时频分析阶比跟踪技术

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1、2009_年5月重庆大学学报(自然科学版)Vo1．25No．5第25巷第5期JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)May．2O02文章编号：1000—582X(2002)05—0017—04时频分析阶比跟踪技术郭瑜，秦树人，梁玉前(重庆大学机械学院测试中心，重庆4OO044)摘要：旋转机械运转时其旋转部件引起的故障，其产生的振动和噪声所表现出的特征和轴的转速有密切关系。在这类故障的特征分析中，使用阶比谱分析比一般的频域分析更具有优势。文

2、中对两种典型的阶比跟踪法进行了较为系统的论述。在此基础上提出并介绍了正在研究的时频分析阶比跟踪技术，时频分析阶比跟踪技术用纯软件的方法实现阶比跟踪，是对原有技术的有力补充，特别适合于虚拟测试仪器发展的要求，有很好的应用前景。关键词：旋转机械；阶比跟踪；时频分析；虚拟仪器中图分类号：THll5文献标识码：A振动分析是旋转机械现代状态监测和故障诊断的于非平稳信号，并不直接满足傅立叶变换对信号的平重要组成部分。旋转机械运转时其旋转部件引起的故稳性要求，因此严格说来并不适合用常规的频谱分析障，如轴的缺陷，齿

3、轮、轴承的磨损、失效等，其产生的振法分析，若人为地在应用中将这类信号假定为平稳信动和噪声所表现出的特征和轴的转速有密切关系。在号进行分析必然会导致较大的误差甚至错误。这类故障的特征分析中，使用阶比谱分析比一般的频域对非平稳信号的分析需用专门的非平稳信号的分分析更易于检测出和转速相关的振动信号。作者对阶析技术，近年来在这一领域的研究很多，常见的有短时比谱分析极其实现方法作了较为系统的介绍，并在此基傅立叶变换(STrX)、Gabor变换、Wigner—Ville分布、小础上提出了崭新的时频分析阶比跟踪技

4、术，为正在开发波变换(WT)和阶比分析等，而在对旋转机械的振动分的虚拟旋转机械特征分析仪的实现奠定了基础。析中，其信号与机器的转速有密切关系，采用阶比分析更具优势。阶比代表每转的循环次数(也可理解为对1阶比分析应转速的倍数，例如某信号的振动频率为对应转轴旋1．1提出阶比分析的背景转频率的4倍，则其阶比为4)，可很好地表示和转速出于经济和安全的考虑，状态监测成为许多复杂有关的振动。过程的基本组成部分。状态监测系统必须计算高效并1．2阶比谱分析仿真可靠，以使被监测对象的故障保持在最低水平。振动在如下示例

5、中仿真了一个频率厂随主轴转速n变化分析是机械状态监测中常用的方法，通过分析机械设的变频振动信号(例如旋转机械启动升速阶段)，为简化，备运行时产生的振动信号的谱的成分，可作为被监测设其幅值恒为1，且频率与时间、转速有如下关系：对象当前状况的评判依据。旋转机械的振动信号和转信号：(t)=sin2rct，式中：频率f(t)=2tHz；转速有关，因此就如在频域中使用频率一样，在旋转机械速：n(t)=60×_厂(t)rpm。振动信号分析中经常使用到阶比这个概念。说明：1)采样触发速度为n=300rpm(f=n

6、／60振动信号的谱分析通常是将时间波形变换到频3．33Hz)，即当转速达n=300rpm时开始采样，共域，进而提取状态监测所需的特征参数；所用到的谱估采样1024点，如图1(a)、(c)所示；FFTr算法中所用信计技术一般是基于振动信号时间序列的离散傅立叶变号不加窗(相当于加宽度为1O24点的矩形窗)，由于对换(DFF)，而在原理上DFr仅实用于稳定信号。旋转时域信号非整周期截断，对应谱图中存在能量泄漏；谱机械运行时，其转速在严格意义上是波动的，特别在为单边功率谱。2)在频域分析中常规等间隔采样，采

7、升、降速阶段尤其明显，这些状态下对应的振动信号属样频率为250Hz；阶比分析中取最大分析阶比为6，则-收稿日期：2O02—02—12作者简介：郭瑜(1971一)，男，云南昆明人，昆明理工大学讲师，重庆大学博士研究生，主要从事现代测试技术与虚拟仪器技术的研究。18重庆大学学报(自然科学版)20o2年对应信号的采样率为12点／转，即轴(或信号相位)每变化7【／6弧度采1个值；r——————÷I由图1不难发现，该信号用常规的频域分析法分l键相信号振动信号析时，会产生“频率模糊”现象，原因是：该时域采样信l

8、If号是一非稳定信号，由图1(a)可清晰地看出在1024个采样点显示的波形中频率是逐渐增加的，而用DFT计算时，总是假设窗内的信号是稳定的，得到的谱线反映的是在窗内信号所有的频率成分，于是窗中信号频率变化造成了“频率模糊”，如图1(b)。显然这一假设对此类信号是不成立的，由此可见用常规频域分析法图2传统阶比跟踪原理不适合分析变速机械的振动信号。与此形成鲜明对比用，通常有一个转速间隔的延时，因此，采样速率的调的是基于等角度采样的阶比分析可以得到很好的结整滞后两转。在正常