機械設備故障診斷中循環平穩信號處理的應用
科技專論
作者：季建勝
【摘要】循環平穩信號處理技術的引用，豐富了機械設備處理的內容量。本文概括了循環平穩信號處理的研究情況和特點，分析了這樣的方法存在的部分問題，最後在結尾部分點明了這項新技術的應用問題和在機械設備故障中的發展前景。
【關鍵詞】循環平穩；故障處理；應用
機械設備信號的特征提取法一般分為兩種，第一種是穩態信號的處理方法。非常典型的有離散頻譜分析法和頻率細化分析法等。這種處理方法相對很成熟，應用的範圍也是非常廣泛。第二種是非平穩信號的處理方法。非常典型的有轉速跟蹤法和Wigner-Ville分布法等，循環平穩和高階譜等分析方法的引用，使得循環平穩的分析方法有了非常大的進步，為社會帶來了一定的經濟效益，但是其中存在的問題，也是我們最為關注的。
一、循環平穩信號處理的簡單介紹
循環平穩信號，就是在統計特征函數的時候會出現周期性的變化。這種信號在實際應用中有著非常重要的意義。通常來講，平穩信號的出現都有一定的普遍性，當統計係統統計特征函數的時候，可以利用單次記錄的時間平均值代替平均集合，這一點很適用現場生產數據的收集。但是對於非平穩的時間序列，統計特征是隨意變換的，因此我們就沒有辦法用上述特征判斷。循環平穩信號因為自身獨特的平穩特征，使得單次收集到的數據都有一定的普遍性，因此適合現場數據的處理和分析。
循環平穩信號廣泛應用在通訊、機械等係統中。比如在機械滾動軸承中出現的反複機械的振動的信號。我們以滾動軸承為例子，當滾動軸承發生故障的時候，因為機器周期性的旋轉和周圍因素的幹擾，使其產生複雜的震動信號，這種振動信號也存在部分的隨機信號。對於隨機信號，我們通常認為是有規律的，因此對這種隨機信號進行循環平穩的分析，有效的提取出被噪聲埋沒的周期成分。循環信號處理技術在機械中的應用，對於機械故障診斷有著至關重要的意義。
二、循環平穩信號的具體應用
1、一階循環統計量的應用。這項內容主要包括了一階循環矩。通過分析一階循環矩的具體分析機理，我們建立一套具備噪聲幹擾的增幅振動信號的模型，分別進行四組不同的仿真實驗。通過實驗數據的顯示，我們發現在旋轉機械係統中的調幅信號存在循環平穩的特征，利用非平穩信號的循環平穩性，加上一階循環矩的具體分析，我們可以有效的提取出信號在部分噪聲幹擾的情況下的規律性頻率。之後我們對一階循環平穩信號進行了有效的升級，提出了雙向同步平均法，用的就是一階循環矩來表示狀態特性，針對變速箱齒輪的振動信號進行有效的分析，結果證明不單單可以反映出齒輪的齧合情況，還可以檢測出齒輪存在缺陷的振動信號。循環均值不具備一定的解調性能，不會很好的分離出多種調製類機械振動的有用信號，因此這一項技術在機械設備故障的診斷中應用不是很廣泛。一般情況下都是通過小波分解、幅值的手段分析處理。
2、二階循環統計量的應用。這項技術主要包括的有循環譜密度函數和循環平穩度等。在研究二階循環統計量的基礎之上，我們對比了二階循環係統統計量的分析和傳統方法的比較。第一種分析方法：通過分析故障滾動軸承的振動信號，指出了各自存在的優勢和缺陷。循環信號的處理作為一種強大的工具，對於旋轉機械的故障判斷和分析具有很高的精準度。指出了變速箱的振動信號也具有一定的二階循環平穩性，這個信號譜的相關密度函數可以有效的識別振動的參數，通過對齒輪箱故障振動的實驗，我們得出和驗證了這項結論。第二種分析方法：分析包絡和統計量譜的密度在故障設備中的區別和聯係，研究表明了額循環譜的密度在頻率軸承上的顯示可以很好的顯示出故障的特征。與此同時，還證明了積分譜的密度和包絡譜之間的等價關係，從而對包絡譜的理論進行補充。循環密度函數方法和平方包絡解調方法都可以通過引入的循環平穩信號進行相關的解調。通過試驗數據的結果分析，指出平方包絡分析中因為構造了一定的解析函數，使得數值平方和循環導致的混疊效應得到了很好的抑製。第三種分析方法：從機械振動信號的角度證明多循環平穩、純循環平穩的概念，還有就是和周期的過程、平穩過程之間的關係。常見的采樣方式有兩種：等時間采樣和等角度采樣。這兩種采樣方法分別研究了他們的循環的平穩性，得出不一樣的循環平穩的條件。文中理論證明了當旋轉機械等角度采樣得到的振動信號的時候，隻要是轉速的波動為循環平穩的時候，那麼等時間采樣的信號也屬於循環平穩的信號。鑒於循環平穩在旋轉機械中的廣泛存在性，應該打破常規的平穩假設，在循環平穩的基礎之上研究旋轉機械的振動信號更加切合實際。我們以齒輪、內燃機和滾動軸承的三種機械的比較，通過研究旋轉機械將平穩的類型非為三類，多循環平穩、簡單平穩和準循環平穩，由此形成了初步的平穩模型。第四種分析方法：時變幅值信號的處理方法。在已經給定的時變幅值信號模型的基礎之上，我們論證了這個模型具備循環平穩的特征，通過相關的研究得出，時變幅值信號的二階循環統計量能夠有效的分離調製頻率和載波頻率。