CN111444893A - 一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法 - Google Patents

一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，首先选取最优高斯小波基，构建小波包变换，利用构建的小波变换变换对矿井主轴装置的故障振动信号进行降噪分解，利用峭度指标和能量谱图指标选择合适的重构信号分量，将同步提取变换对重构信号进行同步提取，得到的时频特征能精确表示出故障信号的时频特征。可以很好的解决单一的同步提取变换方法时频精度不高，噪声鲁棒性能不强的问题，促进了同步提取变换理论的应用和发展，为矿井提升机主轴装置的故障诊断提供新的方法。

Description

一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法
技术领域
本发明涉及机械设备故障诊断技术，属于基于小波包降噪分解的同步提取变换故障诊断，特别涉及一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法。
背景技术
矿井提升机在矿业的生产中具有重要作用。近年来，对矿井提升机的故障诊断的研究受到了广泛的关注。然而，随着对矿井提升机故障诊断研究的深入，有关矿井提升机的故障诊断方法研究[1-8]还存在以下的问题：
1)矿井提升机结构复杂，工况环境差，所采集的振动信号常伴随高噪声。如何从高噪信号中分离出微弱但含故障特征的信号，需进一步研究。
2)针对提升机主轴装置振动信号非线性和非平稳性的特点，如何有效提取主轴装置振动信号的故障特征，也还有待深入研究。
目前，在相关研究中所提出的单一同步提取变换方法，也存在时频精度不高，噪声鲁棒性能不强的问题。
发明内容
基于上述技术背景，本发明要解决的技术问题是，提供一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，利用小波包降噪分解技术，结合同步提取变换这种新颖的时频分析工具，以显著的提取出矿井提升机主轴装置的故障特征频率。
本发明采取以下技术方案实现上述目的。一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，栲其流程如下：
1)选择高斯小波基，对矿井主轴装置的故障振动信号进行小波包降噪处理，得到降噪后的主轴装置振动信号f(t)；
2)对上述主轴装置振动信号f(t)进行小波包分解，其分解公式如下；
Pj-1f(t)＝Pjf(t)+Djf(t)；
其中：
Figure BDA0002478045320000011
系数xk (j)和dk (j)的递推公式如下：
Figure BDA0002478045320000012
3)利用峭度指标和能量图谱指标选择构信号分量，峭度值计算公式如下：
Figure BDA0002478045320000021
式中：x是信号分量，μ是信号分量的平均值，σ为其标准差；
4)重构信号可定义为：
Figure BDA0002478045320000022
其中：A(t)为瞬时振幅，
Figure BDA0002478045320000023
为瞬时相位，其一阶导数是瞬时频率
Figure BDA0002478045320000024
该重构信号需要满足分离条件：
Figure BDA0002478045320000025
式中：Δ表示窗函数的频率支撑范围；
5)构建同步提取变换时频图谱，描述故障信号时频特征：
故障信号首先需进行短时傅里叶变换，其变换式如下：
Figure BDA0002478045320000026
式中：
Figure BDA0002478045320000027
是短时傅里叶变换的窗口函数；
因此，同步提取变换表达式为：
Figure BDA0002478045320000028
从而得到信号的故障信号的时频表征。
进一步，所述主轴装置振动信号包括内外圈振动信号和滚动体振动信号。
进一步，所述能量图谱指标为分解的小波系数wcoef的平方。
本发明首先选取最优高斯小波基，构建小波包变换，利用构建的小波变换变换对矿井主轴装置的故障振动信号进行降噪分解，利用峭度指标和能量谱图指标选择合适的重构信号分量，将同步提取变换对重构信号进行同步提取，得到的时频特征能精确表示出故障信号的时频特征。解决了单一的同步提取变换方法时频精度不高，噪声鲁棒性能不强的问题，促进了同步提取变换理论的应用和发展，为矿井提升机主轴装置的故障诊断提供新的方法。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是基于单一同步提取变换的应用于主轴装置外圈轴承信号的时频图；
图3是本发明应用于主轴装置外圈轴承信号的时频图；
图4是基于单一同步提取变换的应用于主轴装置内圈轴承信号的时频图；
图5是本发明应用于主轴装置内圈轴承信号的时频图；
图6是基于单一同步提取变换的应用于主轴装置滚动体轴承信号的时频图；
图7是本发明应用于主轴装置滚动体轴承信号的时频图。
具体实施方式
以下结合附图、算法原理和实验应用例子对本发明作进一步说明。参见图1至图7。输入101主轴装置振动信号102，对矿井提升机主轴装置振动信号f(t)进行小波包降噪103处理，得到降噪信号f1(t)，对所得到的降噪信号进行小波包分解处理104：
Pj-1f1(t)＝Pjf1(t)+Djf1(t) (1)
其中
Figure BDA0002478045320000031
系数xk (j)和dk (j)的递推公式：
Figure BDA0002478045320000032
1、利用峭度指标105和能量图谱指标106对重构信号分量进行选择，计算公式如下：
Figure BDA0002478045320000033
式中f1(t)可看作信号分量，μ1可看作信号分量的平均值，σ1为其标准差。根据峭度值理论，通常选择K值大于3的信号分量。
能量图谱指标为分解的小波系数wcoef的平方，在故障频率区间段，选择能量图谱值较大的信号分量进行重构107。
2、将重构主轴装置振动信号进行同步提取变换108，得到故障信号的时频表征。
重构信号可定义为：
Figure BDA0002478045320000034
其中：A(t)为瞬时振幅。
Figure BDA0002478045320000035
为瞬时相位，其；一；阶导数是瞬时频率
Figure BDA0002478045320000036
该信号需要满足一定的分离条件：
Figure BDA0002478045320000037
式中：Δ表示窗函数的频率支撑范围。
构建同步提取变换时频图谱，提取故障信号时频特征109。信号首先需进行短时傅里叶变换，其变换式如下：
Figure BDA0002478045320000038
式中：
Figure BDA0002478045320000039
是短时傅里叶变换的窗口函数。
因此同步提取变换表达式为：
Figure BDA00024780453200000310
从而输出110信号的故障信号的时频表征图。
实施例：以下结合本发明的一个具体实施案例进行说明：
实验故障由采用人为破坏的方式设置，故障统一设置为主轴承相应表面上的一条细缝(宽为2mm,深度为1,5mm)。采用美国NI公司生产的CX-230型号的单轴加速度传感器对信号进行采集，仪器频响范围为0-40KHz,16个信号采集通道通过1394接口方式实现与PC电脑的数据传输。理论计算内圈特征频率(BPFI)为495Hz,滚动体特征频率(BSF)为199.2Hz，外圈故障频率(BPFO)为304.8Hz。电机转速通过变频器设定为20Hz,信号采样频率为2kHz.采样点数为2048。
为了对比本发明的方法在矿井提升机主轴装置的特征提取情况，将单一同步提取变换引入到矿井提升机主轴装置的特征提取中。为了更加科学有效地进行对比分析，将两种方法采用同一时窗函数，同一时窗宽度对同种矿井主轴装置振动信号进行处理。
基于单一同步提取变换的应用于主轴装置外圈轴承信号，其时频特征混乱，未显示主轴装置外圈振动信号的时频特征(如图2所示)。将本发明应用于主轴装置外圈轴承信号后，解决了单一同步提取变换处理结果的特征模糊等不足的缺点，得到外圈振动信号的时频特征明显(如图3所示)。
基于单一同步提取变换的应用于主轴装置内圈轴承信号时，主轴装置内圈振动信号的时频特征混叠，内圈振动信号时频特征不明显(如图4所示)。将本发明应用于主轴装置内圈轴承信号，解决了单一同步提取变换在处理主轴装置内圈振动信号特征模糊的缺点，提升了时频特征聚集性(如图5所示)。
基于单一同步提取变换的应用于主轴装置滚动体轴承信号，未能显示主轴装置滚动体振动信号的时频特征，时频特征混叠严重(如图6所示)。将本发明应用于主轴装置滚动体轴承信号，可以解决单一同步提取变换处理主轴装置滚动体振动信号时所提取特征混叠的缺点，得到主轴装置滚动体振动信号的时频特征明显(如图7所示)。
通过对故障信号进行小波包降噪分解处理，结合峭度指标和能量谱指标，选择合适的重构分量，对重构信号进行同步提取变换，得到故障信号的时频表征图像，该图像是经过小波包降噪分解处理后，经同步提取变换后得到的图像的故障时频特征明显锐化，对故障的时频特征表示明显。
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Claims (3)

1.一种矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，其特征在于，其流程如下：
1)选择高斯小波基，对矿井主轴装置的故障振动信号进行小波包降噪处理，得到降噪后的主轴装置振动信号f(t)；
2)对上述主轴装置振动信号f(t)进行小波包分解，其分解公式如下；
Pj-1f(t)＝Pjf(t)+Djf(t)；
其中：
Figure FDA0002478045310000011
系数xk (j)和dk (j)的递推公式如下：
Figure FDA0002478045310000012
3)利用峭度指标和能量图谱指标选择构信号分量，峭度值计算公式如下：
Figure FDA0002478045310000013
式中：x是信号分量，μ是信号分量的平均值，σ为其标准差；
4)重构信号可定义为：
Figure FDA0002478045310000014
其中：A(t)为瞬时振幅，
Figure FDA0002478045310000015
为瞬时相位，其一阶导数是瞬时频率
Figure FDA0002478045310000016
该重构信号需要满足分离条件：
Figure FDA0002478045310000017
式中：Δ表示窗函数的频率支撑范围；
5)构建同步提取变换时频图谱，描述故障信号时频特征：
故障信号首先需进行短时傅里叶变换，其变换式如下：
Figure FDA0002478045310000018
式中：
Figure FDA0002478045310000019
是短时傅里叶变换的窗口函数；
因此，同步提取变换表达式为：
Figure FDA00024780453100000110
从而得到信号的故障信号的时频表征。
2.根据权利要求1所述的矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，其特征在于，所述主轴装置振动信号包括内外圈振动信号和滚动体振动信号。
3.根据权利要求1所述的矿井提升机主轴装置的故障诊断方法，其特征在于，所述能量图谱指标为分解的小波系数wcoef的平方。
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