楊大為, 馮輔周, 趙永東, 江鵬程, 丁 闖
(陸軍裝甲兵學(xué)院 機(jī)械工程系,北京 100072)
行星變速箱廣泛應(yīng)用于大型工程機(jī)械中,具有傳動比大,機(jī)構(gòu)緊湊,傳遞效率高等優(yōu)點,其工作環(huán)境惡劣,齒輪故障時有發(fā)生,不及時進(jìn)行處理,將嚴(yán)重影響變速箱功能。行星變速箱傳動機(jī)理復(fù)雜,振動傳感器測得信號干擾和衰減嚴(yán)重,為典型的非線性非平穩(wěn)信號,行星輪故障和太陽輪故障難于區(qū)分。而現(xiàn)有的很多研究還停留在套用定軸變速箱故障診斷方法,不能針對行星變速箱特點進(jìn)行有效的分析[1]。某型行星變速箱為多檔位行星變速箱,同時存在多個定軸輪系和行星輪系,行星輪系還存在復(fù)合框架和兩級復(fù)合行星排,多數(shù)檔位需要由2~3個行星排同時工作,而且每個行星排至少有3個行星齒輪,并且結(jié)構(gòu)非常緊湊,箱體為圓柱體并且表面存在大量散熱筋,內(nèi)部有三個離合器和兩個制動器共五個操縱件,傳感器測點選擇十分困難。這些自身原因給該型行星變速箱的故障診斷工作帶來了更大的困難。
Dragomiretskiy等[2]提出一種全新的自適應(yīng)非遞歸信號處理算法變分模態(tài)分解,迭代尋找變分問題最優(yōu)解以確定每個IMF分量的中心頻率和帶寬,實現(xiàn)信號頻譜的劃分及各分量的有效自適應(yīng)分解。不同于EMD、EEMD和LMD傳統(tǒng)遞歸算法,VMD算法擺脫了傳統(tǒng)信號分解的遞歸篩分剝離模式的約束,有著堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),可以緩解模態(tài)混疊和邊界效應(yīng),還有運(yùn)算效率高和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢[3]。樣本熵是一種對近似熵進(jìn)行改進(jìn)的計算時間序列復(fù)雜度的算法,非常適合處理非線性非平穩(wěn)信號[4]。與近似熵對比,樣本熵提高了統(tǒng)計精度,降低了對時間序列長度的依賴,具有更好的一致性。系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)對應(yīng)著不同的樣本熵值,所以樣本熵可用于表征系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[5]。
本文針對傳統(tǒng)樣本熵的不能有效提取行星變速箱故障特征的問題,提出結(jié)合VMD與樣本熵的特征提取方法,并將其應(yīng)用于某型行星變速箱。首先依據(jù)中心頻率觀察法選取VMD的分解尺度和依據(jù)樣本熵最小原則選取二次懲罰因子,再利用VMD將振動信號分解為若干個IMF分量,然后依據(jù)敏感度最大原則確定VMD分解各IMF與原信號相關(guān)系數(shù)閾值,選取大于相關(guān)系數(shù)閾值的IMF分量重構(gòu)信號,最后對重構(gòu)后的信號計算樣本熵,依據(jù)熵值判斷行星變速箱的運(yùn)行狀態(tài)。
VMD是一種區(qū)別于EMD、EEMD和LMD的非遞歸新算法,能夠自適應(yīng)地分解信號,得到k個中心頻率為ωk的模態(tài)函數(shù)uk,其中k為預(yù)設(shè)尺度數(shù)。VMD分解過程的實質(zhì)就是構(gòu)造和求解變分問題的過程[6]。
為估計各模態(tài)函數(shù)uk的帶寬,如下步驟構(gòu)造變分問題:
(1)通過對每個uk進(jìn)行Hilbert變換,獲得其相應(yīng)的單邊頻譜;
(2)通過指數(shù)混合調(diào)制方法,將每個uk的頻譜移動到各自估算的中心頻率;
(3)依據(jù)高斯平滑度和梯度平方準(zhǔn)則對信號進(jìn)行解調(diào)估計各uk的帶寬。
約束變分問題則可表示為:
(1)
(2)
式中:uk:={u1,u2,…,uk}為各模態(tài)函數(shù);ωk:={ω1,ω2,…,ωk}為各模態(tài)函數(shù)的中心頻率。
為求解該約束變分問題,引入拉格朗日乘子λ(t)和二次懲罰因子α,將其變?yōu)榉羌s束變分問題,得到增廣拉格朗日表達(dá)式為:
L({uk},{ωk},λ):
(3)
迭代步驟如下:
(2)迭代次數(shù)n=n+1;
(3)fork=1∶K
(4)
(5)
(4) 根據(jù)式(6),對于所有ω≥0,進(jìn)行雙重提升,更新λ;
(6)
式中:τ為噪聲容限,可設(shè)為0以達(dá)良好去噪效果。
樣本熵適用于了量化非線性非平穩(wěn)信號的復(fù)雜度,具有無需自我匹配度、計算快、精度高的優(yōu)點[7]。樣本熵可以衡量行星變速箱振動信號復(fù)雜程度,如果振動信號成分單一,周期性越明顯,信號噪聲干擾越少,信號復(fù)雜程度越低,樣本熵值越小,反之信號噪聲干擾越多,信號復(fù)雜程度越高,樣本熵值越大。
給定序列X{x(n),n=1,2,…,N},計算樣本熵步驟如下:
(1) 對序列X進(jìn)行相空間重構(gòu),獲得矩陣Y,m為模式維數(shù)。
(7)
1≤i,j,K≤N-m+1
(2) 計算向量Y(i)與Y(j)中對應(yīng)元素最大差值,將其絕對值定義為兩者的距離d(i,j)
d(i,j)=maxx(i+k)-x(j+k)
0≤k≤m-1
1≤i,j≤N-m+1,j≠i
(8)
(9)
(10)
(4) 維數(shù)增加到m+1,獲得一組m+1維向量,重復(fù)(1)~(3),得到Bm+1(r),
(5) 理論上,樣本熵定義為
(11)
當(dāng)N為有限值時,樣本熵的估計值為
(12)
由式(12)可知,模式維數(shù)m和相似容限r(nóng)的取值都會影響最后計算所得樣本熵值。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果和試驗對比,應(yīng)取m=2,r=0.15×Std(Std為信號的標(biāo)準(zhǔn)差)。
為量化特征參數(shù)對行星變速箱狀態(tài)的分類能力,引入雙樣本Z值檢驗法。雙樣本Z值檢驗法能有效地對兩類樣本在統(tǒng)計上的差異進(jìn)行評估,計算結(jié)果Z值可以作為特征參數(shù)的分類能力進(jìn)行的評價指標(biāo),在相同情況下,Z值越大,兩類樣本的分類距離越大,說明特征參數(shù)的分類能力越強(qiáng)。
X1{x11,x12,…,x1j}和X2{x21,x22,…,x2j}分別是兩類樣本,定義特征參量的Z值(敏感度)為
(13)
結(jié)合VMD與樣本熵的特征提取具體方法流程如下:
(1) 依據(jù)基于信號頻譜特性和VMD分解能力的中心頻率觀察法確定VMD分解尺度,依據(jù)重構(gòu)信號樣本熵值最小原則確定VMD二次懲罰因子,使用VMD分解振動信號。
(2) 計算分解所得的各IMF分量與原信號的相關(guān)系數(shù),依據(jù)敏感度最大原則確定相關(guān)系數(shù)閾值,選取大于等于閾值的IMF分量進(jìn)行重構(gòu)。
(3) 計算重構(gòu)信號的樣本熵值,作為故障特征參數(shù),使用敏感度指標(biāo)對特征參數(shù)分類能力進(jìn)行評估,驗證特征參數(shù)的有效性。
實驗對象為某型三軸式離合器換擋三自由度行星變速箱,其主動軸齒輪和中間軸齒輪為定軸齒輪,主軸上有三個行星排,K1排為外嚙合雙行星排,其余兩排為簡單行星排。故障模擬試驗臺的組成如圖1(a)所示,試驗工況設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,負(fù)載為900 N·m,均為試驗臺所能達(dá)到最大轉(zhuǎn)速和最大加載,此時齒輪振動最為劇烈,便于提取故障特征。變速箱擋位設(shè)置在Ⅳ檔,此時K3太陽輪固定,由內(nèi)齒圈傳入動力,內(nèi)齒圈帶動行星輪轉(zhuǎn)動,從而使行星架轉(zhuǎn)動將動力輸出。行星變速箱此時只有K3行星排傳動方式為行星傳動, K1和K2行星排整體旋轉(zhuǎn),可以排除其他行星排的干擾。傳感器測點安置在右側(cè)輸出軸端的箱體內(nèi)部靠近K3內(nèi)齒圈的位置,如圖1(b),該測點距振源近,受傳遞路徑干擾小,能更好地采集齒輪故障的振動信號。故障設(shè)置在Ⅳ檔K3行星排的太陽輪Z=30的某輪齒齒面上,利用線切割將其某個齒切除來模擬斷齒故障,實物圖為圖1(c)。
圖1 行星變速箱故障模擬試驗有關(guān)情況Fig.1 Introduction of planetary gearbox fault simulation experiment
行星輪系的運(yùn)動方式不同于定軸輪系為復(fù)合運(yùn)動,行星輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn),采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括相同個行星齒輪回到初始位置的完整周期,這樣得到的相同工況的樣本信號對應(yīng)著行星輪系運(yùn)行的相同物理過程,此時計算的樣本熵才具有意義,否則采樣所取完整周期數(shù)不同,測得信號對應(yīng)的物理過程不同,故障產(chǎn)生的沖擊數(shù)也不同,這樣將多個振動信號的樣本熵做橫向比較將失去意義。所以針對行星輪系的特殊情況,需要考慮行星齒輪回到初始位置周期的問題。
表1 K3齒輪參數(shù)
依據(jù)齒輪相關(guān)參數(shù)和理論計算可得K3行星排參數(shù)如表1,由表知,行星輪自轉(zhuǎn)頻率為行星架轉(zhuǎn)頻的2倍,即行星架每轉(zhuǎn)一圈,行星輪就要自轉(zhuǎn)兩圈,行星輪與太陽輪嚙合兩個周期30個齒,剛好是太陽輪齒數(shù)的一倍,太陽輪嚙合一個周期,行星輪剛好旋轉(zhuǎn)到初始位置。即行星架轉(zhuǎn)一圈,行星輪剛好旋轉(zhuǎn)到初始位置,一個完整周期歷時t=1/17.65≈0.056 6 s。為保證采集信號的可用性,本次試驗采樣頻率20 kHz,每次采樣取30個周期,間隔30個周期,即每次采樣1.7 s,間隔1.7 s,連續(xù)采集52組數(shù)據(jù)用于處理。
實測正常和太陽輪斷齒信號時域波形如圖2所示,從時域看,故障信號沖擊脈沖不凸顯,并且沒有明顯的周期;從頻域看,實測信號干擾較多,頻帶成分復(fù)雜,低頻段定軸齒輪嚙合頻率及其邊頻帶和噪聲干擾嚴(yán)重,找不到太陽輪斷齒的故障特征頻率,僅從時域和頻域都不能區(qū)分正常和故障信號。
圖2 實測信號時域及頻譜圖Fig.2 Measured signals in time domain and corresponding spectrum
使用VMD時需要選定預(yù)設(shè)尺度數(shù)K和二次懲罰因子α,預(yù)設(shè)尺度數(shù)K和二次懲罰因子α都會對分解結(jié)果產(chǎn)生影響,由于實測信號復(fù)雜多變,使用VMD算法的難點和關(guān)鍵在于如何選定合適的Κ和α值。
目前,使用VMD時一般選擇默認(rèn)的Κ和α值,不能保證VMD參數(shù)選取最優(yōu),極大限制了VMD的性能。文獻(xiàn)[11]采取粒子群算法對VMD參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取,取得了比較好的效果,但該優(yōu)化過程繁瑣復(fù)雜,粒子群尋優(yōu)需要很長的時間,不利于在線監(jiān)測以及實時診斷,且所處理信號分解后不涉及信號重構(gòu),沒有考慮相關(guān)系數(shù)閾值對信號重構(gòu)的影響。因此,本文提出一種簡單快捷且考慮相關(guān)系數(shù)閾值的方法對VMD算法參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取。
2.2.1 基于中心頻率觀察法的分解尺度選取
由于VMD分解得到的IMF分量的中心頻率是由低頻至高頻分布的,如預(yù)設(shè)尺度數(shù)K值從小到大取值,則最后一層IMF分量的中心頻率首次達(dá)到最大值時,將不會出現(xiàn)分解不足的問題,若隨著K值增大,最大中心頻率仍然保持相對穩(wěn)定,則可認(rèn)為此時K的取值為最佳取值[12]。
當(dāng)K取不同值時,取一組太陽輪斷齒故障信號進(jìn)行VMD分解,得到IMF分量的中心頻率如表2所示,由表2得,當(dāng)K=5時,IMF1取到中心頻率最小值950 Hz并當(dāng)K≥5時,IMF分量的中心頻率最小值趨于穩(wěn)定。當(dāng)K=8時,IMF8取到中心頻率最大值8 028 Hz并當(dāng)K≥8時中心頻率最大值趨于穩(wěn)定。當(dāng)時,IMF1中心頻率對應(yīng)行星變速箱主動軸定軸齒輪的嚙合頻率,是頻譜低頻段的主要特征頻率, IMF8中心頻率對應(yīng)著信號頻譜最后一個明顯峰值,符合信號實際情況。當(dāng)K≥8時中心頻率最大值和最小值都保持相對穩(wěn)定,不再出現(xiàn)新的中心頻率最大值或者最小值,從而保證VMD分解不會遺漏更高或者更低的中心頻率,則認(rèn)為此時VMD分解能力最佳,故本次取預(yù)設(shè)尺度K=8。
2.2.2 基于樣本熵值最小原則的二次懲罰因子選取
VMD算法中二次懲罰因子α越小,分解得到的各IMF分量的帶寬越大,α越大則帶寬越小[12]。使用VMD算法處理信號后,如果信號包含的故障信息較少,與故障相關(guān)的周期性沖擊脈沖不凸顯,信號干擾和噪聲較強(qiáng),樣本熵值較大。如果包含的故障信息較多,出現(xiàn)與故障相關(guān)的周期性沖擊脈沖,信號的干擾和噪聲較弱,呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性,樣本熵值較小,故選取最優(yōu)的二次懲罰因子α應(yīng)使重構(gòu)信號的樣本熵值最小。在使用VMD算法時,采用不同的懲罰因子對信號進(jìn)行VMD重構(gòu)后求樣本熵將得到不同的結(jié)果。本文在預(yù)設(shè)尺度K=8的條件下采用不同的懲罰因子處理試驗52組
表2 取不同K值時VMD分解后各IMF分量中心頻率
實驗數(shù)據(jù),所得樣本熵均值如圖3,可知當(dāng)α=2 500時,重構(gòu)信號的稀疏性最強(qiáng),樣本熵值到達(dá)最小值,故本文取二次懲罰因子α=2 500。
圖3 二次懲罰因子和VMD重構(gòu)信號樣本熵值關(guān)系圖Fig.3 Relationship of secondary penalty factor and sampleentropy of VMD reconstructed signal
2.2.3 基于敏感度最大原則的相關(guān)系數(shù)閾值選取
為能更好地提取特征,需要選取分解結(jié)果中有效的IMF進(jìn)行重構(gòu)。相關(guān)系數(shù)可以衡量各IMF分量和原信號的相關(guān)性,各IMF分量與原信號的相關(guān)系數(shù)越小者,表明它與原信號的相關(guān)性越低,包含原信號的可用信息越少,可能屬于噪聲干擾成分,反之,表明該IMF中包含原信號的可用信息越多[13]。相關(guān)系數(shù)閾值過小不能有效去除噪聲干擾或?qū)收喜幻舾械腎MF分量,閾值過大可能會遺漏對故障較為敏感但比較微弱的IMF分量,因此相關(guān)系數(shù)閾值選取對信號重構(gòu)結(jié)果有很大影響。根據(jù)與原信號的相關(guān)系數(shù)大于等于給定閾值的原則,篩選出有用的IMF分量,從而進(jìn)行信號重構(gòu),采用區(qū)分故障的敏感度指標(biāo)最大的原則確定相關(guān)系數(shù)閾值,使重構(gòu)信號的樣本熵對故障狀態(tài)最為敏感。
圖4為斷齒信號VMD分解所得8個IMF分量,表3為各IMF分量與原信號的相關(guān)系數(shù)。本文在分解層數(shù)K=8和懲罰因子α=2 500的條件下,采取不同的相關(guān)系數(shù)閾值對VMD處理后的52組信號進(jìn)行重構(gòu),然后對重構(gòu)信號求樣本熵,并用敏感度指標(biāo)進(jìn)行評估。由表4可知,在相關(guān)系數(shù)閾值取r=0.3時,敏感度指標(biāo)最大,說明此時VMD樣本熵區(qū)分?jǐn)帻X故障狀態(tài)與正常狀態(tài)的能力最強(qiáng)。因此,取相關(guān)系數(shù)閾值r=0.3。
圖4 VMD分解結(jié)果Fig.4 The result of VMD
分量相關(guān)系數(shù)IMF10.332 5IMF20.681 6IMF30.520 5IMF40.315 4IMF50.284 0IMF60.184 2IMF70.136 7IMF80.130 1
表4 不同相關(guān)系數(shù)閾值重構(gòu)樣本熵
依據(jù)確定的VMD參數(shù)對太陽輪斷齒故障信號進(jìn)行重構(gòu),得重構(gòu)前后信號局部頻譜如圖5。由圖5可知,重構(gòu)后的信號頻譜更加清晰,噪聲干擾得到有效抑制,行星輪系嚙合頻率(529 Hz)及其二倍頻(1 058 Hz)、三倍頻(1 587 Hz)更加凸顯,證明了VMD重構(gòu)方法的有效性。但其頻譜主要頻率成分仍為變速箱定軸部分特征頻率,行星輪系故障特征頻率仍然較為微弱,需要結(jié)合樣本熵進(jìn)一步分析處理。
圖5 信號頻譜圖Fig.5 Signals frequency spectrum
使用VMD算法和EEMD算法[14-17]對52組實測信號進(jìn)行重構(gòu),然后分別計算齒輪正常狀態(tài)及齒輪斷齒故障狀態(tài)的樣本熵值(直接樣本熵)、EEMD重構(gòu)后的樣本熵值(EEMD樣本熵)、VMD重構(gòu)后的樣本熵值(VMD樣本熵)。圖6和表5給出了輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和負(fù)載為900 N·m時齒輪正常狀態(tài)和太陽齒輪斷齒狀態(tài)的樣本熵計算結(jié)果。
表5 實測信號樣本熵對比
圖6 不同方法樣本熵對比圖Fig.6 Comparison of sample entropy with different methods
由圖6和表5知,斷齒故障狀態(tài)的樣本熵值小于正常狀態(tài)的樣本熵值。因為在行星變速箱正常工作狀態(tài)時,齒輪振動幅度較小,振動信號相對復(fù)雜,并無明顯規(guī)律性,故其樣本熵值較大;當(dāng)發(fā)生齒輪斷齒故障時,振動信號中會產(chǎn)生與齒輪故障相關(guān)的有規(guī)律的沖擊脈沖,導(dǎo)致信號復(fù)雜程度降低,樣本熵減小,證明樣本熵能衡量振動信號的復(fù)雜程度,描述行星變速箱齒輪運(yùn)行狀態(tài)。
行星變速箱振動信號成分復(fù)雜,信號的直接樣本熵通常無法準(zhǔn)確區(qū)分故障,故樣本熵不能直接作為判斷故障的依據(jù)。而VMD樣本熵和EEMD樣本熵值較直接樣本熵值小,表明VMD樣本熵和EEMD樣本熵在保留不同狀態(tài)信號特征差異的基礎(chǔ)上有效降低了信號中的隨機(jī)成分,同時VMD樣本熵的均值和標(biāo)準(zhǔn)差更小,說明了VMD樣本熵較EEMD樣本熵具有更好的穩(wěn)定性,在更好地去除背景噪聲的同時凸顯了沖擊成分。
通過敏感度指標(biāo)評估三種方法的分類能力,結(jié)果表明,相同試驗工況下VMD樣本熵敏感度最大,說明VMD樣本熵對斷齒故障狀態(tài)和正常狀態(tài)的分類能力最強(qiáng),對齒輪故障狀態(tài)最敏感,可以作為評判齒輪狀態(tài)的依據(jù)。
為檢驗VMD算法在低采樣頻率的優(yōu)勢,對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,分別使用VMD算法和EEMD算法處理采樣頻率為625、1 250、2 500、5 000、10 000、20 000 Hz的信號,結(jié)果如圖7所示。從對相同信號的處理結(jié)果可以看出,在各個采樣頻率下,VMD算法得到的輸出信號信噪比和敏感度都明顯高于EEMD算法,且VMD算法處理信號的時間明顯少于EEMD算法,這就意味著VMD算法可在采樣頻率較低的情況下仍舊能夠獲得高信噪比的輸出信號,結(jié)合樣本熵算法能更好地區(qū)分正常和斷齒故障,降低對硬件的要求,減少運(yùn)算量。
圖7 不同采樣頻率下兩種重構(gòu)方法對比圖Fig.7 Comparison of results from two reconstruction methodsusing different sampling frequencies
為檢驗VMD樣本熵方法的適用性,使用同樣方法設(shè)置K3行星排Z15行星齒輪斷齒故障,選取處理行星齒輪故障信號的VMD參數(shù),分別計算信號的VMD樣本熵和EEMD樣本熵,如圖8所示。由圖8可知,VMD樣本熵對行星齒輪斷齒故障有較好的區(qū)分能力,而EEMD樣本熵方法則不能有效區(qū)分,存在一定的局限性,證明了VMD算法處理非線性非平穩(wěn)復(fù)雜信號相對于EEMD算法的優(yōu)勢。由于K3行星排有6個行星輪,每個行星輪斷齒產(chǎn)生的沖擊相對于太陽輪斷齒產(chǎn)生的沖擊弱,加上行星輪復(fù)合運(yùn)動的影響,使信號復(fù)雜程度增加,樣本熵值增大,且樣本熵的穩(wěn)定性相對降低。
表6 不同工況VMD樣本熵
圖8 不同狀態(tài)信號的VMD和EEMD樣本熵圖Fig.8 VMD and EEMD sample entropy of different condition signals
使用本文方法處理不同工況下的太陽齒輪斷齒信號,結(jié)果如表6。由表6可知,在行星變速箱不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載的工況下,太陽齒輪斷齒信號的VMD樣本熵均小于正常信號的VMD樣本熵,具有較高的敏感度。并且轉(zhuǎn)速越高,負(fù)載越大,齒輪斷齒產(chǎn)生的沖擊越明顯,采集到的信號越規(guī)律,樣本熵值越小,與正常信號的區(qū)別越大,VMD樣本熵區(qū)分齒輪狀態(tài)的敏感度越高,進(jìn)一步證明了本文方法可以有效應(yīng)用于行星變速箱故障特征提取。
本文采用VMD樣本熵方法提取了行星變速箱齒輪故障特征,通過行星變速箱齒輪故障模擬實驗和數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明:
(1)本文采用的VMD參數(shù)選取方法快捷有效,可以應(yīng)用于VMD分解參數(shù)選取,結(jié)合VMD和樣本熵的特征提取方法相對于EEMD樣本熵具有敏感度高,計算耗時少,信噪比高,不依賴采樣頻率的優(yōu)勢,值得深入研究。
(2)本文考慮了行星齒輪的周期問題,保證了數(shù)據(jù)的可用性,并在不同試驗工況下均可獲得良好的效果,證明了方法的有效性,并初步區(qū)分了太陽輪斷齒和行星輪斷齒故障,可以應(yīng)用于行星變速箱運(yùn)行狀態(tài)的特征提取,為下一步的故障識別打下基礎(chǔ)。