用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵

摘要

本发明属于机械设备振动监测与故障诊断领域，具体涉及一种用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵。本发明通过对拾取的旋转机械振动信号进行多窄带滤波处理，获取不同频段的振动信号，对多组不同频段的振动信号进行包络解调分析，获取多组信号的包络谱，将包络谱变换为以振动频率和窄带滤波中心频率为x、y轴坐标，振动幅值为z轴坐标的三维包络谱阵(图)。基于该包络谱阵，可以对旋转机械的故障调制频率、故障发生部位、故障损伤程度做出快速、直观的判断，便于实现智能化的故障诊断。

主权项

用于旋转机械故障诊断的多频带包络谱阵，其特征在于，包括以下步骤：1.确定窄带滤波器的类型和滤波频宽。滤波器类型没有严格限制，可以选择任何形式的经典带通滤波器，如巴特沃斯带通滤波器、切比雪夫滤波器等。滤波频宽则需要根据分析对象的结构和信号特征确定，窄带滤波的目的是提取信号中故障产生的周期性冲击成分，从中提取幅值包络函数进行分析，以显现故障引起的频谱中的边带成分。因此滤波频宽应包含若干个结构故障可能产生的最高边带频率。窄带滤波器的z域表达式为：$H\left(z\right)=\frac{\underset{r=0}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_r{z}^{-r}}{1+\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_k{z}^{-k}}$式中，b_r和a_k为滤波器系数，带通滤波器上、下截止频率通过滤波器系数得以体现；M、N为滤波器的滑动平均和自回归阶数；2.确定移动滤波的频率步长，可以选择在0.1至0.5倍滤波频宽范围，步长太小，得到的包络谱阵分辨率较高，但计算量大；反之，步长太大，计算分析速度快，但包络谱阵的分辨率降低；3.进行振动信号的窄带滤波，表达式为y(n)＝x(n)*h(n)式中，x(n)为原始振动时间序列，h(n)为窄带滤波器单位脉冲响应函数，由H(z)逆向z变换得到，y(n)为窄带滤波之后的信号；4.对滤波之后的信号进行Hilbert变换$\hat{y}\left(n\right)=\frac{1}{\pi }\underset{\tau =-\infty }{\overset{\tau =+\infty }{\Sigma }}\frac{y\left(\tau \right)}{n-\tau }=y\left(n\right)*\frac{1}{\mathrm{\pi n}}$其解析信号表示为式中，a(n)为窄带滤波之后的包络信号，其相应的包络谱如下：A(f)＝abs(FFT(α(n)，N_f)/N_f)式中，N_f为离散傅里叶变换之后的频率点数，A(f)为窄带滤波之后信号的包络谱，FFT表示对信号做快速傅里叶变换；5.以某个低频频率f₁作为窄带滤波的中心频率，自此开始，得到该频率下对应的包络谱A(f₁，f)，然后按照选定的频率步长移动到下一个滤波中心频率f₂，再次进行窄带包络分析，得到相应的包络谱A(f₂，f)，如此循环，直到滤波频宽覆盖全部分析频率范围，最终得到多频带包络谱阵∑A(f₁，f)。进一步，以振动频率f为x轴，窄带滤波中心频率f₁为y轴，包络谱幅值为z轴绘制多频带包络谱阵。