一種基于改進(jìn)的局部均值分解的往復(fù)壓縮機(jī)軸承故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，具體的是一種基于局部均值分解的往復(fù)壓縮 機(jī)軸承故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 往復(fù)壓縮機(jī)是石油、化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的氣體壓縮設(shè)備，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是其動(dòng)力傳遞 W及運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換的重要部件，機(jī)構(gòu)中連桿與各部件間通常使用滑動(dòng)軸承連接。設(shè)備運(yùn)行 時(shí)間一久，滑動(dòng)軸承常因磨損而出現(xiàn)間隙過(guò)大故障，進(jìn)而使機(jī)體劇烈振動(dòng)而停機(jī)。因此，為 了提高設(shè)備使用壽命，保證安全生產(chǎn)，有必要對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)軸承實(shí)施故障診斷。
[0003] 振動(dòng)信號(hào)富含設(shè)備狀態(tài)信息，采集方便，是一種理想的故障狀態(tài)特征提取信息源。 然而，往復(fù)壓縮機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、激勵(lì)源眾多，其振動(dòng)信號(hào)呈強(qiáng)非平穩(wěn)性、非線(xiàn)性，且故障特征 信息禪合于背景噪聲之中，W經(jīng)典信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)狀態(tài)故障診斷方法如時(shí)域統(tǒng) 計(jì)分析、快速化urier變換分析、相關(guān)相干分析及時(shí)序模型分析等，大多假設(shè)被分析信號(hào)具 有線(xiàn)性、平穩(wěn)及高斯等特性，應(yīng)用其對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取存在一定的局限 性。
[0004] 近些年來(lái)，信號(hào)自適應(yīng)分解方法已成為故障特征提取領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)，尤其 適合于具有非平穩(wěn)、非線(xiàn)性特性的信號(hào)特征提取。其中，局部均值分解是英國(guó)學(xué)者Smith提 出的一種信號(hào)自適應(yīng)分解方法，并已成功應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷。同時(shí)，部分學(xué)者已開(kāi)展 了基于局部均值分解的往復(fù)機(jī)械故障診斷方法研究。
[0005] 局部均值函數(shù)和包絡(luò)估計(jì)函數(shù)的構(gòu)造是局部均值分解方法核屯、步驟，直接關(guān)系到 分解精度。然而，傳統(tǒng)局部均值分解方法所使用的滑動(dòng)平均法，在多次平滑過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn) 生相位誤差，從而影響分解精度。學(xué)者提出了使用Ξ次樣條插值構(gòu)造包絡(luò)線(xiàn)W替代滑動(dòng)平 均法，有效解決了運(yùn)一問(wèn)題。但因 Ξ次樣條插值二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，包絡(luò)線(xiàn)在保證光滑性的同時(shí) 產(chǎn)生了過(guò)包絡(luò)或欠包絡(luò)現(xiàn)象，且運(yùn)一現(xiàn)象在分析具有強(qiáng)非平穩(wěn)特性的往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào) 中尤為顯著，影響分解精度。
[0006] 再者，現(xiàn)有局部均值分解方法中，僅W信號(hào)局部極值點(diǎn)為信息，使用不同插值方法 構(gòu)造包絡(luò)線(xiàn)，局部極值點(diǎn)并不能完全反映原始信號(hào)的波形特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于改進(jìn)的局部均值分解的往復(fù)壓縮機(jī)軸承故障診斷 方法，針對(duì)強(qiáng)非平穩(wěn)、非線(xiàn)性特性的往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)軸 承故障狀態(tài)的準(zhǔn)確診斷。
[000引本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于改進(jìn)的局部均值分解的往復(fù)壓縮機(jī)軸承故 障診斷方法，包括W下步驟： (1)利用振動(dòng)加速度傳感器W及光電傳感器，分別測(cè)試記錄往復(fù)壓縮機(jī)十字頭滑履處 振動(dòng)加速度信號(hào)和飛輪處旋轉(zhuǎn)鍵相信號(hào)，并依據(jù)旋轉(zhuǎn)鍵相信號(hào)截取整周期的振動(dòng)加速度信 號(hào)； (2) 使用改進(jìn)的局部均值分解方法對(duì)所截取的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分解，得到一系列 PF分量； (3) 采用相關(guān)系數(shù)法，從步驟(2)中得到的一系列PF分量中，篩選得出包含主要狀態(tài)信 息的PF分量； (4) 提取所篩選PF分量的瞬時(shí)幅值函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行頻譜變換，分析頻譜中是否含有顯 著的往復(fù)壓縮機(jī)二倍轉(zhuǎn)頻，若有，則往復(fù)壓縮機(jī)軸承發(fā)生了磨損間隙過(guò)大故障。
[0009] 上述步驟(2)中使用改進(jìn)的局部均值分解方法對(duì)所截取的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解的步 驟如下： @對(duì)于振動(dòng)信號(hào)義(1：)，設(shè)置初始參數(shù):化(1:)=義(1:)，3^(1:)=化(1:)，1=0〇=0，確定信號(hào)3^ (t)的所有極值序列 ② 計(jì)算所有極值序列所對(duì)應(yīng)的極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)序列按照在兩相鄰的極大值點(diǎn) 間插入一個(gè)極小值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)及在兩相鄰的極小值點(diǎn)間插入一個(gè)極大值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的原則，將極值 序列Xi,j,k和極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)序列Ai,j,k分為最大極值序列Xmaxi,j,k和最小極值序列 ③ 分別使用單調(diào)Ξ次化rmite插值計(jì)算得出最大極值序列Xmaxi,j,k所對(duì)應(yīng)的上包絡(luò)線(xiàn) Euij(t)，W及最小極值序列Xmim, j,k所對(duì)應(yīng)的下包絡(luò)線(xiàn)Elij(t); ④ 利用得出的上包絡(luò)線(xiàn)Euu(t)和下包絡(luò)線(xiàn)Elu(t)即可計(jì)算得出局部均值函數(shù)mu(t) 與包絡(luò)估計(jì)函數(shù)aij(t); ⑤ 把局部均值函數(shù)mii(t)從振動(dòng)信號(hào)x(t)中分離出來(lái)，用hiiU)除W包絡(luò)估計(jì)函數(shù)ail (t)，W對(duì)hiiU)進(jìn)行解調(diào)，得到sii(t);再按照W上步驟求出sii(t)所對(duì)應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) ai2(t)，如果ai2(t)=l，說(shuō)明sii(t)是一個(gè)純調(diào)頻函數(shù)，如果ai2(t)辛1，則重復(fù)上述迭代過(guò)程η 次，直至Sln(t)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù)ai( η ") (t) = l為止，也即Sln(t)為一個(gè)純調(diào)頻信號(hào)； ⑥ 把迭代過(guò)程中所產(chǎn)生的所有包絡(luò)估計(jì)函數(shù)相乘得到PF的包絡(luò)信號(hào)ai(t); ⑦ 將包絡(luò)信號(hào)ai(t)和純調(diào)頻信號(hào)sin(t)相乘得到振動(dòng)信號(hào)的第一個(gè)PF分量； ⑧ 將第一個(gè)分量PFi(t)從振動(dòng)信號(hào)x(t)中分離出來(lái)，得到一個(gè)新的信號(hào)m(t)，將m(t) 作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)W上步驟，循環(huán)k次，直到uk為一個(gè)單調(diào)函數(shù)為止;從而將所截取的振動(dòng) 信號(hào)x(t)分解為k個(gè)PF分量和一個(gè)uk之和。
[0010] 上述步驟②中所有極值序列所對(duì)應(yīng)的極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)序列的計(jì)算過(guò)程如 下： 對(duì)于確定振動(dòng)信號(hào)x(t)的極值點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的時(shí)刻町巧…W，于相鄰兩極大值點(diǎn)或 極小值點(diǎn)Xk和Xk+2間插入極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)A k+i，其中A k+i的定義為：
[0011] 上述步驟③中所使用的單調(diào)Ξ次化mite插值定義如下： 對(duì)于數(shù)據(jù)(。，乂1，(11)，其中乂1與(11分別是分劃點(diǎn)。。=0，-'，11，）處的函數(shù)值和一階導(dǎo) 數(shù)值。設(shè)hi, ili，Mi分別為hi = 了w-。，注Xi =Xi+i - Xi=iiXi / hi 一階導(dǎo)數(shù)值di為
在區(qū)間τ語(yǔ)較馬其I內(nèi)，對(duì)于給定的初始值5館;>:二.?和s.括.)二瑪?shù)膯握{(diào)S次化rmite 插值巧巧皆滬毅韓可W定義為：
[0012] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)非平穩(wěn)、非線(xiàn)性特性，提出了改進(jìn)的局部均值分 解方法，有效地提高了 PF分量的分解精度;并應(yīng)用改進(jìn)局部均值分解方法分解往復(fù)壓縮機(jī) 振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算PF分量瞬時(shí)幅值頻譜，相比于原始信號(hào)包絡(luò)譜或傳統(tǒng)局部均值分解方法，故 障特征頻率更顯著，有利于往復(fù)壓縮機(jī)軸承故障的準(zhǔn)確診斷。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是故障診斷方法流程圖。
[0014] 圖2是改進(jìn)的局部均值分解方法流程圖。
[0015] 圖3是往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0016] 圖中：1-一級(jí)氣缸;2-十字頭;3-電動(dòng)機(jī);4-曲軸箱;5-二級(jí)氣缸。
[0017] 圖4是往復(fù)壓縮機(jī)軸承故障狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖。
[0018] 圖5是改進(jìn)的局部均值分解法的分解結(jié)果。
[0019] 圖6是改進(jìn)的局部均值分解的PF1分量瞬時(shí)幅值頻譜。
[0020] 圖7是故障狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)譜。
[0021 ]圖8是傳統(tǒng)的局部均值分解的PF1分量瞬時(shí)幅值頻譜。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體應(yīng)用實(shí)例對(duì)本發(fā)明的方法與技術(shù)方案做出詳細(xì)說(shuō)明。
[0023] 本發(fā)明提出的是一種基于改進(jìn)的局部均值分解的往復(fù)壓縮機(jī)軸承故障診斷方法， 其診斷流程如圖1所示，具體包括W下步驟： 步驟1:利用ICP振動(dòng)加速度傳感器于往復(fù)壓縮機(jī)十字頭滑履處采集振動(dòng)加速度信號(hào)， 利用光電傳感器于往復(fù)壓縮機(jī)飛輪處采集旋轉(zhuǎn)鍵相信號(hào)，并使用多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 記錄測(cè)試信號(hào);依據(jù)鍵相信號(hào)，截取多個(gè)整周期的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0024] 步驟2:使用改進(jìn)的局部均值分解方法對(duì)所測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到一系列PF分 量。其中，每個(gè)PF分量可表示為一個(gè)瞬時(shí)幅值包絡(luò)信號(hào)和純調(diào)頻信號(hào)的乘積。對(duì)于振動(dòng)信號(hào) x(t)，改進(jìn)的局部均值分解算法的流程如圖2所示，具體算法如下： (1) 設(shè)置初始參數(shù):化（〇=義(〇,31^〇=化（〇，1=0〇=0，確定信號(hào)31^*)的所有極值序 列 Xi, j,k; (2) 利用得出的所有極值序列Xij,k，依據(jù)公式
計(jì)算得出極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)序列并按照在兩相鄰的極大值點(diǎn)間插入一個(gè)極小值對(duì)稱(chēng) 點(diǎn)及在兩相鄰的極小值點(diǎn)間插入一個(gè)極大值對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的原則，將極值序列Xij,k和極值對(duì)稱(chēng)點(diǎn) 序列Ai,j,k分為最大極值序列Xmaxi,j,k和最小極值序列 (3) 分別使用單調(diào)Ξ次化rmUe插值計(jì)算得出最大極值序列Xmaxi,j,k所對(duì)應(yīng)的上包絡(luò) 線(xiàn)E：uij(t)，W及最小極值序列所對(duì)應(yīng)的下包絡(luò)線(xiàn)Elij(t)。其中，計(jì)算上下包絡(luò)線(xiàn)所 使用的單調(diào)Ξ次化rmite插值定義如下： 對(duì)于數(shù)據(jù)(。，乂1，(11)，其中乂1與(11分別是分劃點(diǎn)。。=0，-'，11，）處的函數(shù)值和一階導(dǎo) 數(shù)值。設(shè)hi, 5i，Mi分別為hi =扣+廣了i JXi =Xi+i - Xi，達(dá)i =SXi / hi 一階導(dǎo)數(shù)值di為
在區(qū)間:r卷掠內(nèi)，對(duì)于給定的初始值輸話(huà)二馬和到域:二進(jìn)煎單調(diào)；次化rmite 插值惡戀費(fèi)戳懿養(yǎng)樹(shù)W定義為：
(4) 利用得出的上包絡(luò)線(xiàn)化u(t)和下包絡(luò)線(xiàn)Elu(t)即可計(jì)算得出局部均值函數(shù)mu(t) 與包絡(luò)估計(jì)函數(shù)曰1^0分別為
(5) 把局部均值函數(shù)mii(t)從振動(dòng)信號(hào)x(t)中分離出來(lái)，用hii(t)除W包絡(luò)估計(jì)函數(shù)ail (*)，^對(duì)山1(〇進(jìn)行解調(diào)：
再按照W上步驟求出S11 (t)所對(duì)應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù)ai2 (t)，如果ai2 (t)=1，說(shuō)明S11 (t) 是一個(gè)純調(diào)頻函數(shù)，如果ai2(t)辛1，則重復(fù)上述迭代過(guò)程η次，直至sin(t)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) ai( η ")(t)=l為止，也即Sln(