基于EMD的機械振動分析與診斷方法研究

閆鍇

摘 要：在現階段的工作當中，純人工工作已經一去不復返了，機械設備的盛行，以及科學技術的不斷更新，使得人們可以利用大型設備來完成工作，同時在一些細節工作方面，也可以利用較為精密的儀器來完成。可以說，機械設備的發展，推動了人類的整體進步，無論生活還是工作。現今的問題在于機械振動分析，從客觀的角度來說，機械振動分析需要采取一套行之有效的方法來進行。但是，以目前的科學技術來說還是有所不足，因此科研人員開始考慮基于EMD的機械振動分析與診斷方法。

關鍵詞：EMD 機械 診斷

中圖分類號：TH12 文獻標志碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（a）-0047-01

很多人對EMD并不是很了解，用通俗的話來說，EMD就是經驗模態分解，它是由美國的黃鱷博士所提出的一種信號分析方法，由于EMD方法在理論上能夠應用于任何類型的信號分解，因此在處理非平穩以及非線性數據方面，具有非常明顯的優勢。正因為EMD具有如此明顯的優勢，以它作為基礎，來研究機械振動分析與診斷方法，相信能夠獲得一定的積極成果。本文就基于EMD的機械振動分析與診斷方法進行一定的研究。

1 機械系統振動模式的EMD分析方法研究

1.1 瞬時頻率和固有模式函數

構成EMD基本原理以及算法核心的兩個基本概念有兩個，一個是瞬時頻率概念，另一個是固有模式函數概念。對于瞬時頻率來說，力學上振動頻率的概念是單位時間內震蕩波的個數，其實質就是表征信號在一定時間內的總體特征，由此可見，對于瞬時頻率來說，其定義可以與正弦、余弦函數聯系在一起，這樣一來就能夠很好的解決問題，并且將理論應用到實際的工作當中。其次，在固有模式函數方面，黃鱷博士等一些研究人員在總結瞬時頻率有意義的單分量信號的時候，認為應該在滿足條件的基礎之上，提出了固有模式函數的概念。經過一定的討論和研究，眾多的科研人員認為，固有模式函數必須滿足以下兩個條件：第一，整個數據長度中極值點和過零點的樹木必須相等或者最多相差一個。第二，在任意的數據點，局部極大值的包絡以及局部極小值的包絡均值必須等于零，換言之，信號需要關于時間軸局部對稱。從以上的表述來看，瞬時頻率以及固有模式函數對整體的研究工作而言，是一個明確的理論基礎，所有的工作都需要在這個理論基礎上進行，否則很難達到一個理想的效果。

1.2 EMD的基本原理

EMD方法主要建立在以下假設的基礎之上：首先，信號最少要有兩個極值點，一個最大值和一個最小值。極值點能夠為EMD方法提供一個最合理的范圍，當工作人員利用機械振動分析與診斷方法的時候，必須在某一個合理范圍內取值，否則沒有辦法制定針對性的方式來處理問題。其次，特征時間尺度通過兩個極值點之間的時間長度定義，這個要求和上一個是相互呼應的，在未來的工作中，準確的定義不僅可以良好的處理問題，同時可以及時的發現問題。現階段的機械設備在應用的過程中，具有很多的隱藏問題，如果能夠針對各個工作狀態進行一個準確的定義，勢必能夠在今后的工作中，及時檢修，提高經濟效益。最后，如果信號數據沒有極值點，或者只存在最大值或者最小值，但是存在變性點，那么工作人員可以通過數據微分一次或者幾次來獲得極值點，之后通過積分來獲得分析結果。綜上所述，EMD的基本原理必須滿足上述三個條件，否則很有可能造成結果不理想或者結錯誤結果。

2 EMD中的端點效應和信號序列延拓技術研究

基于EMD的機械振動分析與診斷方法，需要在切實可行的基礎上來進行工作。在此，本文重點介紹EMD中的端點效應和信號序列延拓技術。利用這一技術，能夠在很大程度上徹底解決一些惡性問題，避免重復發生的情況。

2.1 端點效應的抑制方法分析

針對EMD的端點效應問題，我國在長期的發展當中，已經提出了一些較為有效的處理技術，并且應用到了實際的工作當中，也就是現階段的信號序列延拓技術。主要分為極值延拓、周期延拓、預測延拓以及波形延拓等一系列的方法。如何根據旋轉機械振動信號的特點，具有針對性的提出適用性強的信號序列延拓方法，更加徹底的將EMD方法應用于機械振動模式分析，就需要對現有的信號序列延拓方法的特點、性能進行分析和研究。

2.2 現有延拓方法在機械振動信號處理中的不足分析

對于現有的延拓方法來說，并沒有達到一個理想的狀態，在應用到機械振動信號處理的時候，存在較多的不足。首先，沒有辦法達到理想的EMD分解結果，適用性較差。其次，應用價值不高。最后，隨著高科技的盛行，很多的機械振動都出現了新的問題，固守原來的方法，很難得到一個較大的突破。

2.3 信號序列端點優化對稱延拓方法研究

信號序列端點優化對稱延拓方法，主要是通過對信號以及其中包絡線的偏差評價函數最小化計算，來獲得最理想的信號端點值，同時，在這個基礎上延拓信號的上、下包絡線。兩端將最大化的逼近原始信號兩端點。之后的工作較為簡單，通過在EMD后續篩選IMF過程中拋棄兩端延拓的數據，從而將端點效應釋放到原始信號之外。通過這種方法，能夠有效的處理機械振動中的端點效應問題，并且在未來的工作中，不斷建立新的方案，形成一整套有效的對策。值得注意的是，現階段的機械振動具有一定的地域性特征，由于應用機械設備的工廠和企業不同，同時地區之間的經濟發展情況也有所偏差，因此在應用上述方法的時候，還應該有效的考慮到地方性特點。

3 結語

本文主要基于EMD的機械振動與診斷方法進行了一定的研究，從現有的發展情況來看，基于EMD的機械振動與診斷方法仍然需要進一步的加強，并且在很多的方面都需要進行努力。由于部分細節問題仍然沒有解決，因此，還需要將端點效應進一步去分析，通過掌握更加透徹的原理，將方式方法變得更加科學化。相信在今后的工作中，基于EMD的機械振動分析與診斷方法一定能夠得到更加積極的成果。

參考文獻

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