瞬时功率小波包分解法在轴承故障诊断中的应用

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1、瞬时功率小波包分解法在轴承故障诊断中的应用王　轩，王　莉，魏　民（空军工程大学导弹学院，陕西，三原，713800）摘要：针对感应电机轴承故障特征提取的不足，提出了瞬时功率小波包分解的方法。分析电机单相瞬时功率，发现瞬时功率中故障信息更为丰富，且对故障特征干扰较大的基波可转化为直流分量；滤波后，进行小波包分解，求取故障特征对应子频带小波包分解系数的均方根值及其变换率，并用以表征故障特征，以此作为轴承故障的依据。仿真表明该方法诊断灵敏度高，可用于感应电机轴承的故障诊断。关键词：感应电机；轴承故障；瞬时功率；小波包分解Appli

2、cationofInstantaneousPowerDecompositionviaWaveletPacketinInductionMotorBearingFaultDiagnosisWangXuan,Wangli,WeiMin（TheMissileCollege,AirForceEngineeringUniversity,SanYuan,ShanXi,713800）Abstract:Tosolvetheprobleminobtainingbearingfaultcharacteristicsofinductionmoto

3、rs,amethodbasedoninstantaneouspowerdecompositionviawaveletpacketisprocessed.ThefundamentalcomponenttransformsintotheDCpartintheinstantaneouspower,andthebearingfaultmessageismoreobvious.Decomposethesignalbywaveletpacketafteritisfiltered.Therootmeansquareofthenodeco

4、efficientsanditschangerateusedasthesymptomofbearingfaultiscalculated.Theoryillationandsimulationshowthatthemethodispreponderantwithabundantfaultinformation,highdiagnosis-sensitivity.Therefore,thismethodisfeasibletobeusedininductionmotorbearingfaultdiagnosis.Keywor

5、ds:inductionmotor;bearingfault,instantaneouspower;waveletpacketdecomposition0前言轴承故障是感应电机常见故障之一，其故障率约占电机故障的30%—40%。在安装、润滑和使用维护都正常的工作条件下，轴承疲劳失效从位于滚道和滚动体表面下的微小裂纹开始，并逐渐扩展，经过一段时间运转，便会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作，导致轴承故障[1]。目前采用的几种方法在提取轴承故障特征方面各有所长，但也存在一些不足之处，如振动信号的频谱分析法，虽然能较明显地凸显故障

6、特征，但该方法易受电机工作环境影响，难以推广[2]；三相平均功率的故障诊断法[3]，虽然能够制成非入侵式，但对于各相电压、电流采样要求较为苛刻，增加了诊断成本，另外，基于“频点”的Fourier分析法，在处理电机实际运行时的非平稳信号并不理想[4]。本文通过理论分析发现，轴承故障时，单相瞬时功率中的故障特征更为丰富；而小波包变换是一种基于“频带”的时频分析方法，非常适合于非平稳信号的分析。因此，本文提出了基于瞬时功率小波包分解的诊断方法。1轴承故障在瞬时功率中的表现假设感应电机的电源是理想的三相正弦交流电压，并且电机本身结

7、构是对称的。正常运行的感应电机相电流是理想的正弦波。以A相为例，设感应电机相电压和相电流分别为：（1）式中：、—相电流基波电压和电流的幅值；—电动机的功率因数角。则A相的瞬时功率为：（2）当轴承出现故障时，其振动特征会有明显变化，从而引起电机气隙的振动，气隙的磁通受到调制，调制谐波又在定子绕组中感应出相应的谐波电流。轴承振动频率反映到定子电流中的特征频率为[2]：（3）式中：为供电电源频率；n=1、2、3…；为轴承故障时振动特征频率，可表示为：（4）（5）（6）式中为轴承外滚道故障特征频率；为内滚道故障特征频率；为轴承滚动

8、体故障特征频率；Z为轴承滚珠数；为电机转速；为轴承滚珠直径；为轴承节径；为接触角。设A相电流为：（7）式中：、、—分别为基频分量、分量、分量电流的幅值；、、—分别为基频分量、分量、分量电流落后于电压的相位角。此时，A相瞬时功率为：（8）对比式（7）、（8）可以发现，故障后单相瞬时功率信号较故障后电流信号