王志堅(jiān)，王俊元，趙志芳，吳文軒，張紀(jì)平，寇彥飛

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 太原， 030051)

基于MKurt-MOMEDA的齒輪箱復(fù)合故障特征提取*

王志堅(jiān)，王俊元，趙志芳，吳文軒，張紀(jì)平，寇彥飛

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 太原， 030051)

針對(duì)齒輪箱中旋轉(zhuǎn)零部件的故障信號(hào)是周期性的沖擊信號(hào)這一特性，提出了一種基于多點(diǎn)峭度(multipoint kurtosis,簡(jiǎn)稱MKurt)和多點(diǎn)最優(yōu)最小熵反褶積(multipoint optimal minimum entropy deconvolution adjusted，簡(jiǎn)稱MOMEDA)的齒輪箱復(fù)合故障特征提取方法。利用MKurt可以有效提取齒輪箱中被噪聲淹沒(méi)的沖擊性振動(dòng)信號(hào)的周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)源的追蹤。根據(jù)故障的周期設(shè)置合理的周期區(qū)間，通過(guò)MOMEDA對(duì)原信號(hào)進(jìn)行降噪，進(jìn)一步提取原信號(hào)的周期性沖擊。通過(guò)仿真信號(hào)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和驗(yàn)證，證明了MKurt-MOMEDA方法可以準(zhǔn)確有效地診斷齒輪箱復(fù)合故障故障特征。

多點(diǎn)峭度；最優(yōu)最小熵反褶積；復(fù)合故障；特征提取

引 言

齒輪箱是復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)使用最廣泛的機(jī)械，其中齒輪、軸承等零部件也最易損壞。當(dāng)齒輪箱中軸由于不對(duì)中、齒輪和軸承的內(nèi)外圈或滾動(dòng)體發(fā)生故障時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)受到影響，振動(dòng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)周期性脈沖信號(hào)[1-3]。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)多種故障時(shí)，傳感器測(cè)取的信號(hào)為各種源信號(hào)的疊加信號(hào)，這些源信號(hào)在傳遞過(guò)程中往往發(fā)生不同程度的畸變或混疊，在復(fù)合故障中表現(xiàn)的尤為明顯。因此，復(fù)合故障特征之間互相耦合、相互干擾，尤其在強(qiáng)背景噪聲下，微弱故障常被噪聲淹沒(méi)，難以提取特征信息?？梢?jiàn)，多故障特征的提取仍然是一個(gè)大的挑戰(zhàn)[4-6]。

峭度作為無(wú)綱量參數(shù)，其值與軸承或齒輪的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷均無(wú)關(guān)，但對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感，適用于表面損傷、早期裂紋的故障診斷[7]，可通過(guò)峭度反映信號(hào)的奇異程度，但其不能提供更多的關(guān)于故障位置等信息。文獻(xiàn)[8]提出了基于峭度圖的信號(hào)處理方法，并成功應(yīng)用于軸承和齒輪的故障診斷中。文獻(xiàn)[9]將最小熵反褶積(minimum entropy deconvolution,簡(jiǎn)稱MED)用于滾動(dòng)軸承與齒輪故障診斷，此方法的基本原理是利用最大峭度值作為迭代終止條件[10]，通過(guò)解卷積最優(yōu)的濾波器，使信號(hào)突出少數(shù)大的尖脈沖。王志堅(jiān)等[11-12]通過(guò)MED和總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition,簡(jiǎn)稱EEMD)二次降噪的方法提取軸承的微弱故障特征，但MED降噪只能突出少數(shù)大的尖脈沖，對(duì)復(fù)合故障的微弱成分的特征提取無(wú)能為力。為了彌補(bǔ)MED的局限性，McDonald等[13]提出最大相關(guān)峭度反褶積(maximum correlated kurtosis deconvolution，簡(jiǎn)稱MCKD)算法。此方法引入相關(guān)峭度的概念，以相關(guān)峭度最大化作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)迭代算法優(yōu)化最佳濾波器，成功地運(yùn)用在齒輪的故障診斷中。利用MCKD方法可以有效提取故障信號(hào)中被噪聲淹沒(méi)的周期沖擊成分,抑制信號(hào)中的噪聲,實(shí)現(xiàn)信號(hào)降噪,提升原信號(hào)的峭度[14]。MCKD受兩個(gè)參數(shù)的限制，分別為濾波器的長(zhǎng)度和故障周期，使其不具有自適應(yīng)性。通過(guò)大量仿真信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)，濾波器長(zhǎng)度增大將增加計(jì)算量，故障周期必須取整，若為非整數(shù)，需要對(duì)其重采樣并取整。由于MCKD只能提取出有限個(gè)沖擊成分，因此該方法在很大程度上受到約束。McDonald等[15]提出了MOMEDA的齒輪箱故障診斷方法，此方法適用于周期性故障特征提取，它使用一個(gè)時(shí)間目標(biāo)向量定義解反褶積確定所得的脈沖位置。該算法不需要迭代即可獲取最佳濾波器，也不需先驗(yàn)確定故障的周期。筆者通過(guò)多點(diǎn)峭度譜圖確定故障周期的大小，設(shè)置合理的故障區(qū)間，通過(guò)MOMEDA提取故障特征。該方法有效識(shí)別封閉式功率流試驗(yàn)臺(tái)的復(fù)合故障特征。

1 多點(diǎn)優(yōu)化最小熵反褶積

Cabrelli[16]對(duì)脈沖反褶積提出了一種新的準(zhǔn)則，稱為D范數(shù)，并用幾何學(xué)證明了反褶積問(wèn)題。D范數(shù)反褶積問(wèn)題可以通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)確的非迭代求解方法對(duì)濾波器系數(shù)進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[15]提出一種基于多重D范數(shù)(multi D-norm，簡(jiǎn)稱MDN)的多脈沖目標(biāo)識(shí)別的反褶積算法主要應(yīng)用于周期性脈沖的故障特征提取，并引入了MOMEDA。

假設(shè)采集到的響應(yīng)信號(hào)為

(1)

其中：e(n)為噪聲；x(n)為沖擊序列；h(n)為傳遞函數(shù)；y(n)為采集到的振動(dòng)信號(hào)。

MOMEDA算法本質(zhì)就是尋找一個(gè)FIR濾波器，通過(guò)輸出信號(hào)x(n)盡可能恢復(fù)輸入信號(hào)y(n)。

MOMEDA是一種針對(duì)位置已知的多脈沖目標(biāo)識(shí)別反褶積算法，能夠識(shí)別連續(xù)的沖擊脈沖。引入的最大值問(wèn)題的解即為MOMEDA。

(2)

(3)

其中:t為確定脈沖位置和權(quán)重的常數(shù)矢量。

利用歸一化水平表示達(dá)到的最佳目標(biāo)解，可提取不同采樣率的故障周期，也可以識(shí)別同一采樣頻率下不同故障特征的周期。因此，通過(guò)目標(biāo)矢量t可實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的分離和位置的確定。

通過(guò)對(duì)濾波器系數(shù)(f=f1,f2,…,fL)求導(dǎo)數(shù)，得到式(3)的極值為

(4)

(5)

進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

t1M1+t2M2+…+tN-LMN-L=X0t

通過(guò)導(dǎo)數(shù)等于0解出極值，式(5)變?yōu)?/p>

(6)

MOMEDA濾波器和輸出解可概括為

(7)

(8)

(9)

目標(biāo)矢量t和輸出結(jié)果具有相同的長(zhǎng)度(N-L+1)，目標(biāo)矢量表示在輸出中解反卷積脈沖的位置和權(quán)重，控制了脈沖的位置，且MOMEDA方法通過(guò)非迭代取得最優(yōu)解，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械周期性故障診斷提供了基礎(chǔ)。OMEDA可對(duì)M個(gè)連續(xù)的目標(biāo)矢量進(jìn)行如下計(jì)算，此時(shí)式(7)，(9)變成式(10)，(11)。

(10)

(11)

通過(guò)MOMEDA降噪，求解反褶積的位置是唯一的，對(duì)單一故障而言，不需要考慮周期是否為整數(shù)或?yàn)V波器的長(zhǎng)度對(duì)降噪的影響。在整個(gè)采樣區(qū)間內(nèi)，每個(gè)周期都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)周期性沖擊脈沖。多級(jí)傳動(dòng)的齒輪箱內(nèi)部特征頻率分布較寬，故障周期為多個(gè)時(shí)，對(duì)復(fù)合故障的追蹤效果不佳。為了準(zhǔn)確提取復(fù)合故障特征，引入了多點(diǎn)峭度作為特征提取的度量標(biāo)準(zhǔn)。

(12)

當(dāng)輸出結(jié)果y與目標(biāo)矢量t相同時(shí)，MKurt歸一化得到

(13)

得到標(biāo)準(zhǔn)化因子

(14)

最終，標(biāo)準(zhǔn)化的多點(diǎn)峭度被定義為

(15)

此定義是基于峭度提出的，但其目標(biāo)矢量在受控位置處被擴(kuò)展為多個(gè)脈沖，進(jìn)一步被歸一化。實(shí)際上旋轉(zhuǎn)機(jī)械每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，可能存在兩個(gè)或多個(gè)故障沖擊成分，多點(diǎn)峭度達(dá)到峰值時(shí)可能對(duì)應(yīng)的故障周期并非只有一個(gè)。當(dāng)多點(diǎn)峭度達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)(周期)即為故障周期，也可能為周期的整數(shù)倍或半倍等。因此，多點(diǎn)峭度可以對(duì)故障周期和周圍的非故障進(jìn)行區(qū)分，其中多點(diǎn)峭度和采樣點(diǎn)數(shù)均為無(wú)量綱量。

為了提取復(fù)合故障特征，首先，計(jì)算原信號(hào)的多點(diǎn)峭度，確定復(fù)合故障的周期；其次，設(shè)置合理的故障周期區(qū)間，假設(shè)某復(fù)合故障存在兩個(gè)故障周期，分別為40和120，如果設(shè)置一個(gè)故障周期區(qū)間為[10～200]，通過(guò)MOMEDA降噪時(shí)只能提取較強(qiáng)的沖擊成分，另一故障將被誤認(rèn)為噪聲造成誤診斷現(xiàn)象，此時(shí)可設(shè)置兩個(gè)周期區(qū)間，分別為[10～80]和[100～150],每個(gè)周期區(qū)間含有唯一的故障周期；最后，分別對(duì)原信號(hào)進(jìn)行MOMEDA降噪，即可分別獲取這兩個(gè)周期區(qū)間的沖擊脈沖。

仿真信號(hào)如圖1所示。復(fù)合信號(hào)e由噪聲信號(hào)a、正弦信號(hào)b和沖擊信號(hào)1組成。其中，沖擊性周期為90，信號(hào)e可知沖擊信號(hào)1已被噪聲淹沒(méi)。為了確定沖擊性信號(hào)1的周期，對(duì)其求解多點(diǎn)峭度，結(jié)果如圖2所示。在周期為30，45，90，180和270處均出現(xiàn)峰值，分別對(duì)應(yīng)于沖擊性信號(hào)1周期的半倍、1/3和整數(shù)倍關(guān)系。如圖3所示，為了進(jìn)一步提取沖擊脈沖信號(hào)1，對(duì)組合信號(hào)e進(jìn)行MOMEDA降噪,成功提取周期為90的沖擊信號(hào)。

文獻(xiàn)[15]和上述仿真信號(hào)分別對(duì)單一故障特征提取，為了驗(yàn)證此方法提取多故障特征的能力，對(duì)含有兩個(gè)沖擊成分如圖1的仿真信號(hào)f進(jìn)行分析，它包含了兩個(gè)沖擊成分，周期分別為90和140。圖4對(duì)應(yīng)其多點(diǎn)峭度譜圖，顯然在譜峰處周期為30，45，90，180，270，360分別對(duì)應(yīng)沖擊信號(hào)1的1/3倍、0.5倍和整數(shù)倍；70，140，280分別對(duì)應(yīng)沖擊信號(hào)2的0.5倍和整數(shù)倍。多點(diǎn)峭度可以確定多故障對(duì)應(yīng)的周期，為了進(jìn)一步提取故障信號(hào)，需要設(shè)定恰當(dāng)?shù)闹芷诜秶Ｒ驗(yàn)閮蓚€(gè)沖擊周期分別為90和140，因此分別設(shè)定周期為[50～100]，[100,150]，設(shè)定步長(zhǎng)ΔT=0.1，經(jīng)過(guò)MOMEDA降噪成功提取出沖擊信號(hào)1和2，如圖5，6所示。

圖1 仿真信號(hào)Fig.1 Simulation signal

圖2 仿真信號(hào)e的多點(diǎn)峭度譜圖Fig.2 Multipoint kurtosis spectrum of simulation signal e

圖3 仿真信號(hào)e的MOMEDA降噪Fig.3 MOMEDA noise reduction of Simulation signal e

圖4 仿真信號(hào)f的多點(diǎn)峭度譜圖Fig.4 Multipoint kurtosis spectrum of simulation signal f

圖5 仿真信號(hào)f的MOMEDA降噪提取沖擊信號(hào)1Fig.5 MOMEDA noise reduction of Simulation signal f to extract the impact signal 1

圖6 仿真信號(hào)f的MOMEDA降噪提取沖擊信號(hào)2Fig.6 MOMEDA noise reduction of Simulation signal f to extract the impact signal 2

2 齒輪箱多故障特征識(shí)別

試驗(yàn)裝置如圖7所示，試驗(yàn)齒輪為18個(gè)，試驗(yàn)軸承型號(hào)為32212，試驗(yàn)齒輪的傳動(dòng)比為1∶1，采取半齒嚙合，轉(zhuǎn)速為1 200r/min，采樣頻率為8kHz，正常和故障的齒輪和軸承試驗(yàn)負(fù)載均加載到1kNm，采集信號(hào)的傳感器型號(hào)為YD77SA三向加速度傳感器(靈敏度為0.01V/ms2)，采樣數(shù)為2 048個(gè)，軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為400，軸承滾珠故障周期為111.1，齒輪的嚙合頻率為360Hz，齒輪的嚙合周期為22.4。齒輪箱故障類型為兩個(gè)：第1個(gè)為齒輪點(diǎn)蝕故障，如圖8所示；第2個(gè)為軸對(duì)不中，齒輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周可產(chǎn)生一個(gè)周期性沖擊[12]。

圖7 齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Rig for gear transmission testing

圖8 軸承齒輪故障示意圖Fig.8 Gear fault diagram

圖9 健康齒輪時(shí)域波形Fig.9 Time-domain waveform of healthy gear

圖10 點(diǎn)蝕齒輪時(shí)域波形Fig.10 Time-domain waveform of pitting gear

圖11 健康齒輪箱多點(diǎn)峭度譜圖Fig.11 Multipoint kurtosis spectrum of healthy gear box

圖12 故障齒輪箱多點(diǎn)峭度譜圖Fig.12 Multipoint kurtosis spectrum of faulty gear box

圖13 故障齒輪箱MOMEDA降噪Fig.13 MOMEDA noise reduction of faulty gear box

同一個(gè)加速度傳感器同一個(gè)方向測(cè)得齒輪箱健康和故障的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形如圖9，10所示。正常齒輪振動(dòng)波形比較平滑且幅值較小，當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯沖擊振動(dòng)，幅值有所增加，基本上是正常齒輪幅值的4倍左右，且有明顯周期成分出現(xiàn)，周期為400，對(duì)應(yīng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，另一沖擊成分在時(shí)域波形中并不能確定。為了確定故障位置，分別對(duì)健康和故障下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行多點(diǎn)峭度譜圖分析，如圖11，12所示。顯然，周期為22.4，44.8，67.2和134.4代表齒輪的嚙合周期及其倍數(shù)的關(guān)系，100.8，201.6和403.2代表軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期及其因子。通過(guò)對(duì)比可知，齒輪故障多點(diǎn)峭度的峰值明顯強(qiáng)于健康齒輪箱的峰值，峰值保持在兩倍左右，說(shuō)明齒輪有缺陷。如圖13所示，為了進(jìn)一步提取沖擊成分，設(shè)置周期區(qū)間為[10～50]和[350～450]，通過(guò)MOMEDA降噪，成功提取齒輪的點(diǎn)蝕故障和軸的不對(duì)中故障。

3 結(jié) 論

1) MOMEDA克服了MED和MCKD的缺點(diǎn)，可以將每個(gè)周期的故障沖擊提取出來(lái)，但只能對(duì)單一故障特征提取。

2) MKurt能夠求解復(fù)合故障沖擊性周期，在周期的倍數(shù)或半倍處均有譜峰出現(xiàn)。在噪聲環(huán)境中此方法具有免疫性，為了進(jìn)一步提取沖擊性脈沖，可通過(guò)設(shè)置降噪周期的區(qū)間來(lái)控制解卷積的脈沖位置。

3) 該方法為復(fù)合故障特征提取提供了一種新思路，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.04.030

* 山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015011063)

2017-02-27;

2017-04-26

TH113.1

王志堅(jiān)，男，1985年1月生，博士、講師。主要研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械復(fù)合故障診斷、動(dòng)態(tài)測(cè)試。曾發(fā)表《基于MED-EEMD滾動(dòng)軸承微弱故障特征提取》(《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》2014年第30卷第23期)等論文。 E-mail:wangzhijian1013@163.com