局部均数分解在旋转机械振动之研究与应用

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1、 局部均数分解在旋转机械振动之研究与应 用 第 1 章 绪 论1.1 研究课题的来源、背景和意义旋转机械在工农业发展中有着极其关键性的作用，也是化工机械 中不可或缺的动设备。随着工业化的需要，旋转机械正在向着高速 化、大型化、智能化发展，因此，通过振动信号来分析设备的运行 状态的要求也越来越高。通过对与局部均值分解相关的文章精读后， 可以看出这种方法的实用性很好，并且具有很好地发展前景，由此 决定了对这个方向的研究。旋转机械运转时，振动信号的成分一般 是非常复杂的，要获得有关旋转机械振动的更精确的振动信息，要 求有更好的处理方法。过去常用的傅里叶变换只适用于对平稳信号 的分析，而对非平稳信号不

2、能达到分析的效果。然而，现在我们通 过传感器获得的振动信息往往都不是平稳的线性的，而且还夹杂着 噪声。现在的分析方法很多，如 WVD 分布、小波分析、独立分量 分析等，但各有其优缺点。WVD 分布实质是线性的，对采集信息 中多分量的应用有交叉项；小波分析又要求选择核函数，不是自适 应的；独立分量分析在通道数少于信号源时不能对信号进行有效分 离等；EMD 虽有很大发展，但还有模态混叠等问题，在此基础上 才产生了本文的方法1-4。正是在这样的背景下，各国对局部均值 分解的研究开始了。在化工过程机械中，我们常见的如离心泵、水轮机和风机等，是 炼油、炼钢企业中极其重要的设备，在设计制造、工作运转中都可

3、 能造成机械损伤，再有就是维修不及时都能造成设备出现故障。这 样不仅会造成企业损失，还可能会酿成巨大的伤亡事件，产生极坏 的社会影响。有美国国家统计局 1980 年的资料，该国工业设备的 修理费用为 2460 亿美元，其中由于维修过剩就浪 费了约 750 亿51；1972 年，德国一电站 500MW 机组的低压转 子发生断裂；日本也是在这一年，海南电厂 600MW 机组轴系断裂 为 17 段6。在我国也同样发生了很多类似的事情，在 1988 年， 秦岭一机组，因主轴断裂就使得亏损了上亿元；仅仅从 1976 年到 1985 年的短暂几年，只化肥五大机组停机就产生了四亿七百五十万 元的亏损7。由实

4、际数据也可以知道，故障的准确诊断是多么的重 要。因此，更好的对振动信号的处理方法是必须的。一个好的分解 方法能帮助我们适时的诊断出机械所隐藏的不明显的故障，也可以更好的诊断出已有的故障。局部均值分解就是其中最先进的方法之 一。因此，研究它可以为我们打下良好的基础，从而不断地促进经 济的发展，人类的进步。1.2 该课题的研究现状目前，在包括化工机械在内的各个行业中，对旋转机械振动的研 究正在国内外迅速的发展之中，产生了许多非凡的成果。因为傅里 叶变换只局限于对平稳信号的分析，而我们测得的振动信号往往都 是非平稳的、多分量的复杂信号，所以各国都在对其进行着积极地 研究。WVD 时频分布的时频特性非

5、常好，但这种方法有交叉项的 干扰，影响我们对真实频率的分析，从而限制了它的应用范围，于 是人们对其交叉项的消除做了许多研究，并取得了一定的成果，如 消除交叉项8等。由于小波分析的时频局部化特性很好，因此，在 旋转机械的故障处理中获得了很大程度的应用，成果是很大的；但 是，同 WVD 分布一样，其实质都是线性的，也还有很多缺点存在， 比如小波基的选择等，而且也不是自适应性的，因此需要寻找更有 效的非线性时频分析方法。之后，又产生了经验模态分解 EMD）， 并在对非线性非平稳信号的分析中取得了很好的效果，现在已经引 起国内外很多学者的关注，在我国也对其中的许多问题进行了研究， 比如端点问题、模态混

6、叠、包络的拟合，还有判据问题等9。国内外目前对故障信号的分析方法还很多，取得的成就也是很大 的，比如盲源分离、原子分解、分形等；另外，将这些方法与其它 方法相结合也会产生相当好的效果，此种研究也很多，如 EMD 与 小波相结合10、EMD 与盲源分离相结合11等，并且取得的效果 也很好。局域均值分解(local mean decomposition ,LMD)首先由 Jonathan. Smith 在 2005 年提出，并首先将其成功的应用于脑电 (EEG)信号的时频分析中12。在国内，程军圣等人在对局域均值分 解进行了研究之后发表了多篇关于 LMD 的论文，并申请了专利13。 在与 EMD

7、对比后，它也显示出了优良的特性，能够很好的处理非 平稳信号。浙江大学博士任达千等人也对 LMD 分解方法进行了深 入的研究。现在，这种较新的时频分析方法受到了很多研究人员的 关注。通过这几年的发展，无论在应用上还是理论上，LMD 的进 展也很大，比如在滚动轴承故障中的应用、端点问题的处理、与盲 源分离相结合来解决欠通道的问题等14-17。但因为该方法提出的 时间还不是很长，还不完善，因此，LMD 这种分解方法还需要人 们去进行更深入的研究分析。第 2 章 旋转机械振动的实验研究要对选择机械做出准确的故障诊断，首先要做的就是振动信号的 采集，然后再对数据进行分析，最后要判断出故障类型，并要对其

8、进行维修。在这个过程中，还有许多需要我们研究的地方。2.1 试验装置简介2.1.1 系统简介本文所用的软件由北京京航公司开发的 HG8904CUSB2.0）多通 道数据采集故障诊断系统。该系统由高性能笔记本电脑、数据采集 箱、传感器等组成，如下图：传感器用于传输振动信号给采集箱， 再用数据线把电脑和采集箱相连，把采集到的振动信息传给电脑进 行分析。数据采集箱有 5 个通道，其中 4 个是振动通道，另一个 为转速通道。传感器有两种类别，一种是加速度型传感器，数量为 4，用于连接振动通道；另一种为光电传感器，用于连接转速通道。 通道连接如图 2-2 所示。该系统可对转子系统、滚动轴承、齿轮箱、 电

9、机等开展运行状况的监测和故障的识别；并且具有很强的现场数 据分析功能，为大型旋转设备，如离心泵、压缩机、风机、电机等 设备的良好运转和维修提供了有力的保障。第 3 章 局部均值分解基本理论的研究. 30-433.1 局部均值分解中的基本概念. 30-343.2 局部均值分解的基本过程. 34-383.3 局部均值分解中基本参数的选择. 38-423.3.1 滑动平滑跨度的选择. 393.3.2 端点的处理. 39-413.3.3 迭代终止条件的选择. 41-423.4 本章小结. 42-43第 4 章 局部均值分解与典型时频处理方法. 43-564.1 局部均值分解与 WVD 的比较研究. 4

10、3-494.1.1 WVD 分析基本原理. 434.1.2 局部均值分解与 WVD 比较. 43-474.1.3 局部均值分解与 WVD 的结合. 47-494.2 局部均值分解与希尔伯特黄变换. 49-554.3 本章小结. 55-56第 5 章 局部均值分解方法的改进. 56-755.1 比较的方法.56-585.2 局部均值分解的有效性. 58-625.2.1 仿真信号 .58-605.2.2 实际信号. 60-625.3 基于分量二次分解的局部均值分解. 62-685.4 基于稳定点的局部均值分解. 68-745.5 本章小结 .74-75结论现在，对于旋转机械故障振动信号的处理方法有

11、很多种，本文研 究了局部均值分解这种比较新的时频处理方法。通过模拟数据、做 试验、工厂实测分析等工作证明了这种方法的可行性；数据对比分 析表明这种方法优于 WVD 分析、HHT 分析等时频处理方法；针 对原方法存在的问题，进行了一定程度上的改进，提高了这种方法 的分解精度和速度，并将其应用到了工程实际中。文中提出的一些 新想法、改进的方法，创新点如下：1）虽然局部均值分解比经验模态分解所受端点的影响较小，但 影响是存在的，为提高精度，提出了新的适合处理局部均值分解端 点问题的方法。2）在局部均值分解求取 PF 分量时，迭代的终止条件不同，所 得到的 PF 分量的数量也不同，选择不当时就可能造成

12、原数据的过 分解，也就是分解出了许多对分析旋转机械故障没用的 PF 分量， 从而造成了资源的浪费，也导致了分解时间增长，不利于现场的实 时分析。因此，本文提出了把分解 PF 分量后的剩余信号和原所测 信号的相关性作为迭代终止的条件，从而在一定程度上改善了这种 分解方法。3）将局部均值分解同 WVD 联合起来可以消除交叉项的影响， 从而保留了 WVD 的优良特性，使它的应用更加广泛。4）针对原局部均值分解方法由于滑动平均造成求取的局部均值 函数和包络估计函数误差大的缺点，提出了基于分量二次分解的局 部均值分解，以此来提高原局部均值分解的精度，以便能更好的掌 握所测信号所携带的选择机械的故障信息，从而对其进行正确的状态监测。5）针对原局部均值分解方法速度慢、精度低的特点，提出了基 于稳定点的局部均值分解，以此使分解的速度和精度提高。使该方 法能更好地处理振动数据，更有效地分离出所测信号中代表旋转机 械故障特征的有效信息。