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1、应用与试验机械研究与应用一基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换在直升机传动系统滚动轴承故障检测中的应用赵焕兴1”，周威1，王光辉1(1 兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰，竹7 3 0 0 0 0；2 中固人民解放军6 1 3 3 0 部队，河南新乡4 5 3 0 0 0)摘要：滚动轴承故障是直升机传动系统常见故障之一，对直升机机械振动信号进行时频分析从而检测出是否存在故障是研究的熟点。该文提出一种方法，即对提取的传动系统滚动轴承振动信号进行共振解调预处理，再进行拉普拉斯金字塔分解，对相应的分解系数进行重构，然后在频谱中检测是否有冲击能量较大的故障频率，从而判断是否存在故障。对比分析结果表明，相对
2、于傅里叶变换、小波变换，本方法对滚动轴承的内环、外环裂纹故障频率。有更好的检测效果。关键词：直升机；传动系统；轴承故障；共振解调：拉普拉斯金字塔变换中图分类号：T H l 3 3 3 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 4 4 1 4(2 0 1 1)0 1 0 0 4 1 0 3R e s e a r c ho nf a u l t sd e t e c t i o no fh e l i c o p t e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mr o l l i n gb e a r i n g sb a s e dO i lr e s o n a
3、n td e m o d u l a t i o na n dl a p l a c i a np y r a m i dt r a n s f o r mZ h a oH u a n x i n 9 1”，Z h o uW e i l，W a n gG u a n g h u i l(1 S c h o o lo fi n f o r m a t i o n$C i 饥C ea n de n g i n e e r i n g，L a n z h o uu r d v e r s i：y，L a n z h o u 7 3 0 0 0 0，C h i n a；2 6 1 3 3 0 础0 b
4、 e r o z o na r m yo o o p s，X i n x i a n gH e n a n4 5 3 0 0 0，)A b s t r a c t：B e a r i n gf a u l t sw e r eo f t e nf o u n di nh e l i c o p t e rt r a n s m i s s i o n D e t e c t i o no fs u c hf a u l t su s i n gt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i si saf o c u sr e s e a r c ht o p i
5、c T h i sp a p e rp r e s e n t san e wf a u l t sd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nr e s o n a n td e m o d u l a t i o na n dL a p l a c i a np y r a m i dt r a n s f o r i B C o m p a r a t i v ea n a l y s i sS H O W St h a tt h i sn e wm e t h o dh a sb e t t e rf a u l td e t e c t i o n
6、r e s u l t st h a nf o u r i e rt r a n s f o r mm e t h o da n dw a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o df o ri n n e rr i n ga n do u t e rr i n gc r a c kf a u l t so fr o l l i 邳b e a r i n g K e yw o r d s：h e l i c o p t e r s；t r a n s m i s s i o n；b e a r i n gf a u l t；r e s o n a n td e
7、m o d u l a t i o n；l a p l a c i a np y r a m i dt l 鼍n s f o n n1 引言直升机传动系统是直升机的关键部件，其性能的好坏直接影响直升机的安全性和可靠性。而滚动轴承是直升机传动系统的主要组成元件，因此快速准确的检测出滚动轴承的故障对直升机的安全具有重要的意义。目前，我国对直升机传动系统的故障检查，主要采取预防性的定期拆卸维修检查，这种检查方式周期长、费用高，难以适应高强度、快节奏的现代战争的需求。因此，监测直升机传动系统振动信号，并对信号进行分析以此来判断是否存在机械故障的方法受到人们越来越多的重视【2】。然而故障特征信息与系统固
8、有振动和噪声相比能量很小，往往被强背景噪声淹没。因此，运用数学分析工具对振动信号进行分析，快速准确的检测出故障信息就成为当前研究的热点。笔者提出一种基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换方法对直升机传动系统轴承的振动信号进行处理，通过检测频谱中是否有冲击能量较大的故障频率，来判断是否存在故障。通过比较傅里叶变换和小波变换的方法对滚动轴承的内外环裂纹故障频率进行检测，取得了较好的检测效果。2 基于共振解调的拉普拉斯金子塔变换介绍2 1 共振解调技术基本原理当滚动轴承存在局部故障时，在轴承运转的过程中，轴承的其他零部件会周期性地撞击故障部位，形成故障振动，由于周期性振动形成的频带很宽，必然包含轴承内外圈
9、、传感器等的固有频率而激起系统的高频固有振动。对包含故障成分的振动信号，根据滚动轴承的固有结构，可以选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来。然后进行包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，便可得到包含故障信息的低频包络信号。2 2 一维拉普拉斯金宇塔变换笔者采取一维拉普拉斯金字塔变换对共振解调后的低频包络信号进行分解和重构，采用正交的分析和综合滤波器组来进行拉普拉斯金字塔频带分解旧J，如图1 所示；采用最优线性重构算法实现相应收稿日期：2 0 1 0 一1 1 0 4作者简介：赵焕兴(1 9 8 1 一)，男，山西平陆人，硕士，研究方向：信号
10、处理。4 1 万方数据应用与i 式验一机械研究与应用一频带的重构引，如图2 所示。此方法在噪声存在的情况下能够取得很好的分解和重构效果。F 是共振解调处理后的低频包络信号，日和G 构成紧支的正交滤波器组，频域变换之和为1，肘是采样序列，一维信号肘=2，F 是重构信号。F图1 拉普拉斯金字塔分解结构低通子带高通子带：三i霎二三三三三三三三三三b卜声酗确t 三竺竺骂H2 3 故障检测原理直升机传动系统滚动轴承故障主要有内外环裂纹、疲劳剥落等故障。直升机正常运转时发动机功率比较稳定，因此滚动轴承的转速基本上保持不变。根据被检测滚动轴承的转速及其固有结构，可以计算出轴承内外环出现裂纹时的故障频率。对测
11、得的滚动轴承振动信号进行共振解调预处理后进行一维拉普拉斯金字塔分解，分解的尺度根据采样频率结合实际情况决定，重构包含故障频率的相应分解层，对重构后的信号进行频谱分析，查找是否有冲击能量较大的故障频率，可以很容易的检测出轴承是否存在故障。3 几种时频分析方法比较目前对滚动轴承振动信号进行频谱分析，采取的方法主要有傅里叶变换法、小波变换法等。傅里叶变换法的缺点是不能准确反映非平稳信号的时变特征，并且在频谱内无法反映时间域信息，在傅里叶频谱中很难检测出冲击脉冲短、能量相对较小的故障频率【4 J。小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力J，缺点是对上一个高通子带进行采样时，其一部分能量会串扰到
12、低频子带上，可能会对轴承的故障频率造成干扰。笔者采取拉普拉斯金字塔变换，输入信号首先经过高斯低通滤波，然后原信号减去低通滤波的结果得到信号的高频分量，最后将低通滤波的结果经过2 次抽取操作，得到分辨率减半的低频分量，这样处理的结果为一个半分辨率的低频子带和一个整分辨率的高频子带。如果需要继续分解，可将刚才经过抽取的低频子带作为原信号带入下一级分解。可以看出，拉普拉斯金字塔算法的结构特点不仅有利于提取不同频段的信号特征而且能够有效避免小波变换中遇到4 2 的频谱串扰现象，因此在轴承故障信号检测中具有一定的优势。4 对比分析为了验证该方法的有效性，笔者采用美国凯斯西储大学轴承实验中心两组典型的轴承
13、故障数据进行分析。凯斯西储大学轴承实验平台由一个额定功率为l。4 7 k W 的电机，被测轴承，安装在不同位置的扭矩传感器，数据采集器，负载和控制元件组成。被测轴承型号为S K F 6 2 0 5 2 R S，在不同轴承的内环和外环，人为的制造直径0 1 7 7 8 0 7 1 1 8 m m 的裂纹，分别测出不同的轴承故障振动信号。笔者选择一组外环和一组内环裂纹故障振动信号，分别用傅里叶变换、小波变换和本文所提出方法对信号进行处理和频谱分析，对比故障频率的检测效果。4 1 对轴承外环故障信号的对比分析验证的轴承故障为外环有直径0 5 3 3 4 m m 的裂纹，轴承转速7,，=1 7 4 8
14、 r m i n，电机输出功率1 4 7 k W，根据S K F 6 2 0 5 2 R S 轴承尺寸，可以计算出此时外环故障频率Z=，1 6 0 3 5 8 4 8=1 0 4 4 H z。传感器采样频率为1 2 0 0 0 H z，为了分析方便截取采样点数3 2 7 6 8 点。傅里叶变换直接对故障信号进行频谱分析；小波变换对故障信号进行d b 4 小波6 层分解，对第6 层高频细节进行重构，对重构后的第6 层高频分量，频带范围9 8 7 5 1 8 7 5 H z，进行频谱分析；笔者采取的方法先对故障信号进行共振解调预处理，然后进行拉普拉斯金字塔6 层分解，重构第6 层高频子带，频带范围
15、9 8 7 5 1 8 7 5 H z，对重构后的第6 层高频子带进行频谱分析。由于误差因素，实际检测出的故障频率和理论计算值稍有偏差，差值在允许范围内。1 0孽5鬟。罂-51 02 0 1 5 0 0墨舢5 0 0O图3 信号s i g I 对比故障频率检测效果图3(a)是外环故障振动信号s i g l；对3(b)是对信号s i g l 进行d b 4 小波6 层分解，对等6 层高频细节万方数据应用与试验机械研究与应用一进行重构，再进行F F T 变换；图3(c)是对信号s i g l 直接进行F F r 变换；图3(d)是对信号s i g l 用笔者提出的方法进行6 层分解，对第6 层高通
16、子带进行重构，再进行F F I 变换。从图3 中可以看出，直接对信号s i g l 进行傅里叶变换，几乎无法检测出故障频率，故障频率被淹没在噪声频率中；对信号s i g l 进行小波变换，然后再进行频谱分析，故障频率检测效果不好，而且出现了频带串扰现象；对信号s i g l 采用本方法处理后再进行频谱分析可以很明显的检测出故障频率，并且克服了频带串扰现象。4 2 对轴承内环故障信号的对比分析验证的轴承故障为内环有直径0 5 3 3 4 m m 的裂纹，轴承转速n l=1 7 5 2 r m i n，电机输出功率1 4 7 k W，根据S K F 6 2 0 5 2 R S 轴承尺寸，可以计算出
17、此时内环故障频率=1 1,l 6 0 3 5 8 4 8=1 5 8 1 H z。传感器采样频率为1 2 0 0 0 H z，仍然截取采样点数3 2 7 6 8 点。同上所述，依次对故障信号进行傅里叶变换求频谱，d b 4小波变换6 层分解重构求频谱，基于共振解调的拉普拉斯金字塔6 层分解重构后求频谱。小波分解第6层高频重构分量和拉普拉斯金字塔分解第6 层高通子带重构分量的频带范围仍是9 8 7 5 H z 1 8 7 5 H z。实测故障频率和理论计算值稍有偏差。从图4 中可以看出，直接对信号s i 9 2 进行傅里叶变换，几乎无法检测出故障频率，故障频率被淹没在噪声频率中；对信号s i 9
18、 2 进行小波变换，然后再进行频谱分析，可以明显检测出故障频率，但出现了频带串扰现象；对信号s i 9 2 采用本方法处理后再进行频谱分析可以很明显的检测出故障频率，并且克服了频带串扰现象。图4 信号s i s 2 对比故障频率检测效果5 结论通过对比分析验证，可以得出结论，对于滚动轴承的内外环裂纹故障振动信号，与传统的傅里叶变换和小波变换相比，笔者提出的方法能更好的检测出故障频率检测。参考文献：1 潘光奇，朱勇直升机传动系统现状和发展综述 J 机械工程学报，2 0 0 9(1 1)：3 3 3 9 2 沈国际振动信号处理技术在直升机齿轮箱故障诊断中的应用 D 国防科学技术大学，2 0 0 5
19、 3 M i n hN D o，M a r t i nV e t t e r l i T h ee o n t o u d e t st r a n s f o r m A ne f f i c i e n td i r e c t i o n a lm u l 酬u t l o ni m a g er e p r e s e n t a t l o n J】I E E E1 m n c t i so ni m a g ep r o c e s s i n g，2 0 0 5(1 4)：2 0 9 1-2 1 0 6 4】林京，屈梁生基于连续小波变换的信号检测技术与故障诊断 J 机械工程学报，
20、2 0 0 0(1 2)：9 5 1 0 0 5 X i nP a n Q i uQ iR u a n P d m p r I n t 即c q 印i t i 帆u s i n gg 丑b o r b|1 8 e dl o c a li n v a r i a n tf e a t u r e s J N e u m e o m p u t i n g，2 0 0 9(7 2)：2 0 4 0 一2 0 4 5(上接第页)数据定量的进行仿真分析。当变速器第一轴输入扭矩为2 1 7 N I n，输入转速为4 0 0 0 r r a i n 时，进行仿真，采用电动机直接驱动时，电机的输出功率与采用
21、回收装置时马达的回收功率曲线及能量回收效率曲线如图3 所示。6 总结根据试验台总体结构的设计，建立了系统的数学模型，根据数学模型在M A T L A B S i m u l i n k 中建立了系统的仿真模型，在建立的变速器功率完备试验系统仿真模型的基础上，从转速转矩变化和系统实现等方面进行了仿真研究和对比分析。仿真结果表明，采用功率完备系统与电动机单独驱动系统相比节能4 5 左右。参考文献：1 李翔晟汽车变速器能量回馈试验系统动态特性仿真 J】中南林业科技大学学报，2 0 0 7，2 7(4)：1 1 6 1 1 8 2 李翔晟用于传动系试验的一种新型节能系统 J 南京林业大学学报，2 0
22、0 3。2 7(5)：6 6-6 8 3 谭尹耕液压实验设备与测试技术(修订版)M 北京：北京理工大学出版社，1 9 9 7 4 陈伯时电力拖动自动控制系统 M 北京：机械工业出版社，1 9 9 9 5 三菱电机株式会社变频器原理与应用教程 M 北京：国防工业出版杜，1 9 9 8 6 路涌祥电液比例控制技术 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 8 7 张志涌精通M A T L A B(6 5 版)M 北京：北京航空航天大学出版社。2 0 0 3 4 3 万方数据基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换在直升机传动系统滚动基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换在直升机传动系统滚动轴承故障检测中的应用轴承故
23、障检测中的应用作者：赵焕兴，周威，王光辉，Zhao Huan-xing，Zhou Wei，Wang Guang-hui作者单位：赵焕兴,Zhao Huan-xing(兰州大学,信息科学与工程学院,甘肃,兰州,730000;中国人民解放军61330部队,河南,新乡,453000)，周威,王光辉,Zhou Wei,Wang Guang-hui(兰州大学,信息科学与工程学院,甘肃,兰州,730000)刊名：机械研究与应用英文刊名：MECHANICAL RESEARCH&APPLICATION年，卷(期)：2011(1)参考文献(5条)参考文献(5条)1.林京;屈梁生 基于连续小波变换的信号检测技术与
24、故障诊断期刊论文-机械工程学报 2000(12)2.Minh N.Do;Martin Vetterli The contourlets transform:An efficient directional multiresolution imagerepresentation 2005(14)3.沈国际 振动信号处理技术在直升机齿轮箱故障诊断中的应用 20054.潘光奇;朱勇 直升机传动系统现状和发展综述期刊论文-机械工程学报 2009(11)5.Xin Pan;Qiu Qi Ruan Palmprint recognition using gabor-based local invariant features 2009(72)本文链接：http:/