小波分形技術(shù)在變速器軸承故障診斷中的應(yīng)用試論

撰文/鐘鳴吳雙斌彭天樂

■1.410100 三一港口設(shè)備有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 2.410100 三一重工股份有限公司 湖南 長(zhǎng)沙

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小波分形技術(shù)在變速器軸承故障診斷中的應(yīng)用試論

撰文/鐘鳴1吳雙斌2彭天樂1

■1.410100 三一港口設(shè)備有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 2.410100 三一重工股份有限公司 湖南 長(zhǎng)沙

因?yàn)樽兯倨鹘Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，在分析故障時(shí)使用常規(guī)技術(shù)很難起到效果，隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，小波分形等技術(shù)已在變速箱故障診斷中得到一定應(yīng)用。小波分形技術(shù)；變速器；故障診斷；應(yīng)用

1小波分析

原理就是依據(jù)平移和伸縮小波函數(shù)的實(shí)際性質(zhì)函數(shù)族，確保函數(shù)能夠建立杉樹空間框架，依據(jù)此函數(shù)族來分析和分解信號(hào)，形成了小波函數(shù)系[1]。小波變換中也可以適當(dāng)應(yīng)用離散形式，且為了方便計(jì)算，對(duì)a，b進(jìn)行二進(jìn)制變換，形成二進(jìn)制小波變換。

2分形理論

現(xiàn)階段，分形應(yīng)用時(shí)，主要是依據(jù)分形維數(shù)來刻畫分形集，不同分形維數(shù)能夠不同程度反映集合實(shí)際復(fù)雜情況。一維離散信號(hào)的維數(shù)實(shí)際上都是處于1～2之間的分?jǐn)?shù)，越復(fù)雜的信號(hào)，就存在越大的維數(shù)，在計(jì)算機(jī)中用等價(jià)于盒維數(shù)的網(wǎng)格維數(shù)來進(jìn)行維數(shù)計(jì)算[2]。實(shí)際應(yīng)用此方式時(shí)，依據(jù)離散空間點(diǎn)集來計(jì)算網(wǎng)格計(jì)點(diǎn)維數(shù)，盡可能詳細(xì)地把歐式空間Rn變?yōu)棣揖W(wǎng)格，分割時(shí)要等間隔，也就是依據(jù)σ為正方體邊長(zhǎng)的n維網(wǎng)格，數(shù)字點(diǎn)集是集合X，離散空間中集合X實(shí)際計(jì)點(diǎn)數(shù)是Nσ，選擇不同寬度k個(gè)網(wǎng)格計(jì)數(shù)點(diǎn)Nkσ。

3小波分形技術(shù)的應(yīng)用

3.1軸承振動(dòng)特性

滾動(dòng)軸承磨損以后，滾動(dòng)體和內(nèi)外圈會(huì)形成一定間隙，外圈和軸的中心不在同一點(diǎn)上，會(huì)不斷增加磨損程度，提高偏心率。軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)繞著外圈中心擺動(dòng)，使寬頻帶出現(xiàn)振動(dòng)，且由于質(zhì)量偏移和軸彎曲形成附加激勵(lì)力，會(huì)增大磨損間隙，提高激勵(lì)力，加劇設(shè)備振動(dòng)。

3.2采集信號(hào)

對(duì)某型汽車變速器實(shí)施振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件是：不改變其他設(shè)備條件時(shí)，適當(dāng)變更第二軸承的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。此時(shí)，合理采集振動(dòng)信號(hào)變化情況，真實(shí)反映軸承狀態(tài)變化。樣品是5個(gè)車用軸承，狀態(tài)如表一。

表一 技術(shù)狀態(tài)

為了提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，更換軸承時(shí)，應(yīng)盡量確保不改變其他條件；完成更換后，為降低誤差，運(yùn)行10米再測(cè)試振動(dòng)信號(hào)。在軸承最近的變速器側(cè)面安置加速度傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1500rpm，2048采樣點(diǎn)數(shù)、1000Hz采樣頻率[3]。

3.3計(jì)算分形維數(shù)

因存在相對(duì)比較高的采樣頻率，在實(shí)際分析軸承時(shí)，主要研究低頻特征。旋轉(zhuǎn)頻率為25Hz，依據(jù)旋轉(zhuǎn)頻率來展現(xiàn)軸承磨損的程度，在振動(dòng)信號(hào)低頻位置體現(xiàn)故障特征。依據(jù)小波分解的特點(diǎn)來有效地分解低頻信號(hào)，忽略高頻信號(hào)，時(shí)域重構(gòu)分解以后的隔層低頻帶，依據(jù)網(wǎng)格維數(shù)方式來來合理計(jì)算軸承實(shí)際網(wǎng)格維數(shù)。分形維數(shù)分析五層小波分解后低頻信號(hào)以及原始振動(dòng)信號(hào)[4]。

從表二中發(fā)現(xiàn)，由于不斷增加小波分解層數(shù)，會(huì)降低低頻重構(gòu)信號(hào)點(diǎn)數(shù)，會(huì)先提高后降低網(wǎng)格維數(shù)。存在相應(yīng)數(shù)目點(diǎn)數(shù)時(shí)，因具備較少的信號(hào)重構(gòu)點(diǎn)數(shù)，出現(xiàn)不穩(wěn)定的網(wǎng)格維數(shù)，不能實(shí)際反映幾何特點(diǎn)。相較3號(hào)軸承來說，4號(hào)軸承具備相對(duì)較大的分形維數(shù)，主要由于4號(hào)軸承表面出現(xiàn)輕微剝落情況，從而增加振動(dòng)作用。軸承軸向間隙與加速度原始振動(dòng)信號(hào)分形維數(shù)息息相關(guān)，提高的軸承間隙，會(huì)增加分形維數(shù)，此外，在分形維數(shù)重構(gòu)信號(hào)中明顯體現(xiàn)軸向間隙的增加。

表二 網(wǎng)格維數(shù)

4結(jié)束語

總之，用變速器振動(dòng)信號(hào)分形維數(shù)分析特定頻率帶后的數(shù)據(jù)能夠作為基本診斷特征量，可以更加有效地反應(yīng)變速器軸承實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖云魁，程廣濤，孫東江等.基于小波分形技術(shù)提取變速器軸承故障特征[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，7(20):5282-5285，5326.

[2]曹宗保.小波分形技術(shù)在變速器故障診斷中的應(yīng)用[J].汽車維修，2011(2):3-5.

[3]訾艷陽，何正嘉，張周鎖等.小波分形技術(shù)及其在非平穩(wěn)故障診斷中的應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(9):82-87.

[4]史麗晨，段志善.基于小波分形技術(shù)的隔膜泵磨損故障診斷研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2012，34(1):13-19.