包絡(luò)解調(diào)法與診斷（DEMO）

1、 包絡(luò)解調(diào)法及其診斷 包絡(luò)解調(diào)法是故障診斷中較常用的一種方法，它可非常有效地識(shí)別某些沖擊振動(dòng)。從而找到該沖擊振動(dòng)的振源。例如，當(dāng)軸承或齒輪表面因疲勞或應(yīng)力集中而產(chǎn)生剝落和損傷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性的沖擊振動(dòng)信號(hào)，如圖425所示。從圖425個(gè)可以看出，信號(hào)包括兩部分：部分是載頻信號(hào)，即系統(tǒng)的自由振蕩信號(hào)及各種隨機(jī)干擾信號(hào)的頻率，是圖形中頻率成分較高的信號(hào)；第二部分是調(diào)制信號(hào)，即包絡(luò)線所包圍的信號(hào)。它的頻率較低，多為故障信號(hào)。 因此若要對(duì)故障源進(jìn)行分析，就必須把低頻信號(hào)(或調(diào)制信號(hào))從高頻信號(hào)(或載頻信號(hào))中分離出來(lái)。這一信號(hào)分離、提取過(guò)程，被稱為信號(hào)的包絡(luò)解調(diào)。對(duì)分離提取出來(lái)的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行特征頻率和幅

2、度分析，就能準(zhǔn)確可靠地診斷出如軸承和齒輪的疲勞、切齒、剝落等故障。目前分析高頻沖擊的有效方法之一是共振解調(diào)(包絡(luò)處理)，即取振動(dòng)時(shí)域波形的包絡(luò)線，然后對(duì)包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析。由于包絡(luò)線處理可找出反復(fù)發(fā)生振動(dòng)的規(guī)律，根據(jù)軸承的特征頻率，就可診斷出軸承或齒輪故障的部位。研究表明，當(dāng)軸承或齒輪無(wú)故障時(shí)，在共振解調(diào)頻譜中沒(méi)有高階譜線;有故障時(shí)，共振解調(diào)頻譜中出現(xiàn)高階譜線。 當(dāng)齒輪發(fā)生疲勞裂紋時(shí)，齒輪剛度的變化會(huì)引起齒輪振動(dòng)噪聲信號(hào)瞬時(shí)頻率(相位)和幅值的變化。但裂紋由于只影響齒輪剛度，齒形無(wú)大變化，故振動(dòng)噪聲信號(hào)在頻域中無(wú)明顯征兆，因此頻譜分析對(duì)裂紋診斷基本無(wú)效?？刹捎脮r(shí)域平均法分析。如果齒輪同時(shí)存在其

3、它類(lèi)型的故障，則時(shí)域平均法的可靠性不高。此時(shí)可試用希爾伯特變換或自適應(yīng)濾波技術(shù)提取相位信息，也可試用共振解調(diào)分析技術(shù)即包絡(luò)譜分析法。一、包絡(luò)分析法進(jìn)行故障診斷的原理當(dāng)軸承或齒輪某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)行過(guò)程中要撞擊與之相互作用的其它元件表面，產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，就必然激起測(cè)振系統(tǒng)的高頻固有振動(dòng)。根據(jù)實(shí)際情況，可選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)象，通過(guò)中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器把該固有振動(dòng)分離出來(lái)。然后，通過(guò)包絡(luò)檢波器檢波，去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)，對(duì)這一包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析便可容易地診斷出故障來(lái)。其原理示意圖如圖4

4、.1所示。 包絡(luò)分析法能將與故障有關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中提取出來(lái)，從而避免了與其它低頻干擾的混淆，并能快速而正確地診斷出軸承或齒輪的故障及發(fā)生的部位。因而是目前最常用.最有效的診斷滾動(dòng)軸承和齒輪故障的方法之一。包絡(luò)分析法的具體步驟:(1)將信號(hào)通過(guò)適當(dāng)?shù)膸V波器，以衰減其背景噪聲;(2)求得由脈沖序列引起的包絡(luò)線，即進(jìn)行希爾伯特變換，構(gòu)成以該脈沖信號(hào)為基礎(chǔ)的某個(gè)復(fù)變函數(shù);(3)對(duì)所關(guān)注的頻率，分析其包絡(luò)線，檢出重復(fù)的頻率。常用的包絡(luò)解調(diào)法有如下兩種方法：低通濾波包絡(luò)解調(diào)法和希爾伯特變換解調(diào)法。1、低通濾波包絡(luò)解調(diào)法低通濾波包絡(luò)法的步驟是：1)將信號(hào)低通濾波，從而得到的低頻脈沖信號(hào)；2)將信

5、號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值處理；3)平滑信號(hào)；4)功率譜分析，分析脈沖信號(hào)的周期。上述解調(diào)過(guò)程可以用圖426進(jìn)行表示。 低通濾波包絡(luò)解調(diào)法用于軸承診斷時(shí)，不僅可以根據(jù)某種高頻固有振動(dòng)的是否出現(xiàn)判斷軸承是否異常；而且還可根據(jù)包絡(luò)信號(hào)的頻率成分，來(lái)識(shí)別產(chǎn)生缺陷的軸承元件(如圈、外圈、滾動(dòng)體)。 低通濾波包絡(luò)法解調(diào)法將與故障有關(guān)的信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中取出，從而避免了與其它低頻干擾的混淆，故有極高的診斷可靠性和靈敏度。其主要不足，一是信號(hào)的幅值量發(fā)生了變化，二是對(duì)于信號(hào)的起始和末尾部分有較大的誤差并且存在有相位滯后的現(xiàn)象。 2、希爾伯特變換解調(diào)法希爾伯持變換過(guò)去常用在電訊技術(shù)中，由于技術(shù)的共性，近些年來(lái)開(kāi)始應(yīng)用到機(jī)

6、械故障診斷中。很容易證明調(diào)幅和調(diào)頻表現(xiàn)為總合成矢量與載波矢量在幅值與頻率上的相對(duì)變化。因此只要能設(shè)法求出總矢量的變化過(guò)程，解調(diào)就有可能。總合成矢量分為實(shí)部和虛部實(shí)部通常就是已知的待解調(diào)的時(shí)域信號(hào)而虛部因頻譜的偶對(duì)稱性，所以各譜線相互抵消。圖427為實(shí)部和解析信號(hào)之間的關(guān)系。 希爾伯特變換可以用兩次FFT的方法完成。希爾伯特包絡(luò)變換法對(duì)規(guī)則波形非常有效，但對(duì)非規(guī)則波形差一些。希爾伯持變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)原信號(hào)施加次特殊濾波。 由于因果性的限制，系統(tǒng)函數(shù)的實(shí)部與虛部或模與相角之間將具備某種互相制約的特性，這種特性以希爾伯特變換的形式表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于因果系統(tǒng)，其沖擊響應(yīng)h(t)在t<0時(shí)等于0，僅在t

7、 >0時(shí)存在，因此： （36） 的傅立葉變換即系統(tǒng)函數(shù)可分解為實(shí)部和虛部之和： (37) 對(duì)上式運(yùn)用傅立葉變換的頻域卷積定理得： （38） 于是有： (39) 解得： （40） 以上兩式稱為希爾伯變換對(duì)，它說(shuō)明了具有因果性的系統(tǒng)函數(shù)H()的一個(gè)重要特性：實(shí)部R()唯一地確定虛部x ()，反過(guò)來(lái)也是一樣。3、希爾伯變換的解調(diào)原理 希爾伯變換的一個(gè)重要應(yīng)用就是處理帶通信號(hào)的解調(diào)。用希爾伯特變換把一個(gè)實(shí)信號(hào)表示成一個(gè)復(fù)信號(hào)(即解析信號(hào))，不僅使理論討論方便，更重要的是可以研究實(shí)信號(hào)的包絡(luò)，瞬時(shí)相位和瞬時(shí)頻率。一個(gè)實(shí)信號(hào)x(t)經(jīng)希爾伯特變換后可獲得一個(gè)該信號(hào)的適配虛部，由此可構(gòu)造一個(gè)解析信號(hào)u

8、(t)： (41) 從而實(shí)信號(hào)的包絡(luò)為： （42） x(t)的瞬時(shí)相位為： （43） 頻率調(diào)制信號(hào)為： （44） 4、 希爾伯特變換的計(jì)算方法由上式可知，實(shí)信號(hào)的希爾伯特變換定義為：=H (45)式中表示對(duì)括號(hào)的信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換。即的希爾伯特變換是與的卷積。又由于的傅立葉變換為： （46） 其中sign(f)為符號(hào)函數(shù)，表示為 （47） 設(shè)的傅立葉變換為：由卷積定理的傅立葉變換為：= （48）即傅立葉變換是信號(hào)在頻域作相移，在正頻延遲/2，在負(fù)頻域超前/2。因此，計(jì)算信號(hào)的希爾伯特變換，可采用對(duì)應(yīng)的頻域移相法，其具體步驟如下：1） 對(duì)作FFT得X（f）；2） 對(duì)X（f）移相得;對(duì)作逆FFT

9、得二、利用包絡(luò)原理診斷滾動(dòng)軸承故障滾動(dòng)軸承產(chǎn)生表面剝落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，這種沖擊振動(dòng)從性質(zhì)上可分成兩類(lèi)。 第一類(lèi)沖擊振動(dòng)是由于軸承元件的缺陷在運(yùn)行中受到反復(fù)沖擊而產(chǎn)生的低頻脈動(dòng)，稱為軸承的“通過(guò)振動(dòng)”。其發(fā)生周期是有規(guī)律的，可以從軸承的轉(zhuǎn)速和軸承零件的尺寸求得。例如，在軸承零件的整個(gè)圓周上發(fā)生了一處剝落時(shí)，沖擊振動(dòng)發(fā)生的間隔頻率(又稱為通過(guò)頻率)會(huì)因剝落的位置不同而不同。滾動(dòng)軸承的通過(guò)頻率圍一般在1kHz以下是滾動(dòng)軸承故障的重要信息特征之一。但某些機(jī)械中由于在這一頻帶中的噪聲，特別是流體動(dòng)力噪聲的干擾較大，因而信噪比較差。 第二類(lèi)沖擊振動(dòng)是固有振動(dòng)。根據(jù)頻帶不同，在滾動(dòng)軸承故障診斷中，可以加

10、以利用的固有振動(dòng)有二種： 1)軸承外圈一階徑向固有振動(dòng)，其頻帶在l一8kHz圍，在諸如軸承壽命試驗(yàn)機(jī)、離心泵、風(fēng)機(jī)這類(lèi)簡(jiǎn)單機(jī)械的滾動(dòng)軸承故障診斷中，這是一種既可靠又經(jīng)濟(jì)的診斷信息。 2)軸承其它元件的固有振動(dòng)。其頻帶在2060kHz圍，能避開(kāi)流體動(dòng)力噪聲，信噪比高。由于各種固有頻率只取決于元件的材料、外形和質(zhì)量，與轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)頻率無(wú)關(guān)，一旦軸承元件出現(xiàn)表面剝落就會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊，從而激發(fā)起各種固有振動(dòng)，所以通過(guò)查找這些固有振動(dòng)當(dāng)中的某一種是否出現(xiàn)，是診斷軸承元件表面剝落故障的極好判據(jù)。利用軸承的各通過(guò)頻率對(duì)軸承元件的固有振動(dòng)頻率的調(diào)制現(xiàn)象，通過(guò)包絡(luò)解調(diào)原理判斷軸承故障。 對(duì)于正常軸承，其振動(dòng)加速度的

11、頻率成分多集中在800Hz以下的低頻圍，800Hz以上頻率峰值很低，幾乎可以忽略；軸承出現(xiàn)疲勞之后800Hz以下頻帶的變化并不十分顯著，但在1500一3000Hz的頻帶出現(xiàn)大量峰群，此峰群的中心頻率與軸承外圈及其外殼形成的振動(dòng)系統(tǒng)的一階徑向固有振動(dòng)有關(guān)；且不同元件疲勞時(shí)激起中心頻率有著一定的差別，如外圈疲勞的特征頻率為2300Hz；鋼球疲勞的特征頻率為2200Hz；圈疲勞的特征頻率為2100Hz。(軸承在安裝在軸和軸承箱中由于受到約束使固有頻率比自由狀態(tài)下的頻率有所增大)三、利用希爾伯特變換解調(diào)法對(duì)齒根疲勞裂紋進(jìn)行診斷在齒輪傳動(dòng)中，由于轉(zhuǎn)速的變化或輪齒等分不均勻會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的調(diào)頻現(xiàn)象，而實(shí)際

12、上齒輪傳動(dòng)中調(diào)頻和調(diào)幅是同時(shí)存在的。當(dāng)然與齒輪相連接的機(jī)械部件慣性越大，相對(duì)調(diào)幅而言調(diào)頻就不顯著。速度波動(dòng)小邊頻的數(shù)目就少。齒面波度誤差、相鄰周節(jié)誤差、齒面載荷不均勻等等都可能產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。當(dāng)齒輪根部產(chǎn)生裂紋時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象。這時(shí)，可根據(jù)希爾伯特變換解調(diào)求出其幅值、相位特性，對(duì)裂紋故障進(jìn)行診斷。 四、包絡(luò)線分析原理： 實(shí)際工程中，有時(shí)檢測(cè)得到的信號(hào)波形雖然比較復(fù)雜，但其包絡(luò)線卻有一定的規(guī)律或趨向。此時(shí)利用包絡(luò)線分析辦法可以對(duì)信號(hào)高頻成分的低頻待征或低頻率事件作更詳細(xì)的分析。例如有缺陷的齒輪在嚙合中存在低頻、低振幅所激發(fā)的高頻、高振幅共振，對(duì)此進(jìn)行包絡(luò)線分析可以對(duì)缺陷作出恰當(dāng)?shù)呐袛?。由于?/p>

13、絡(luò)線組成波形的頻率、幅值及其單頻相位角不同、其合成波形的包絡(luò)線也不同。這里以圖435所示的波形為例介紹包絡(luò)線的一般分析方法。由于圖435中，上下包絡(luò)線之間的間距稱為包絡(luò)帶寬，最大帶寬等于兩組成波振幅之和，最小帶寬為兩組成波振幅之差。圖435中包絡(luò)線帶寬呈周期性變化，其變化頻率稱為拍頻，記為，即1。拍的最大幅值處稱為腹部，最小振幅處稱為腰部。其中拍的腹部由兩組成波的瞬時(shí)間同相產(chǎn)生，腰部是由兩組成波的瞬間反相產(chǎn)生。拍的腹部和腹部相鄰波峰或波谷的距離和決定于兩組成波的頻率關(guān)系。若令大幅值波頻率為，小幅值波頻率為，則時(shí)，；時(shí)，。采用包絡(luò)線分析信號(hào)，可按以下步驟進(jìn)行：(1)檢查信號(hào)波形形狀和變化規(guī)律，作

14、出上、下包絡(luò)線，其中包絡(luò)線變化頻率代表低頻分量，包絡(luò)線的波形為高頻分量。當(dāng)包絡(luò)不呈現(xiàn)周期性變化時(shí)，應(yīng)對(duì)包絡(luò)線作進(jìn)一步的分析。(2)從包絡(luò)線帶寬中計(jì)算出高頻分量的峰峰值。(3)當(dāng)上、下包絡(luò)線形狀和相位不一致時(shí)，可以通過(guò)每個(gè)峰谷中點(diǎn)線作出包絡(luò)中線，如圖436所示。包絡(luò)中線變化周期代表低頻分量。若包絡(luò)線中線不呈周期性變化，應(yīng)對(duì)包絡(luò)中線再作進(jìn)步分析。(4)上下包絡(luò)線近似為簡(jiǎn)諧波，但其間的高頻分量成拍波時(shí)，確定腹和腰的位置及其上下包絡(luò)線間的距離，并量出腹、腰處相鄰波峰的間距和、拍波周期，計(jì)算出合成波頻率。(5)當(dāng) 時(shí)，主波峰峰值由包絡(luò)線最大帶寬與最小帶寬之和的一半來(lái)計(jì)算。(6)拍波分解出來(lái)的次要分量的頻

15、率，當(dāng)時(shí)， ；當(dāng)時(shí)，。次要分量的振動(dòng)波形峰值等于最大帶寬與最小帶寬之差的一半。(7)在一個(gè)完整循環(huán)僅有一個(gè)拍時(shí)，則兩個(gè)分量的頻率差為1，如圖437中ab；若有兩個(gè)拍時(shí)，則兩頻率分量的頻率差為2，如圖437中ac；其余類(lèi)推，即在一個(gè)完整循環(huán)包含的拍波數(shù)與兩頻率分量的頻率差值相等。OTHER SOURCES OF ULTRASONIC FREQUENCIESØ Cavitation氣穴現(xiàn)象Ø High pressure steam and air flow.Ø Turbulence (液體或氣體的)紊亂湍流in liquids and air.Ø Rubbi

16、ng. (Seals, rotors, belts, guards etc.)Ø Impactexcitation激發(fā), 勵(lì)磁. (Looseness or inherent固有的in the machines operation.)Ø Electrical arcing弧. 包絡(luò)解調(diào)原理：故障所引起的低頻（通常是數(shù)百HZ以）沖擊脈沖激起了高頻（數(shù)十倍于沖擊頻率）共振波形，對(duì)它進(jìn)行包絡(luò)、檢波、低通濾波（即解調(diào)），會(huì)獲得一個(gè)對(duì)應(yīng)于低頻沖擊的而又放大并展寬的共振解調(diào)波形。包絡(luò)解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)：  1）剔除了低頻振動(dòng)干擾   2）含有未知的故障信息（即S/N）對(duì)于共振解調(diào)波后續(xù)處理方法不同，可分為SPM及IFD法  1）SPM法：     它是應(yīng)用共振解調(diào)波的幅值來(lái)進(jìn)行診斷。共振解調(diào)波通過(guò)峰值檢波、平均、保持、測(cè)得沖擊量值SV。    再用一經(jīng)驗(yàn)公式獲得均一化沖擊量值       DBN=20log2000SVnDo.6  2）&