專利名稱：一種低速重載設(shè)備微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低速重載設(shè)備故障檢測方法，特別是一種低速重載設(shè)備 微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法。
背景技術(shù)：
低速重載設(shè)備(例如斗輪式堆取料機、水泥回轉(zhuǎn)窯齒圈、工業(yè)挖掘機、 地鐵隧道掘進(jìn)機、水泥磨的傳動設(shè)備、卸煤翻車機、螺旋輸送機、港口卸船 機、門座式起重機、風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱、高爐無料鐘爐頂氣密箱大型回轉(zhuǎn) 支承、鋼包旋轉(zhuǎn)塔、和煉鋼轉(zhuǎn)爐等)是現(xiàn)代工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，若發(fā)生突發(fā)事 故將會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。例如，某廠高爐爐 頂傳動齒輪箱旋轉(zhuǎn)電流升高，布料器多次起停后，旋轉(zhuǎn)電流均超標(biāo)，檢査發(fā)
現(xiàn)大型回轉(zhuǎn)支承軸承被壓潰，高爐被迫停產(chǎn)5天，直接經(jīng)濟損失3000萬以上; 另一煉鋼廠鋼包旋轉(zhuǎn)塔的大型回轉(zhuǎn)支承發(fā)生嚴(yán)重故障無法繼續(xù)使用，更換一 次需8天時間，造成經(jīng)濟損失約為2千萬元。
此類設(shè)備的突出特點是承載量大、工作轉(zhuǎn)速低，運行環(huán)境惡劣，設(shè)備的 振動監(jiān)測信號湮沒在強噪聲信號中。鑒于此類設(shè)備具有上述特點，設(shè)備發(fā)生 故障時，故障產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)頻率較低，而且低頻微弱信號被強噪聲所淹沒， 信噪比也很低，傳統(tǒng)的振動監(jiān)測診斷技術(shù)對于強噪聲低速軸上故障特征準(zhǔn)確 提取很不容易。
隨機共振技術(shù)起源于上世紀(jì)八十年代，在信號處理的增強放大、檢測識 別方面有著獨特的優(yōu)勢，已普遍用于物理、化學(xué)、生命等學(xué)科中。近年來， 利用隨機共振技術(shù)用于周期信號的檢測識別已有很多報道，根據(jù)已有的理論 可知，信號經(jīng)過單級隨機共振系統(tǒng)之后，信號的高頻部分得到有效抑制，能 量轉(zhuǎn)移到低頻中，但是隨機共振系統(tǒng)對于信號的采樣頻率較為敏感，參數(shù)調(diào) 節(jié)一直是隨機共振系統(tǒng)輸出后，信號頻率是否明顯的一個重要因素，而利用 兩個或更多隨機共振系統(tǒng)并聯(lián)作為信息檢測和信號分析技術(shù)還未見到。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，為了徹底解決低速重載設(shè)備故障診斷的難題，提供了一種采用并聯(lián)隨機共振技術(shù)的方法處理監(jiān)測信號，為低速重載設(shè)備故障診斷提 供一種有效的檢測方法。采用本方法能夠檢査出系統(tǒng)的早期故障，減少經(jīng)濟損失。
為實現(xiàn)上述目的，本方法采取如下技術(shù)方案 一種低速重載設(shè)備微弱故 障并聯(lián)隨機共振檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
1) 通過安裝在設(shè)備需檢測位置的振動傳感器提取設(shè)備振動信號，并將該 信號放大濾波后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
2) 對步驟l)中得到的數(shù)字信號分別輸入相互并聯(lián)的各層隨機共振系統(tǒng) 進(jìn)行隨機共振處理；
3) 對各層隨機共振系統(tǒng)處理后的輸出結(jié)果利用自相關(guān)方法分別進(jìn)行自相 關(guān)處理；
4) 對自相關(guān)處理后的各層隨機共振系統(tǒng)的輸出相加后求均值，得到并聯(lián) 隨機共振系統(tǒng)總的輸出時域波形和頻譜圖，從時域波形和頻譜圖中提取出故 障信號微弱特征，確定故障類型。
所述的各層隨機共振系統(tǒng)為根據(jù)隨機共振理論，對周期信號與噪聲共同 作用的雙穩(wěn)系統(tǒng)i; = a;c — fee3 +爿cos欣+ "(0
式中"6為雙穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，x為雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出，Xcos^ + M(0為雙 穩(wěn)系統(tǒng)輸入信號，Jcosw為周期信號，"(/)為均值為0、噪聲強度為D的白噪 聲。
各層隨機共振系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)"、6不同。
與現(xiàn)有的檢測方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠有效檢測出系統(tǒng)早期微 弱故障特征，弱化了隨機共振系統(tǒng)對參數(shù)調(diào)節(jié)的要求，并采用自相關(guān)技術(shù)對 隨機共振系統(tǒng)的輸出進(jìn)一步提高其信噪比，從而豐富了低速重載設(shè)備故障診 斷的內(nèi)容，保障了設(shè)備的安全可靠運行。


圖l是本發(fā)明的工作流程圖
圖2是本發(fā)明并聯(lián)隨機共振工作原理圖
圖3是本發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障(原始信號)波形圖 圖4是本發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障(原始信號)頻譜5是本發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障用并聯(lián)隨機共振檢測方法處理后 的波形圖
圖6是本發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障用并聯(lián)隨機共振檢測方法處理后
的頻譜圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖l本發(fā)明的工作流程圖，通過加速度傳感器提取設(shè)備早期故障的振動 信號，再將其經(jīng)放大器放大后濾波，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號，然后 再送入并聯(lián)隨機共振模塊處理。
圖2是本發(fā)明并聯(lián)隨機共振工作原理圖，其具體的算法流程如下
1) 將由圖1中模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號分別傳入n層并聯(lián)的各隨機共振系 統(tǒng)(本實例中『4)，根據(jù)隨機共振理論，對周期信號與噪聲共同作用的雙穩(wěn) 系統(tǒng)-
i = ax — 6x3 +爿cos^ + w(O
式中"6為雙穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，；c為雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出，XcosW + "(/)可看 作雙穩(wěn)系統(tǒng)輸入信號，」c。sw為周期信號，"(0為均值為0、噪聲強度為D的
白噪聲。
本實施例中，并聯(lián)隨機共振中各層隨機共振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)a、 b不同， 不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)"、6會使雙穩(wěn)系統(tǒng)對同樣的輸入信號產(chǎn)生同周期但幅值 相位不同的輸出信號:c。
至此，本實施例中的4級隨機共振系統(tǒng)可得到4個包含同周期但幅值不
同的信號X!，X2，X3，；C4 o
2) 對步驟l)得到的四個信號a， x2， x3， x,分別進(jìn)行自相關(guān)處理。x(O 的自相關(guān)函數(shù)定義為<formula>formula see original document page 5</formula>其中，r為信號柳的觀測時間，^W描述了;c(/)和x("r)之間的相關(guān)性。
自相關(guān)是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關(guān)運算達(dá)到去除噪 聲的目的。由自相關(guān)函數(shù)的基本性質(zhì)可知，經(jīng)過自相關(guān)處理之后的信號，丟失所有相位信息。因此，由所述步驟1)獲得的各層隨機共振處理后輸出的A， x2， x3， x,經(jīng)自相關(guān)處理后變換成為同周期同相位的信號^々)，^2(r)， &(r)，W)。
3)將步驟2)中的4層的同周期同相位信號相加后求均值后輸出
從輸出信號的波形及其頻譜圖提取故障信號的微弱特征，從而確定故障 類型。
圖3、圖4分別是本發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障(原始信號)波形 圖和頻譜圖。在此實施例中，并聯(lián)隨機共振模塊的層數(shù)"=4。圖5、圖6是本 發(fā)明實現(xiàn)的低速重載設(shè)備軸承故障用并聯(lián)隨機共振檢測方法處理后的波形圖 和頻譜圖。對比可看出，原始信號中微弱故障周期信號2.93Hz成分完全無法 辨識，經(jīng)過本并聯(lián)隨機共振系統(tǒng)之后，2. 93Hz成分被有效的提取出來，實現(xiàn) 了低速重載設(shè)備微弱信號的早期診斷，保障了設(shè)備的安全可靠運行。本發(fā)明 技術(shù)可以解決其他方法對低速重載設(shè)備機械故障識別不準(zhǔn)確的問題。
本發(fā)明將多個隨機共振系統(tǒng)并聯(lián)，并聯(lián)的每個獨立子系統(tǒng)都使得信號的 能量向低頻集中，子系統(tǒng)的隨機共振輸出合并起來提取其中相同的頻率成分， 達(dá)到了增強信噪比的目的。
權(quán)利要求
1、一種低速重載設(shè)備微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)通過安裝在設(shè)備需檢測位置的振動傳感器提取設(shè)備振動信號，并將該信號放大濾波后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；2)對步驟1)中得到的數(shù)字信號分別輸入相互并聯(lián)的各層隨機共振系統(tǒng)進(jìn)行隨機共振處理；3)對各層隨機共振系統(tǒng)處理后的輸出結(jié)果利用自相關(guān)方法分別進(jìn)行自相關(guān)處理；4)對自相關(guān)處理后的各層隨機共振系統(tǒng)的輸出相加后求均值，得到并聯(lián)隨機共振系統(tǒng)總的輸出時域波形和頻譜圖，從時域波形和頻譜圖中提取出故障信號微弱特征，確定故障類型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低速重載設(shè)備微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法， 其特征在于:所述的各層隨機共振系統(tǒng)為根據(jù)隨機共振理論，對周期信號與噪 聲共同作用的雙穩(wěn)系統(tǒng)i: = ox -虹3 + j cos W + "0)式中a、 6為雙穩(wěn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，；c為雙穩(wěn)系統(tǒng)的輸出，^cos紐+ "(,)為雙 穩(wěn)系統(tǒng)輸入信號，^os紐為周期信號，《)為均值為0、噪聲強度為D的白噪 聲。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低速重載設(shè)備微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法， 其特征在于各層隨機共振系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)"、6不同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低速重載設(shè)備微弱故障并聯(lián)隨機共振檢測方法，可用于檢測設(shè)備微弱故障信號。該方法通過安裝在設(shè)備需檢測位置的振動傳感器提取設(shè)備振動信號，并將該信號放大濾波后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后使用并聯(lián)隨機共振方法處理后輸出?？蓮妮敵鲂盘柕牟ㄐ渭捌漕l譜圖提取故障信號的微弱特征，從而確定故障類型。該方法結(jié)合了隨機共振方法和自相關(guān)處理方法，可有效提取出低速重載設(shè)備中的早期微弱故障特征信號，提早發(fā)現(xiàn)故障隱患。
文檔編號G01M7/00GK101539472SQ200910083309
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者輝 葉, 兵 周, 宮能春, 崔玲麗, 海 常, 李建設(shè), 李文斌, 燕 王, 胥永剛, 馬海龍, 高立新 申請人:北京工業(yè)大學(xué)