鐘永明

（萍鄉(xiāng)萍鋼安源鋼鐵有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

冶金軋鋼設(shè)備的振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)和診斷一直深受重視。通過(guò)觀察和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)機(jī)械故障首先以信號(hào)振動(dòng)異常的形式表現(xiàn)。因此，通過(guò)對(duì)信號(hào)的異常振動(dòng)頻率獲取到多數(shù)機(jī)械故障的原因[1]。設(shè)備的振動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)，其信號(hào)的異常振動(dòng)大致有兩種特性，即非線性、振動(dòng)頻率不穩(wěn)定性。現(xiàn)階段，小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夂途钟蚓捣纸庠诜瞧椒€(wěn)信號(hào)處理方法比較常見(jiàn)，但這些方法還不是十分完善，適用范圍較小，有一定的局限性。信號(hào)向量分解（ITD）是目前常見(jiàn)的傳統(tǒng)分析方法，ITD通過(guò)將許多向量數(shù)據(jù)逐個(gè)分解為其他向量分量 (Rotation，PR)，再求和多個(gè)分量[2]。ITD適合在線分解，計(jì)算效率較高，不足在于分解第一個(gè)分量較好，第二個(gè)分量開(kāi)始，存在信號(hào)失真的問(wèn)題，因此本文優(yōu)化了ITD方法，用B樣條改進(jìn)本征尺度分解方法，即BITD。BITD 方法可以劃分信號(hào)頻率，不要求中心頻率及參數(shù)，非常適用于故障診斷[3]。本文通過(guò)分析局部能量譜、能量算子和對(duì)角切片譜等方法，提出了BITD方法并用于冶金軋鋼設(shè)備的振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷中。

1 冶金軋鋼設(shè)備的振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)BITD得出閾值

我設(shè)計(jì)的故障監(jiān)測(cè)BITD基本構(gòu)建過(guò)程如下:首先通過(guò)觀察信號(hào)振動(dòng)的特點(diǎn)，找出振動(dòng)信號(hào)Xt的分布閾值點(diǎn)，計(jì)算基線的閾值點(diǎn)Xk。對(duì)序列兩端的閾值點(diǎn)進(jìn)行延拓，以鏡像對(duì)稱(chēng)方法為主，得到信號(hào)左右兩端點(diǎn)的極值與，對(duì)k進(jìn)行賦值，假定k在不同情況下等于0和M，對(duì)k值的不同進(jìn)行分析，再計(jì)算出L1和LM的值，對(duì)所有LK用B類(lèi)型函數(shù)來(lái)求和，獲取信號(hào)L1。將L1從原始振動(dòng)信號(hào)中分離，得到P1,若P1是一個(gè)PR分量，則P1作為信號(hào)Xt的第一個(gè)分量，對(duì)上述步驟進(jìn)行多次重復(fù)與循環(huán)，得到Pk一個(gè)PR值，Pk即為信號(hào)Xt的第一個(gè)PR分量PR1，將PR1信號(hào)中分離，從而獲取新信號(hào)r1，進(jìn)行以下公式：

通過(guò)上述公式用BITD方法對(duì)故障信號(hào)振動(dòng)進(jìn)行分解，如圖1所示：

圖1 BITD方法對(duì)故障信號(hào)振動(dòng)分解

用BITD方法對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行分解，從圖1中可以看出，在幅值變動(dòng)時(shí)，我設(shè)計(jì)的構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)BITD閾值方法對(duì)分量的分解以及獲取故障監(jiān)測(cè)BITD閾值有較好的效果，可以清晰地監(jiān)測(cè)到幅值存在差異時(shí)，故障信號(hào)振動(dòng)的頻率。

1.2 基于BITD閾值診斷設(shè)備故障

基于構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)BITD閾值，我將獲取的BITD閾值應(yīng)用到滾動(dòng)軸承故障診斷中，基于BITD閾值診斷故障設(shè)備，我設(shè)計(jì)的具體步驟如下:首先我對(duì)齒輪的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分解，根絕其適應(yīng)力分解為若于個(gè)PR分量，通過(guò)相應(yīng)技術(shù)使每個(gè)PR分量里掌握振動(dòng)信號(hào)的頻率故障信息，其次我通過(guò)構(gòu)建的BITD對(duì)每個(gè)分量的振動(dòng)規(guī)律數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與提取，最終可以獲取到原始信號(hào)的振動(dòng)故障原理。大多數(shù)設(shè)備的故障信息呈現(xiàn)不分散狀態(tài)，傾向于在高頻率信號(hào)段發(fā)生振動(dòng)。綜合上述，一般情況下選擇每個(gè)信號(hào)中的首個(gè)分量計(jì)算其閾值，將計(jì)算得出的閾值作為設(shè)備的基本特征向量，應(yīng)用到向量機(jī)對(duì)各種類(lèi)型故障的分類(lèi)，最終獲取到基于BITD故障診斷方法。主要診斷故障方法流程如圖2所示。

圖2 基于 BITD閾值故障診斷方法流程圖

根據(jù)BITD閾值故障診斷方法流程圖可知，對(duì)信號(hào)的異常振動(dòng)進(jìn)行分解，使分解的各個(gè)PR分量分散，再計(jì)算各分散分量的排列均值，最終實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)診斷，對(duì)故障特征的分析具有一定優(yōu)勢(shì)。正常狀態(tài)下BITD閾值比較小，這是因?yàn)楣收咸幱谳p微狀態(tài)時(shí)，受BITD閾值影響較小，振動(dòng)信號(hào)變化有規(guī)律；輕度磨損時(shí)，振動(dòng)信號(hào)發(fā)生變化，生成了一種新模式，隨著時(shí)間變長(zhǎng)，序列更復(fù)雜，熵值也對(duì)應(yīng)變大，BITD閾值變大；中度磨損時(shí)，由于設(shè)備故障的程度加重，振動(dòng)信號(hào)中的影響因素也增多，隨著時(shí)間變長(zhǎng)，序列更復(fù)雜，熵值對(duì)應(yīng)減少，BITD閾值變?。划?dāng)磨損程度最大時(shí)，振動(dòng)信號(hào)中影響因素上升到最大，時(shí)間變長(zhǎng)，其熵進(jìn)一步變小。熵值隨著閾值發(fā)生變動(dòng)，準(zhǔn)確地分析出設(shè)備故障的嚴(yán)重程度，從而進(jìn)一步對(duì)設(shè)備做出監(jiān)測(cè)與診斷方法。

通過(guò)構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)BITD閾值，對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行BITD分解，主要包括以下步驟:通過(guò)分解，得到PR1，PR2，...，PRn等分量，計(jì)算所有閾值下，每個(gè)PR分量與振動(dòng)信號(hào)的兩端閾值；對(duì)其求和，選取故障信號(hào)閾值小于0.5，系數(shù)小于5.14的PR分量，通過(guò)降噪，生成BITD下新信號(hào)的頻譜圖[4]。PR分量按(1.1～5.9)取閾值，按上述5個(gè)步驟進(jìn)行分析，命名為 BITD方法1；PR分量按(5.9～10.9)取閾值，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)對(duì)前幾個(gè)成分進(jìn)行降噪，并與其余的低頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)一步得出重構(gòu)信號(hào)的頻譜圖，稱(chēng)為BITD方法2；PR 分量按(5.1～14.9)取閾值，通過(guò)相關(guān)系數(shù)大于0.5的原則，峭度大于3.9的PR分量進(jìn)行BITD降噪，對(duì)其重構(gòu)后，獲取相應(yīng)頻譜圖，稱(chēng)為BITD方法3；PR分量按(1.1～10.9)取閾值，對(duì)上述所有成分進(jìn)行降噪，與所有的低頻進(jìn)行重構(gòu)，最終獲取到重構(gòu)信號(hào)的頻譜圖，稱(chēng)為 BITD閾值方法診斷故障[5]。

綜上所述，我設(shè)計(jì)的基于BITD閾值診斷設(shè)備故障的方法由于每個(gè)時(shí)域指標(biāo)對(duì)信號(hào)異常的敏感度不同，將信號(hào)分解成含有不用瞬時(shí)頻率的向量，獲取函數(shù)進(jìn)行分析，整個(gè)過(guò)程使設(shè)備中非平穩(wěn)的信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)變形成平穩(wěn)信號(hào)，將其分量擬合，分析信號(hào)向量的擬合值，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷[6]。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文提出的基于BITD閾值診斷設(shè)備故障方法的有效性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)自某實(shí)驗(yàn)室，振動(dòng)設(shè)備型號(hào)為 5750-6RL LSG 深溝球軋鋼設(shè)備，軋鋼設(shè)備的狀態(tài)包括正常、內(nèi)圈和滾動(dòng)體故障三種類(lèi)型。故障為受電流影響腐蝕的點(diǎn)，點(diǎn)部的直徑為0.2461mm。設(shè)備的機(jī)械轉(zhuǎn)速為 184r／s，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 1156Hz。選取軸承狀態(tài)包括正常、內(nèi)圈故障和BITD閾值診斷內(nèi)圈故障三種。

2.2 對(duì)比分析

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)在不同狀態(tài)下，取5組相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)其尺度熵值均值進(jìn)行排列，制作成表1，從表1中第 7 列均值結(jié)果中可以看出原始信號(hào)的排列值能夠有效地區(qū)分3種狀態(tài)。

表1 信號(hào)均值排列

從表1中可以得出基于BITD閾值下，正常的軋鋼設(shè)備的尺度熵值最小，BITD內(nèi)圈故障較正常狀態(tài)之間存在差異較小。工作正常時(shí)，設(shè)備的所有信號(hào)振動(dòng)具有其規(guī)律性；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，故障振動(dòng)在系統(tǒng)中引起信號(hào)的高頻振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)毫無(wú)規(guī)律，尺度熵值較大。信號(hào)BITD分解的首個(gè)PR幅值的程度最大，包含各種狀態(tài)下所有信號(hào)的主要信息，在受外部環(huán)境不同時(shí)，振動(dòng)信號(hào)的第一分量的排列均值有明顯的差異，其它分量的排列均值的取值范圍也不同。

為了檢證BITD方法在設(shè)備發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)能有效診斷，對(duì)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了有效地分析與研究。研究的設(shè)備齒輪損壞情況包括正常、輕微、和重大故障，頻率為 15197Hz，振動(dòng)長(zhǎng)度為 2512。三種不同程度的故障信號(hào)，每種狀態(tài)取 5 組數(shù)據(jù)計(jì)算出基本尺度數(shù)值及其均值。根據(jù)尺度數(shù)值與均值得出BITD閾值下原始信號(hào)的熵值可以區(qū)分3種狀態(tài)。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，本文提出的基于BITD閾值診斷設(shè)備故障的方法可以有效地對(duì)設(shè)備故障受損程度作出診斷，隨著設(shè)備故障程度的不同，BITD閾值也存在差異，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)故障狀態(tài)的變化過(guò)程并做出診斷，較傳統(tǒng)診斷方法相比，我提出的構(gòu)建故障監(jiān)測(cè)BITD閾值方法監(jiān)測(cè)與診斷故障的速度更快，對(duì)故障特征獲取的更清晰。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)冶金軋鋼的設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷方法進(jìn)行了研究，提出的基于BITD閾值對(duì)設(shè)備振動(dòng)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，此方法對(duì)監(jiān)測(cè)診斷冶金軋鋼設(shè)備大負(fù)載低轉(zhuǎn)速的振動(dòng)信號(hào)故障非常有效。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)到的原始振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，將信號(hào)中的低頻分量過(guò)濾，通過(guò)計(jì)算與分析獲取故障受損程度。本文提出的方法較傳統(tǒng)故障診斷方法相比，本文提出的基于BITD閾值診斷設(shè)備故障的方法對(duì)故障信號(hào)的分量處理效果更好，振動(dòng)沖擊更突出，獲取的故障特征頻率更明顯。