[发明专利]用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵

说明书

技术领域

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。

背景技术

旋转机械在运行过程中，故障信息通常以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啮合激励产生，信号中包含各级齿轮的啮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啮合频率附近形成边带。利用带通滤波提取齿轮啮合频率附近的成分，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，这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(Hilbert)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。

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。其中窄带滤波中心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啮合频率两侧，可以选择啮合频率作为窄带滤波中心频率，也可以选择某个共振频率作为滤波中心频率；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，难以准确选择窄带滤波中心频率。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啮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，不同滤波中心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，滤波中心频率与频宽的影响更为明显。

发明内容

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。

本发明所述方法包括以下步骤：

(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，可以选择任何形式的经典带通滤波器，如巴特沃斯带通滤波器、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，以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：

H(z)=Σr=0Mbrz-r1+Σk=1Nakz-k]]>

式中，b_r和a_k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以体现；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，可以选择在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