基于多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障診斷方法

但惠文

（湖北新產(chǎn)業(yè)技師學(xué)院 咸寧職教（集團(tuán)）學(xué)校，湖北 咸寧 437100）

在科技快速發(fā)展的當(dāng)下，現(xiàn)代工業(yè)的機(jī)械自動化程度有了明顯的提升，而在實際生產(chǎn)的過程中也會使用很多旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，這一類型的設(shè)備主要是應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造等多個領(lǐng)域，對于提高生產(chǎn)加工質(zhì)量而言具有重要意義。然而受到多方面因素的影響，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實際應(yīng)用的過程中往往會出現(xiàn)一些故障問題，不僅嚴(yán)重影響到生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率，同時也會對生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營成本、正常運(yùn)營造成一定影響。因此，生產(chǎn)企業(yè)必須要重視對旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障問題進(jìn)行定期檢修與維護(hù)，只有這樣才可以在最大程度上保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常運(yùn)行，減少故障問題所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

1 多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法概述

多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法是由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法發(fā)展而來的，而經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法最初是在1998年被提出的，是一種信號處理方法，1999年又做出了進(jìn)一步完善與改進(jìn)。這種方法一經(jīng)出現(xiàn)便受到了信號處理領(lǐng)域的關(guān)注，然而受到技術(shù)方面因素的影響，這種方法在實際應(yīng)用的過程中仍然會存在一些問題，因此如何基于EMD理論構(gòu)建出非線性非穩(wěn)定信號處理系統(tǒng)已經(jīng)成為這一領(lǐng)域在今后研究的一項重點內(nèi)容。若是從本質(zhì)上進(jìn)行分析，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法指的就是信號進(jìn)行平穩(wěn)化處理，其結(jié)果主要是根據(jù)信號中不同尺度的波動或者趨勢經(jīng)過逐層分解得來的，進(jìn)而產(chǎn)生了一系列不同尺度的數(shù)字序列，而且每一個序列都可以被稱之為本征模函數(shù)。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷中，這種方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而隨著時代的進(jìn)一步發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的種類不斷增加，功能、加工工藝也日益復(fù)雜，這也就在一定程度上增加了故障診斷的難度，傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法也已經(jīng)無法完全適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷，尤其是早期階段，故障體現(xiàn)并不是十分明顯，因此極其容易出現(xiàn)診斷不準(zhǔn)確的情況。多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法的出現(xiàn)，可以在一定程度上有效提高旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障診斷的準(zhǔn)確性，首先將多個振動傳感器合理布置在軸承座的多個關(guān)鍵位置，借此實現(xiàn)對振動信息的同步采集，然后再利用多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在同一狀態(tài)下自適應(yīng)分解多通道振動信號，確定多元IMF分量；最后依據(jù)峭度準(zhǔn)則從中選取包含故障主要信息的IMF分量進(jìn)行信號重構(gòu)，提取故障特征。通過采取這種方式方法來實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信息的采集，對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障問題進(jìn)行有效判斷。

2 多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障診斷中的應(yīng)用

多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法的應(yīng)用可以實現(xiàn)對不同通道信號的同步分析，使得各個通道內(nèi)所分解出的IMF個數(shù)相同，按照一定的頻率尺度進(jìn)行對此，這樣就可以形成一個多元的IMF。雖然這種方法的使用可以分解不同振動模式下的IMF分量，具有一定的可靠性，但是在這一過程中如何實現(xiàn)避免截取信息受到噪聲的影響，已經(jīng)成為多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法實踐過程中的一項關(guān)鍵內(nèi)容。這需要技術(shù)人員在實際應(yīng)用這一方式方法的過程中，對IMF的分量進(jìn)行科學(xué)選取，同時還要進(jìn)行做好濾波處理，只有這樣才可以提取到有效的故障特征信息。為了達(dá)到這一目的，技術(shù)人員需要對IMF分量進(jìn)行峭度值計算，選擇相關(guān)系數(shù)較大的IMF分量來完成信號重構(gòu)，最后濾除噪聲獲取調(diào)制信號，提取故障特征，并根據(jù)故障特征來實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障的有效判斷。

3 基于多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障診斷方法

目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障一般可以分為兩種，即輪斷齒故障、軸承內(nèi)圈故障，這兩種故障通常會出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障中，同樣具有較大的隱蔽性，因此難以被有效甄別。通過采用多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法，就可以在最大程度上實現(xiàn)對故障信號的有效甄別，使得故障特征可以更加明顯，為后續(xù)的各項檢修與維護(hù)工作提供有利參考。

（1）輪斷齒故障檢測。輪斷齒故障是旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實際運(yùn)行過程中較常出現(xiàn)的一種故障，這一故障在早期的故障特征表現(xiàn)并不是十分明顯，而采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法，通常會無法分辨輪斷齒故障的特征，而且會在很大程度上受到噪音方面的干擾，因此無法實現(xiàn)對輪斷齒故障的有效識別，在一定程度上為旋轉(zhuǎn)齒輪的正常使用、生產(chǎn)以及企業(yè)經(jīng)營帶來諸多不利影響。多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的應(yīng)用，則是可以實現(xiàn)對這一故障的有效檢測，通過科學(xué)截取IMF分量，合理濾波的方式來弱化噪音，使得故障特征識別更為有效。以某旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障早期診斷為例，該型號旋轉(zhuǎn)機(jī)械的頻率為25600Hz，軸承轉(zhuǎn)速為314r/min，在利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法進(jìn)行檢測的過程中，技術(shù)人員首先是需要對分解的總次數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，同時將需要在檢測過程中添加的白噪聲幅值系數(shù)k設(shè)置為0.02，再利用傳感對信號進(jìn)行分解，分解的結(jié)果如圖1所示，技術(shù)人員需要根據(jù)與相關(guān)系數(shù)以及峭度值來確認(rèn)重構(gòu)項，根據(jù)圖中所顯示的相關(guān)信息，可以對前兩項的IMF的分量進(jìn)行重構(gòu)，然而結(jié)果中卻并無法將故障特征顯現(xiàn)出來，無法實現(xiàn)對故障的有效判斷（如圖2所示）。

圖1

圖2

在采用多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法的過程中，技術(shù)人員必須要先對齒輪點蝕信號進(jìn)行降噪處理，在處理技術(shù)以后還需要實現(xiàn)對信號關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的分析與計算，若是相關(guān)系數(shù)超過了50%，則需要進(jìn)行剔除，然后才可以開始接下來的檢測工作。根據(jù)上述操作，在本次旋轉(zhuǎn)機(jī)械檢測中，主要是針對4通道信號來進(jìn)行多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，并且也得到了一系列的多元IMF分量，然后需要計算出這一系列IMF分量的峭度值和相關(guān)系數(shù)，在完成這一環(huán)節(jié)操作以后，相關(guān)技術(shù)人員必須要根據(jù)數(shù)據(jù)需求選擇合適的IMF分量作為重構(gòu)信號，最終得到故障的整個分析結(jié)果，如圖3所示。根據(jù)圖3中的相關(guān)信息，可以得知這一旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障頻率、倍頻成分都相對較高，這也就說明了旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實際運(yùn)行的過程中存在輪斷齒故障問題，而且在圖中噪聲的成分相對較少，而故障特征表現(xiàn)的卻相對明顯，這也就充分說明了多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障早期問題檢測中的有效性，對于提高檢測準(zhǔn)確性具有重要作用。

圖3

（2）軸承內(nèi)圈故障檢測。軸承內(nèi)圈在旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中也是不可缺少的重要組成部分，因此其檢測是否準(zhǔn)確也同樣會影響到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行。然而在實際檢測的過程中，由于軸承內(nèi)圈故障信號具有路徑復(fù)雜、振動衰減明顯且較為容易受到噪音的干擾，呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。因此，軸承內(nèi)圈故障檢測對于檢測技術(shù)的要求相對較高，若是無法實現(xiàn)對噪音干擾的有效控制，就無法針對軸承內(nèi)圈進(jìn)行有效檢測。通過利用多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法來進(jìn)行檢測，可以將各種諧波的頻率、頻率信號進(jìn)行放大，使故障特征更加明顯，使得技術(shù)人員可以獲取更準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)與資料，進(jìn)而做出正確判斷，并結(jié)合具體情況采取有效措施，為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定有利基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法在實際應(yīng)用的過程中主要是從經(jīng)驗?zāi)┓纸夥椒ㄍ卣苟鴣淼模@種方法可以更加精確的對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行故障診斷，使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在的早期故障可以被有效甄別，并及時采取有效措施，避免旋轉(zhuǎn)機(jī)械問題而引起生產(chǎn)停工。目前，基于多元經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法的旋轉(zhuǎn)機(jī)械早期故障主要有輪斷齒故障、軸承內(nèi)圈故障這兩種，因此在今后開展各項故障診斷的過程中，技術(shù)人員必須要嚴(yán)格按照各個程序來完成檢測，對各項系數(shù)、峭度值進(jìn)行精確計算，只有這樣才可以在最大程度上保證故障診斷的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)較大程度的機(jī)械故障，為生產(chǎn)企業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障檢修與維護(hù)工作提供有利的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。