非平稳旋转机械故障诊断中的时—频阶比分析研究

摘要

旋转机械故障诊断的一个重要内容是对间歇性非平稳故障的检测与分析。阶比分析是一种针对旋转机械非平稳振动信号的变频采样分析技术，分为硬件阶比分析与时-频阶比分析。时-频阶比分析无需特定复杂的硬件设备，克服了传统阶比分析价格昂贵和安装不便的问题。但是硬件的缺失与软件算法对时-频阶比分析产生了一定限制，使得其分析精度与速度目前与传统硬件阶比分析仍然存在较大的差距。
　　本文在对旋转机械典型故障特征、振动信号的测量、非平稳信号的时频分析和传统阶比分析方法进行详细介绍的基础上，对新兴的非平稳旋转机械故障诊断方法时-频阶比分析的实现过程及其软件算法精度的提高进行研究。针对其中的关键问题如瞬时频率估计、峰值搜索、转速曲线拟合及奇异点平滑处理等进行改进。另外，将改进后的时-频阶比分析与Gabor展开算法相结合，实现了复杂机械振动信号中特定阶比分量的提取及其时域波的形近似重构。
　　改进瞬时频率估计方法，将现代时频分析方法Wigner-Ville分布与短时傅里叶变换进行对比分析，研究利用Wigner-Ville提高时-频阶比分析的瞬时频率估计精度。针对多分量振动信号Wigner-Ville分析过程中产生的交叉干扰项，采用同时在时间轴和频率轴加窗的方式进行平滑处理，减小干扰项“伪峰值”对瞬时频率估计的干扰。
　　采用一种改进的三次样条多项式拟合法对转速曲线进行拟合，同时采用一阶差分法对拟合过程中出现的奇异点进行平滑处理，提高转速曲线拟合精度，改善非平稳信号的频谱分析中存在的“频谱模糊”现象，提高了阶比谱的分辨率。
　　利用Gabor变换算法的可逆性，将之与改进的时.频阶比分析算法相结合，在时频域内提取复杂机械振动信号中的特定阶比分量，并对其时域波形进行近似重构，实现了基于正交离散Gabor展开的时变带通阶比滤波，克服了传统阶比分析无法在时域内提取阶比分量的不足。
　　最后，利用ST-5000A型多功能柔性转子试验台试验系统进行旋转实验，验证本文方法的正确性和有效性。