瞬态成分参数的最小二乘法辨识及其轴承故障特征提取应用

机械系统中轴承出现剥落、裂纹等局部故障,运行时振动信号中出现瞬态冲击响应成分,可通过瞬态成分的检测与提取实现故障特征提取。在瞬态成分建模的基础上,提出基于最小二乘法的瞬态成分参数辨识方法,并将其应用于轴承局部故障时振动信号中瞬态成分特征迭代提取。基于Morlet小波参数化表达式建立双边不对称的瞬态成分模型,应用Levenbery-Marquardt方法辨识模型参数,迭代提取信号中的瞬态成分,并通过Wigner-Ville分布获得瞬态成分高聚集性且瞬态成分之间无交叉项的故障特征时频表示。将基于最小二乘法的瞬态成分参数辨识方法应用于轴承局部故障特征提取,结果表明:该方法能通过参数辨识提取各瞬态成分,瞬态成分时频分布将故障的时频特征以高聚集性且瞬态成分之间无交叉项的形式表示出来,从而有效提取轴承故障特征。     

基于多普勒调制时移 Laplace 小波的列车轴承故障声 信号瞬态成分快速提取方法

提出了一种基于多普勒调制时移Laplace小波的列车轴承故障声信号瞬态成分快速提取方法,包含“先粗后精”两个步骤：1)瞬态参数粗估计,利用现有的多普勒调制等周期Laplace小波模型粗略估计瞬态参数;2)参数精确估计与瞬态成分提取,构造多普勒调制时移Laplace小波模型,使用逐个匹配的策略进行瞬态参数精确估计和瞬态成分的提取。所提方法具有以下优点：1)更高的精度,使用的多普勒调制时移Laplace小波模型在时域内仅有一个时延参数定位的小波成分,能够解决周期瞬态模型在提取伪周期瞬态成分时匹配误差问题;2)高效率,由于使用了周期瞬态模型粗略估计瞬态成分参数,因此在瞬态成分逐个提取的过程中小波参数的范围可以设的很小,实验对比分析结果显示,与直接提取方式相比效率提高了71.46%。本研究提供了一种从含有多普勒畸变的列车轴承故障声信号中精确地、高效率地提取瞬态成分的方法。     

一种Hilbert变换法在非线性系统分析中的应用

Hilbert变换是信号处理领域常用工具之一,将Hilbert变换法改进并应用到信号分解和非线性系统振动分析中。振动信号的多谐波性,使得Hilbert变换法提取信号的瞬时频率和瞬时相角可以通过滤波的方法分离成快变和慢变两部分,从而提取系统的振动分量;通过迭代计算,依次获得振动信号中所有谐波分量;将非线性振动方程用瞬态幅值相关的瞬态参数表示,从而求解系统的频响关系曲线方程。通过相应的数值模拟计算,验证了改进的Hilbert变换法在非线性振动分析的有 效性。     

在时域中单独利用响应数据进行模态分析

对于工程中的一些大型结构，很难测得激励信号，这时就只能单独利用实测响应数据对结构进行动态特性分析。针对这一情况，推导出互相关复指数法和互相关差分模型两种多参考点时域法，然后将它们应用于一飞机模型进行模态识别。试验结果表明，互相关复指数法比互相关差分模型能够更精确地单独从实测响应数据提取结构的模态参数。     

基于瞬态分析法的轮盘制动系统摩擦自激振动研究

在制动噪声的有限元分析方法中,复特征值方法预测得到的不稳定频率过于保守,而瞬态分析方法在理论上可以得到较为真实的不稳定频率。考虑制动闸片与制动盘接触点间的摩擦力耦合作用,基于建立的高速动车轮盘制动系统的有限元模型,采用瞬态分析法对高速动车轮盘制动系统进行摩擦自激振动分析,并与复特征值分析法得到结果的进行比较。结果表明,接触面间法向接触力的振动主频与闸片法向振动的主频一致;制动系统瞬态动力学分析得到的振动主频与其复特征值分析得到的不稳定频率基本相符。     

基于自适应时频分解的瞬态冲击信号提纯

在分析非平稳振动信号中瞬态冲击信号和平稳振动信号各自特点的基础上,发展了新的提纯机械故障冲击成分的信号处理方法。首先选择Chirplet基函数将被分析信号自适应展开,得到噪声抑制,高分辨率且无交叉干扰项的自适应时频谱,然后分别使用了两种方法从自适应时频谱中恢复出瞬态冲击分量。一种是采用振动冲击信号模型的时频分布去逼近时频滤波后的冲击分量时频分布,继而借助信号模型重构出冲击分量;另一种是根据冲击信号的Chirplet基函数的参数表达特征,直接选择所需基函数对冲击分量进行重构。最后,采用这两种方法分别对齿轮和轴承的故障信号进行分析,分析结果验证了这两种方法对瞬态冲击信号提取都非常有效,在机械故障诊断中有很大的参考价值。     

基于振动信号分析的数控机床自动换刀系统故障诊断研究

以加工中心圆盘式刀库机械手自动换刀系统为研究对象,采用Laplace小波构造参数脉冲字典,利用分裂增广拉格朗日收缩算法求解稀疏表示系数,提取自动换刀循环过程中振动信号的瞬态特征,并用频率、阻尼比、发生时刻等参数表征,实现了系统故障特征的精确提取,提高了自动换刀系统状态分析和诊断的精确性,延长了自动换刀系统的正常工作时间,提升了系统的可靠性。     

柴油机SCR瞬态参数采集处理与诊断系统

基于尿素SCR系统瞬态特性,开发了适合柴油机SCR瞬态参数的测试与诊断系统;采用DASYLab软件,编写了接口、标定与诊断程序,实现了SCR系统信号显示、存储与再现等功能;依据遍历跟踪与诊断程序,实现了对柴油机SCR系统瞬态特性参数的在线测试与诊断;依据柴油机瞬态测试循环法规,进行了柴油机SCR系统的NOx转化效率、尿素喷射量和NH3泄漏量等测试与诊断试验。结果表明:与标准的AVL测试系统(AVL CBE-Ⅱ气体排放分析与测试系统)相比,所研发的系统动态最大误差为2.05%,动态平均误差为0.82%,故障诊断精确率达到了98.6%,能满足柴油机SCR瞬态测试循环要求。     

基于有限脉冲响应模型的飞机磁场补偿方法

通过分析飞机磁场数学模型,将飞机磁场表示成方向余弦与其乘积项的函数.鉴于模型参数之间存在很强的复共线性,提出了基于有限脉冲响应模型飞机磁场补偿方法.该方法将光泵磁强计和三轴磁强计的输出作为有限脉冲响应模型的输入,由带通滤波器提取信号中的变化成分,再用最小方差估计有限脉冲响应模型参数,并利用有限脉冲响应模型参数计算飞机磁场.从测量总磁场中减去飞机磁场,可得到目标信号磁场数据.最后,通过计算机仿真验证了该磁场补偿方法的有效性.     

自适应改进双树复小波变换的齿轮箱故障诊断

针对双树复小波变换存在频率混叠以及参数需自定义的缺陷,提出自适应改进双树复小波变换的齿轮箱故障诊断方法。首先,利用双树复小波变换将信号进行分解和单支重构,采用粒子群算法将分解后分量峭度值作为适应度函数,选择双树复小波的最优分解层数;其次,对重构出的低频信号进行频谱分析提取故障特征,将单支重构后的各高频分量进行变分模态分解,通过峭度值获得各高频分量经变分模态分解后的主频率分量信号;最后,分析各主频率分量信号的频谱,识别齿轮箱的故障特征。结果表明,该方法与双树复小波变换和变分模态分解相比,不仅消除了频率混叠现象,提高了信噪比和频带选择的正确性,而且还提高了从强噪声环境中提取瞬态冲击特征的能力。     

Research of high-resolution vibration signal detection technique and application to mechanical fault diagnosis

Bilinear time–frequency transformation can possess a simultaneous high resolution both in the time domain and the frequency domain. It can be utilised to detect weak transient vibration signals generated by early mechanical faults in complex background and thus is of great importance to early mechanical fault diagnoses. It has been found that the spectrogram has low resolution, and there is strong cross-terms in Wigner–Ville distribution and frequency aliasing and information loss in Choi–Williams distribution (CWD). Hence, they cannot achieve satisfied transient signal detection results. To enhance the capability of detecting transient vibration signals, based on the analysis of exponent distribution, this paper presents some novel alias-free time–frequency distributions. These distributions can avoid the information loss in CWD while suppressing the cross-terms. Moreover, they have high simultaneous resolutions in both the time and frequency domain. Digital simulation and gearbox fault diagnosis experiments prove that these new distributions can effectively detect transient components from complicated mechanical vibration signals.     

基于ARMAV模型的结构参数辨识

根据激振信号{ft}和响应信号{xt}建立二维时序模型ARMAV(n,m,2),利用时序模型参数与模态参数的对应关系对结构进行模态参数辨识,识别出所有的模态参数,并根据时序模型参数进行功率谱估计。通过对电子机柜横梁的激振实验,表明用该种方法对结构参数的识别结果与理论值很吻合,可以在工程实际中对整个电子机柜结构进行参数识别,并可以得出功率谱图。     

Detection and monitoring of crack in a coast-down rotor supported on fluid film bearings

A Jeffcott rotor with a transverse crack has been considered in the present study. Equations of motion for transient response have been developed and dynamic analysis has been carried out to consider the effects of fluid film bearings. The coast-down phenomenon was analysed by considering the dissipation through the journal film and by evaluating the deceleration for each speed. Characteristic sub-critical response peaks have been found when the cracked rotor decelerates through its critical speed. The continuous wavelet transform (CWT) has been used as a tool to extract the above sub-harmonics from the time domain signals. The use of CWT has been suggested for crack detection and monitoring in a rotor system coasting down through its critical speed.     

时频非平稳地震动模型及结构随机振动应用

地震动具有显著的时域和频域非平稳性,传统的均匀调制地震动模型不能充分表征时频两域的非平稳性,并影响结构随机振动分析的精准度。为了克服上述不足,建立由多峰平滑包络和非平稳噪声信号点乘而成的非均匀调制地震动模型,该模型能够在时域上充分反映地震动的波动和衰减特性,同时其频谱特征也与真实信号相接近。在此基础上,建立同时以时间和频率为变量的非平稳地震动演变谱随机模型。分析结果表明,以上两种模型在时域和频域的合成精度上均优于均匀调制模型。针对以上地震动随机模型的形式和特点,对传统结构随机振动响应求解方法进行改进。通过算例证明,按照均匀调制模型计算结构随机响应不能充分获得结构时频域的非平稳特性且结果偏于不安全,而利用两种改进模型可以获得更精确的结构响应概率特征和更细致的非平稳性演变过程。     

大型索网反射面天线空间动力学分析

大型可展开索网反射面天线是目前较为理想的天线结构形式。由于其自身的结构特点以及复杂的空间环境因素,天线在运行时易产生大幅度振动变形,严重影响卫星的稳定运行。文中以某星载大型可展开索网反射面天线为切入点,对其进行了空间动力学分析。针对天线与中心刚体之间的多体动力学刚–柔耦合问题,首先根据模型分析参数建立了卫星–天线–太阳翼的星体系统模型,然后对该多体动力学模型系统进行了模态分析和瞬态动力学响应分析,从频域和时域上分析其振动特性,并分析了天线网面的形面精度随时间的变化规律。     

Hilbert-Huang Transform (HHT) transient analysis of composite panel undergoing high-velocity impact

Fast Fourier transform (FFT) has been widely used to analyze distribution patterns of frequency components in dynamic response signals. Given a stationary dynamic response signal, a fixed frequency distribution pattern can be obtained efficiently using FFT. If the system of concern is not stationary, however, the frequency distribution pattern varies with time, and the variation in that pattern cannot be effectively determined via FFT. To overcome this weakness, time-frequency dual-domain signal analysis methods such as wavelet transform and Hilbert-Huang transform (HHT) have been introduced. HHT has been shown to be particularly effective in analysis of non-stationary signals obtained from non-linear as well as linear systems. In the present study, the transient characteristics of a composite panel undergoing high-velocity impact were investigated. The composite panel, along with the colliding bullet, were modeled using the finite element method. To verify the reliability of the analysis model, an impact experiment was carried out, which proved that the model provides reliable, similar-to-experimental results.     

基于阶次双谱的齿轮箱升降速过程故障诊断研究

针对齿轮箱升降速过程中振动信号非平稳的特点，将常规的阶次分析与双谱分析技术相结合，提出了基于阶次双谱的齿轮箱故障诊断方法。首先对齿轮箱升降速瞬态信号进行时域采样，再对时域信号进行等角度重采样，转化为角域平稳信号，最后对角域重采样信号进行双谱分析，就可提取轴承的故障特征。通过对轴承内圈故障实验信号的分析表明，该方法能有效地识别轴承的故障。     

基于第二代小波变换的转子碰摩故障特征提取方法研究

为了能够提取隐含在振动信号中的故障特征,利用第二代小波对称、紧支撑和冲击振荡衰减的特点,有效地提取具有冲击响应特性的故障特征。实验证明,即使采用较小支撑区间的此类小波,也可获得理想的效果。另外,为了获得与原始信号相同的时间分辨率,采用单支重构的方法分别对逼近信号和细节信号处理,得到了转子碰摩故障的时域响应特征,为故障诊断和预示提供了一种分离故障时域特征的方法。     

基于状态反馈线性化的阀控非对称缸系统模型预测控制

针对使用PID方法对阀控非对称液压缸位置控制中出现的超调问题,以及传统非线性模型预测控制优化求解计算时间较长的问题,提出了一种基于状态反馈线性化的阀控非对称缸模型预测控制方案。首先建立了阀控系统状态空间模型,运用微分几何理论讨论系统可反馈线性化的充要条件,并将非线性系统映射为新坐标空间内的线性系统模型;设计了反馈线性化模型预测控制器(Feedback Linearization Model Predictive Controller, FLMPC),讨论了线性系统下的约束问题,其中由于系统仿真预测时域远小于系统响应时间,对模型预测控制的损失函数加以修正。结果证明,在相同输入情况下,反馈线性化系统与原系统的位置误差满足控制需要,且在保证被控对象快速稳定控制的条件下,对比该算法与非线性模型预测控制的单步计算时间,证明该算法能够缩短计算时间。