包络解调法及其诊断 (DEMO)

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1、包络解调法及其诊断包络解调法是故障诊断中较常用的一种方法，它可非常有效地识别某些冲击振动。从而找到该冲击振动的振源。例如，当轴承或齿轮表面因疲劳或应力集中而产生剥落和损伤时，会产生周期性的冲击振动信号，如图4—25所示。从图4—25个可以看出，信号包括两部分：—部分是载频信号，即系统的自由振荡信号及各种随机干扰信号的频率，是图形中频率成分较高的信号；第二部分是调制信号，即包络线所包围的信号。它的频率较低，多为故障信号。因此．若要对故障源进行分析，就必须把低频信号(或调制信号)从高频信号(或载频信号)中分离出来。这一信号分离、提取

2、过程，被称为信号的包络解调。对分离提取出来的包络信号进行特征频率和幅度分析，就能准确可靠地诊断出如轴承和齿轮的疲劳、切齿、剥落等故障。目前分析高频冲击的有效方法之一是共振解调(包络处理)，即取振动时域波形的包络线，然后对包络线进行频谱分析。由于包络线处理可找出反复发生振动的规律，根据轴承的特征频率，就可诊断出轴承或齿轮故障的部位。研究表明，当轴承或齿轮无故障时，在共振解调频谱中没有高阶谱线;有故障时，共振解调频谱中出现高阶谱线。当齿轮发生疲劳裂纹时，齿轮刚度的变化会引起齿轮振动噪声信号瞬时频率(相位)和幅值的变化。但裂纹由于只影

3、响齿轮刚度，齿形无大变化，故振动噪声信号在频域中无明显征兆，因此频谱分析对裂纹诊断基本无效。可采用时域平均法分析。如果齿轮同时存在其它类型的故障，则时域平均法的可靠性不高。此时可试用希尔伯特变换或自适应滤波技术提取相位信息，也可试用共振解调分析技术即包络谱分析法。一、包络分析法进行故障诊断的原理当轴承或齿轮某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与之相互作用的其它元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，就必然激起测振系统的高频固有振动。根据实际情况，可选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有

4、频率的带通滤波器把该固有振动分离出来。然后，通过包络检波器检波，去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析便可容易地诊断出故障来。其原理示意图如图4.1所示。包络分析法能将与故障有关的信号从高频调制信号中提取出来，从而避免了与其它低频干扰的混淆，并能快速而正确地诊断出轴承或齿轮的故障及发生的部位。因而是目前最常用.最有效的诊断滚动轴承和齿轮故障的方法之一。包络分析法的具体步骤:(1)将信号通过适当的带通滤波器，以衰减其背景噪声;(2)求得由脉冲序列引起的包络线，即进行希尔伯特变换

5、，构成以该脉冲信号为基础的某个复变函数;(3)对所关注的频率，分析其包络线，检出重复的频率。常用的包络解调法有如下两种方法：低通滤波包络解调法和希尔伯特变换解调法。1、低通滤波包络解调法低通滤波包络法的步骤是：1)将信号低通滤波，从而得到的低频脉冲信号；2)将信号进行绝对值处理；3)平滑信号；4)功率谱分析，分析脉冲信号的周期。上述解调过程可以用图4—26进行表示。低通滤波包络解调法用于轴承诊断时，不仅可以根据某种高频固有振动的是否出现．判断轴承是否异常；而且还可根据包络信号的频率成分，来识别产生缺陷的轴承元件(如内圈、外圈、滚

6、动体)。低通滤波包络法解调法将与故障有关的信号从高频调制信号中取出，从而避免了与其它低频干扰的混淆，故有极高的诊断可靠性和灵敏度。其主要不足，一是信号的幅值量发生了变化，二是对于信号的起始和末尾部分有较大的误差．并且存在有相位滞后的现象。2、希尔伯特变换解调法希尔伯持变换过去常用在电讯技术中，由于技术的共性，近些年来开始应用到机械故障诊断中。很容易证明调幅和调频表现为总合成矢量与载波矢量在幅值与频率上的相对变化。因此只要能设法求出总矢量的变化过程，解调就有可能。总合成矢量分为实部和虚部．实部通常就是已知的待解调的时域信号．而虚部

7、因频谱的偶对称性，所以各谱线相互抵消。图4—27为实部和解析信号之间的关系。希尔伯特变换可以用两次FFT的方法完成。希尔伯特包络变换法对规则波形非常有效，但对非规则波形差一些。希尔伯持变换的实质是对原信号施加—次特殊滤波。由于因果性的限制，系统函数的实部与虚部或模与相角之间将具备某种互相制约的特性，这种特性以希尔伯特变换的形式表现出来。对于因果系统，其冲击响应h(t)在t<0时等于0，仅在t>0时存在，因此：（36）的傅立叶变换即系统函数可分解为实部和虚部之和：(37)对上式运用傅立叶变换的频域卷积定理得：（38）于是有：(39

8、)解得：（40）以上两式称为希尔伯变换对，它说明了具有因果性的系统函数H(ω)的一个重要特性：实部R(ω)唯一地确定虚部x(ω)，反过来也是一样。3、希尔伯变换的解调原理希尔伯变换的一个重要应用就是处理带通信号的解调。用希尔伯特变换把一个实信号表示成一个复信号(