基于频谱细化的全矢谱分析

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传统的旋转机械状态监测和故障诊断只采用单源振动信号作为判别设备运行状态的依据，忽略了各个通道之间的有机联系，导致信息的不完整、不可靠。由于单源信号从量值和结构方面都很难反应设备运行的实际状况，因此采用传统的分析方法很容易造成漏判和误判Ⅲ。上述现状多年前已被许多学者认识，并相继展开了-系列的基于旋转机械全信息分析方法的研究和工程实践。在旋转机械故障诊断方面比较成熟的有专家学者提出的全息谱分析和国外的某公司推出的全频谱分析，以及专家学者提出的全矢谱分析方法哪。全矢谱技术作为对旋转机械进行故障诊断的主要方法之-，它弥补了单通道信息的不完备性。

频率分辨率是频谱分析的-个重要指标，对于密集频谱工程信号进行分析的最有效方法之-是复调制细化谱分析方法，是基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析法，-般简称ZOOFFT方法(或ZFbF)方法，是信号领域70年代发展起来的-项新技术。

传统的复调制细化谱分析方法采用：移频-低通数字滤波～重抽样-F丌及谱分析-频率成分调整。这种方法需要存放中间数据的内存空间大，低通滤波器特性的过渡带将使分析频带两端谱线的幅值产生-定的误差，细化倍数越大，误差越大，计算量较大和频率调整较复杂等问题，使最大细化倍数和精度都受到很大限制，对用软件实现的ZOOMFFY的影响尤为巨大。与传统的复调制细化谱方法相比，由于只对细化选抽点进行移频，大大节省了内存空间，减少了计算工作量；由于先选抽滤波后移频，避免了较复杂的频率调整过程。

对于离散频谱分析，无论是频率、幅值或是相位，都可能存在误差，误差产生的原因主要有两个：第-个原因是时域截断和频域离散化，只要不是对信号进行整周期时域截断，信号进行离散傅里叶变换分析的频率、幅值和相位都存在有误差 。第二个原因是多频率谐波信号正负频率的之间的干涉现象产生的误差以及频率信号正负频率之间的干涉。

在对旋转机械同源信息融合全矢谱技术和复解析带通滤波细化分析技术 进行研究的基础上，结合二者的特点，实现基于复解析带通滤波的全信息频谱细化分析方法。

2复解析全矢谱细化和相位校正原理2.1全矢谱的综合参数计算方法作为全信息处理技术之-的全矢谱技术采用双向垂直探头获得信息，对信息进行集成处理与综合表达全矢谱的综合参数计算方法 。设转子某截面内沿垂直方向采集到的两组动态离散数来稿日期：2012-10-05作者简介：杨才源，(1987-)，男，河南信阳人，在读硕士研究生，主要研究方向：设备故障机理与智能诊断技术；韩 捷，(1957-)，男，教授，博士研究生导师，主要研究方向：设备诊断工程技术研究第8期 杨才源等：基于频谱细化的全矢谱分析 105据信号为 (n)，y(n)，采用数据的数据级融合的方法，令。(n)(n) (n)，其中J -1，即可得到-个离散的融合复信号 (n)，对其做复傅里叶变换得到其频谱z( )。

Xp 1 l Itantan -式中： ，X -正进动圆和反进动圆半径； ， -正反进动圆的初相位。

则转子的涡动椭圆轨迹参数与两个正圆参数关系为：R (2) 2ak 由上式可得全矢谱的主振矢(椭圆长半轴 ，振矢(椭圆短半轴)R ，振矢角(椭圆长轴和 轴正方向的夹角) ，矢相位(轴心轨迹初始相位)咖 等参数综合反映了垂直安装传感器条件下转子的运动状态。

由式(1)、(2)可知全矢谱各阶频率下的主、副振矢可由融合矢量信号的傅里叶频谱对应的正负频率处的分量计算得到阐。故将基于复解析带通滤波器的法应用到融合矢量信号的细化分析中。

22复解析全矢细化原理复解析全矢细化原理翻，设在同-截面相互垂直的两个通道的模拟信号 、)，(t)，采用同步采样技术，经抗混叠滤波滤掉f/2以外的频率成分，再经AID转换之后得到两组长度均为DN2M的离散数字信号。其中 为采样频率，J7、r为实际参与FFT运算的点数，D细化倍数，M为滤波器半阶数。则可构成的复序列。(n)(n)嘶 (n)。

具体的细化分析的原理、方法和步骤如下：2.2.1确定中心频率及细化倍数根据实际需要确定欲细化频段的中心频率. 及细化倍数D。假设欲细化的频段为：)、 ：)。 ≤0，0 。

： ：其中，正负分析频段中心频率分别为： fnz)Ap-o： ：) (3)式中：下标n.p-融合信号的全矢频谱的负频率和正频率部分。

2.2.2确定滤波器参数由于全矢谱对正反进动圆参数的精确需要，根据文献阀，需要保证通带边缘不受过渡带的影响，故确定复解析带通滤波器的宽度为fJD，其中，D为细化倍数，理想通带为 ∥(2D)，将滤波器外扩，滤波器半阶数为M-4D，则实际滤波器通带上下截止频率角频率如下：2 1. /2D) (4)2霄 -1. /2D)滤波器的实部、虚部为：h ( )(sin k)-sin J))I，nkh (k)(cos )-co8 ))I，rk (5)其中，k-O，±1，±2，，± 。

2.2.3选抽滤波用复解析带通滤波器 ( ) ( )jh ( )分别对复信号序列(n)作选抽滤波，其选抽比为D，选抽出Ⅳ点。利用复解析带通滤波器可将滤波与选抽结合起来，同时为消除卷积滤波前后出现的暂态对幅值的影响，将前后M个不准确点去掉，以提高计算效率。那么复信号 (n)经过两个复解析带通滤波器后，就成为频率在 。 )， 。 )范围内的两个复信号了。选抽点数和FFT运算点数均为Ⅳ点，假设选抽后的复信号序列分别为 ( )， ( )，其中，kO，1，2，，Ⅳ1则有：N-l M)∑∑(hr(-m)jh (-m))z( 十 Dm) (6)k0 mM2.2.4复调制移频对选抽后的复信号 ( )和 ( )分别进行复调制移频，将需要细化的起始频率移到零频点。负频率. 在全景谱中对应的谱线号为 f0，负频率部分移频量为 ，正频率 在全景谱中对应的谱线号为z ，正频率部分移频量为 。

对选抽后的复信号进行复调制移频之后的复调制信号为：( ) ( )e-j2rklg'lf'，( ) ( )e-：i2 l (7)其中，kO，1，2，，Ⅳ1。

2.2.5对 ( )和 (后)分别做 N点 FFI处理正频率不需要进行频率调整就可以得到具有Ⅳ条独立谱线的细化频谱如下：N-l( ) (m) -z/kf ) (8)其中，kO，1，2，，Ⅳ1。

负频率得到的N条独立谱线的细化频谱如下：N-l( )2g.(m)W7 z(南 ) (9)G (k) z(肛 f0)其中，kO，1，2，，Ⅳ-1。

由于序列 ( )和 ( )的频谱分辨率均等于选抽频率除以F 的点数，即af( /D)/N，所以得到的细化全矢谱的分辨率与之相同。如果直接对初始采样得到的DN点矢量序列 (n)做复傅里叶变换处理，得到的全矢谱分辨率也是4f-fJD/V，这就可以说明采用基于复解析带通滤波器的细化技术、做两次Ⅳ点复傅里叶变换得到的全矢谱与不采用细化技术、直接做DN点复胛 得到的全矢谱有相同的频率分辨率。

106 机械设计与制造No.8Aug.20132.2.6计算全矢细化谱RLk- (J) ( )RskGp( )-G (l咖 咖 (k)2a ( ) ( )细化全矢谱的流程，如图 1所示。

(10)图 1细化全矢谱流程图Fig.1 Flow of Zoom Vector Spectrum3仿真计算设x(t)、)，是同-振动的含有密集频谱的 、Y通道的仿真信号，其表达式如下：x(t)-4sin(21r20t20/180)6sin(2"r20.1t30"rd180)9sin(220.35t40"trl180)10sin(2r25t601r/180)y(t)5cos(2"r19.8t25"tr/180)5sin(21r20.1t-35"r/180)3sin(21r20.35t-20"r/180)5sin(2"r25t-201r/180)振幅的单位为 m，采样频率为 256Hz，采样点数为 1024，细化倍数为，细化之前的分辨率为 0.25Hz，细化之后的频率分辨率为 0.0025Hz。方向前 10s的时基图，如图 1、图 2所示∩得到，振动信号在垂直方向上的振动情况相差较大，-个方向上的振动信号很难反映真实情况。方向上各自的频谱，如图3、图4所示。幅值相差较大。都不能反应振动的真实情况。融合信号的全矢谱，如图5所示。能反应平面内振动的真实强度，但是由于频率分辨率不足，导致 20Hz附近的密集频谱重叠在-起形成-个谱峰，无法分辨出具体的不同频率处的振动幅值大校以20Hz为细化中心频率的 100倍的细化全矢谱，如图7所示。20Hz附近的 4条谱线比较清晰，和图8所示的102400点的普通全矢谱的20Hz附近的谱线相对比可以看到具有很高的-致性。

昌iV 迪j晕图2 X通道时域波形Fig.2 Time Wave of X Channel呈500O 如No.8Aug.2013 机械设计与制造 109系列的位移传感器，检测气缸活塞杆位移，生成-个与位移量成比例的电流、电压或频率信号输出。

4.1.5气动装置气动装置的功能是为分漾构、输送机构、压铆机构的气爪、推挡气缸、压铆气缸及铆钉输送等提供动力气源，主要由气动三联组件、电磁阀、比例阀、节流阀等气动元件组成。气动输送铆钉具有柔性大，灵活性高等特点。气动单元采用聚酯类透明软管作为气动输送轨道，使得铆钉具有柔性的运动轨迹，既扩展了铆钉输送的空间范围，避免了单纯依靠铆钉重力自由下落造成铆钉只能从高处输送至底处的缺点，又能够通过调整气压的大小来调试铆钉的输送频率。

4.2控制系统结构原理图系统控制器选用可编程控制器(PLC)，控制对象主要是电磁阀，执行机构是气缸或气缸杆上连接的执行装置，检测装置主要由光纤传感器、位移传感器等组成，用来检测系统的工作状态和铆钉的姿态。多规格铆钉的自动选送装备控制原理图，如图5所示。

图5系统控制原理图Fig.5 System Control Schematics5结束语对铆钉分鸭术和压送技术进行了深入研究，通过对PLC、触摸屏、振动上料机、各机械结构的详细设计，完成了自动选送钉装备的开发和调试工作。作为飞机装配铆接工艺中自动钻铆机的重要装备，它可以自动完成对大量不同规格铆钉的分癣输送和压送至工件上已钻好的铆接孔中，极大地减轻了劳动强度，提高产品质量和生产效率，为实现钻铆设备的自动化提供了重要条件，具有良好的推广价值。装备现已投入使用，运行良好。