顯,也可以以此作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù)。2.2.3連鎖反應(yīng)時間的選擇為了檢驗不同測試位置對連桿軸承特征提取的影響,采用角域四階累積量切片譜對3個轉(zhuǎn)速區(qū)間、6個測試位置的振動信號進行分析,能正確識別連桿軸承技術(shù)狀態(tài)的特征參數(shù)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,不同的轉(zhuǎn)速區(qū)間下,不同測試位置的角域四階累積量切片譜,在不同的階比帶內(nèi)對連桿軸承故障敏感。其中位置B在三個轉(zhuǎn)速區(qū)間的100-200階比帶內(nèi)對故障都敏感,因為沿車輛前進方向觀察發(fā)動機運轉(zhuǎn)時,連桿帶動曲軸做順時針旋轉(zhuǎn)運動,當被測軸承對應(yīng)的氣缸開始做功時,連桿帶動曲軸對軸承右側(cè)形成瞬態(tài)強烈沖擊,因此位置B對故障更加敏感。D、E、F位置幾乎沒有可選的特征,這是由于位于缸體下部的三個位置距離激勵源較遠,信號的故障特征淹沒在大量噪聲干擾中不能很好的顯現(xiàn)。同時不同轉(zhuǎn)速對特征提取影響較大,其中1400-1800r/min的轉(zhuǎn)速區(qū)間反映連桿軸承磨損故障的特征最多。綜合上述分析,可以確定柴油發(fā)動機連桿軸承故障時的敏感測試位置為缸體上部右側(cè),敏感轉(zhuǎn)速區(qū)間為1400-1800r/min,特征階比帶為100-200階次,可以以缸體上部右側(cè),轉(zhuǎn)速區(qū)間1400-1800r/min,100-200階比帶內(nèi)的累加能量和峰值作為提取連桿軸承故障特征的參數(shù)。3特定階比