三谱切片在调速阀故障诊断中的应用

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1、第30卷第1期华侨大学学报(自然科学版)Vol.30No.12009年1月JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Jan.2009文章编号:100025013(2009)0120016206三谱切片在调速阀故障诊断中的应用蔡奇志,黄宜坚(华侨大学机电及自动化学院,福建泉州362021)摘要:为了解决液压元件调速阀故障诊断难的问题,采用三谱及其切片分析的方法,针对调速阀阀体正常和故障时的振动信号,分别绘制出其双谱切片和三谱切片图1比较和分析结果表明,正常时,三谱二维切片的幅值在以2个频率构建的平面中心处为零,而故障时不等于零;从

2、对角切片分析发现,三谱对角切片能表现出比对应的双谱更多的幅值信息.三谱能更有效地提取非线性信息,为获得故障特征提供有效的依据.关键词:液压调速阀;三谱;故障诊断;自回归模型;对角切片;二维切片++中图分类号:TH137.522;TH165.3文献标识码:A调速阀由一个定差减压阀和节流阀组成,它是液压元件中结构较为复杂,容易发生故障的一类典型的元件1调速阀的故障诊断对液压系统的维护,有着重要的价值和普遍的指导意义1借助现代信号处理理论所取得的成果,探索故障特征信息提取的新途径,提出故障诊断的新方法是当前的重要课题.故障诊断的难点是特征信息的提取,由于故障与征兆之间往往不存

3、在简单的一一对应关系,或者有用的征兆信息往往被淹没在较强的背景噪声中1因此,如何从传感器信号中提取与机械运转状况相对应的特征信息,是故障诊断中关键的一步.目前,国内外将三谱研究应用到机械故障诊断中的资料很少.文[1][2]研究了三谱在柴油机故障诊断中的应用,McCormick等研究了三谱在机械状态检测中的所体现出的[3][4]优良特性,Cooray等研究了如何利用三谱特性提取宇宙微波背景(CMB)中的微弱信号,Collis等[5]研究了三谱在提取故障特征信息中所具有的优势,Lutes等研究了三谱在非线性振荡器中的响应特性.本文研究采用三谱及其切片分析的方法,解决液压元件

4、调速阀故障诊断难的问题11高阶累积量与高阶谱1.1高阶累积量如图1所示,设系统输入信号a(t)为一组均值为零的平稳随机信号,h(t)为调速阀的单位脉冲响应函数,而且系统输入信号a(t)和调速阀的单位脉冲响应函数h(t)满足+∞x(t)=Σh(τ)·a(t-τ),τ=-∞+∞(1)图1调速阀的振动信号采集过程y(t)=Σh(τ)·a(t-τ)+u(t).Fig.1Thevibrationsignalofτ=-∞式中,τ[627]thespeedcontrolvalve1,τ2,⋯,τk-1为滞后量.根据高阶累积量的性质并考∞∞∞虑系统输出信号y(t)为线性过程,有cy,k

5、(τ1,τ2,⋯,τk-1)=ΣΣΣh(i0)h(i1)⋯h(ik-1)·i=-∞i=-∞i=-∞01k-1cum[a(t-i0)a(t+τ1-i1),⋯,a(t+τk-1-ik-1)].当a(t)是服从独立同分布的非高斯白噪声时,其高阶累积量可以用来表示γa,k=cum[a(τ1),a(τ2),⋯,a(τk-1)].假设滞后量τ1=τ2,⋯,τk-1=0,则γa,2=3/22ca,2(0),γa,3=ca,3(0,0),γa,4=ca,4(0,0,0).定义γa,2,S=γa,3/(γa,2),K=γa,4/(γa,2)分别为方差、偏收稿日期:2008202216通信

6、作者:黄宜坚(19452),男,教授,主要从事现代谱分析与故障诊断的研究.E2mail:yjhuang@hqu.edu.cn.基金项目:福建省科技计划项目(2005H035)第1期蔡奇志,等:三谱切片在调速阀故障诊断中的应用17[4]度和峰度.如果y(t)是对称分布,偏度一定为零(反之,则不一定成立);如果y(t)服从高斯分布,峰度一定为3(反之,则不一定成立).假定滞后量i0=i1-τ1=i2-τ2=⋯=ik-1-τk-1=i,则系统输出y(t)的高阶累积量为∞cy,k(τ1,τ2,⋯,τk-1)=γa,kΣh(i)h(i+τ1)⋯h(i+τk-1).(2)i=-∞1

7、.2高阶谱高阶谱分析是一种新的信号处理的有效技术,它可以定量描写信号间的非线性耦合,可以抑制噪声、保留信号的相位信息,是处理非线性、非高斯信号的有力工具.对调速阀故障特征信息的提取模型如图1所示.在图1中,应用白箱理论来建立调速阀的模型很难1这里采用黑箱方法,从调速阀阀体的振动信号来提取系统的动力学特性.设系统的传递函数为H(ω),而a(t)为零均值的非高斯白噪声,由于采样信号常受到加性高斯噪声u(t)的干扰,用传统的时间序列建模无法排除加性的高斯噪声的干扰.设y1(t)为y(t)中去掉确定性信号的零均值的有色随机信号,利用y1(t)的高