自適應(yīng)濾波技術(shù)在車輛變速箱故障診斷中的應(yīng)用

曹 文 ，唐雪松 ，張 盟

（1.裝甲兵技術(shù)學(xué)院車輛工程系兩棲空降裝備教研室，長春 130117；2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院車輛系，長春 130117）

1 自適應(yīng)濾波原理

信號(hào)的統(tǒng)計(jì)性能會(huì)隨著系統(tǒng)與環(huán)境的變化而變化，與設(shè)定好的條件發(fā)生偏離，因此需要在設(shè)計(jì)中將濾波器的參數(shù)設(shè)置為自適應(yīng)系統(tǒng)與環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤也即所謂的自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波分為IIR與FIR兩種，F(xiàn)IR使用頻率更高，其運(yùn)行原理方塊圖如圖1所示：

圖1 自適應(yīng)濾波原理圖

2 如何建立自適應(yīng)神經(jīng)濾波器

2.1 自適應(yīng)噪聲抵消原理探究

圖2即為適應(yīng)噪聲消除系統(tǒng)的方塊圖。其中A路指有用信號(hào)中s混合噪聲no的信號(hào)，A、s、no之間的關(guān)系為：y=s+no，B路指自適應(yīng)濾波器參數(shù)（噪聲n1）的錄入，此時(shí)x=n1。假定s與no或n1互不關(guān)聯(lián)，但no與nl存在特定關(guān)系，而且所有參數(shù)均為零均值平穩(wěn)隨機(jī)過程，此時(shí)，系統(tǒng)的輸出誤差信號(hào)為：e=y-?=s+no-?。?為利用自適應(yīng)濾波器估算而來的噪聲n1，為降低兩者之間的誤差值，設(shè)定在理想狀態(tài)下，該自適應(yīng)濾波器可以抵消系統(tǒng)中的所有噪聲，剩下的信號(hào)即為所需信號(hào)。

此信號(hào)為：E[e2]=E[s+（no-y'）2]=E[e2]+E[（no-y'）2]。當(dāng)系統(tǒng)均方差數(shù)值最小時(shí)，y'=no，此時(shí)系統(tǒng)輸出e=s，即未被干擾的初始信號(hào)s和系統(tǒng)輸出信號(hào)e數(shù)值相近。

圖2 自適應(yīng)噪聲消除系統(tǒng)原理圖

2.2 adaline自適應(yīng)濾波器模型

此濾波器模型將一個(gè)抽頭延遲線模塊和adaline網(wǎng)絡(luò)連接而成。濾波器模型的信號(hào)通過左邊輸入，其輸出端為R維向量P。

1960年w idrow和hoff提出了自適應(yīng)線性神經(jīng)元模型，此模型是一種利用LMS算法加以管理的自適應(yīng)模式分類器。其運(yùn)用理論權(quán)值調(diào)整規(guī)則為：

其中，輸入向量為x（k），權(quán)值向量為w（k），神經(jīng)元的學(xué)習(xí)速率為μ。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集

該實(shí)驗(yàn)選取了某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為600r/m in的裝甲車，并將三檔被動(dòng)齒輪作為該實(shí)驗(yàn)的研究項(xiàng)目。首先，測(cè)試在正常狀態(tài)下的變速箱體的振動(dòng)加速信號(hào)。其次，將斷齒齒輪換上，測(cè)試在斷齒故障下的變速器的振動(dòng)加速度信號(hào)。并在實(shí)驗(yàn)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量收集，用專門的信號(hào)對(duì)變速箱振動(dòng)信號(hào)完成自適應(yīng)濾波。

得到表1變速箱體振動(dòng)信號(hào)幅值特征統(tǒng)計(jì)表。當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障，其幅值表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，尤其以最大值和脈沖指標(biāo)數(shù)據(jù)上升最為明顯，也說明了該信號(hào)中含有的脈沖成本較多。

表1 變速箱體振動(dòng)信號(hào)幅值特征統(tǒng)計(jì)表

3.2 變速箱振動(dòng)信號(hào)的頻率探究

3.2.1 自適應(yīng)濾波及自功率譜分析

在正常情況下，其振動(dòng)信號(hào)能量介于500～2 500Hz，中心頻率大約為1 300Hz。但當(dāng)發(fā)生斷齒故障后，其頻帶區(qū)域會(huì)增寬，尤其是在頻率最低值時(shí)頻帶增幅最為明顯。

3.2.2 斷齒時(shí)振動(dòng)信號(hào)的調(diào)幅分析

無論齒輪發(fā)生何種故障，在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中通常表現(xiàn)為傳動(dòng)誤差問題。實(shí)際運(yùn)行的齒廓形狀和角位置與理論形狀和角位置出現(xiàn)了偏差，此差值數(shù)構(gòu)成了齒輪振動(dòng)和噪聲的主要來源。

4 結(jié)語

變速箱內(nèi)齒輪斷齒是裝甲車常見故障之一，可以通過變速箱體發(fā)出的振動(dòng)加速信號(hào)的變化予以察覺。此外，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析，能夠有效診斷出變速箱齒輪斷齒下的頻率特性，并依據(jù)頻率特性確定具體出現(xiàn)故障的部位，進(jìn)而加以維修。

［1］［加］赫金.自適應(yīng)濾波器原理（第四版）［M］.鄭寶玉，譯.北京：電子工業(yè)出版社,2010.

［2］孫德福.裝甲車輛復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷方法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.