三谱切片在调速阀故障诊断中的应用

　　调速阀由一个定差减压阀和节流阀组成,它是液压元件中结构较为复杂,容易发生故障的一类典型的元件·调速阀的故障诊断对液压系统的维护,有着重要的价值和普遍的指导意义·借助现代信号处理理论所取得的成果,探索故障特征信息提取的新途径,提出故障诊断的新方法是当前的重要课题.故障诊断的难点是特征信息的提取,由于故障与征兆之间往往不存在简单的一一对应关系,或者有用的征兆信息往往被淹没在较强的背景噪声中·因此,如何从传感器信号中提取与机械运转状况相对应的特征信息,是故障诊断中关键的一步.目前,国内外将三谱研究应用到机械故障诊断中的资料很少.文[1]研究了三谱在柴油机故障诊断中的应用,Mc Cormick等[2]研究了三谱在机械状态检测中的所体现出的优良特性,Cooray等[3]研究了如何利用三谱特性提取宇宙微波背景(CMB)中的微弱信号,Collis等[4]研究了三谱在提取故障特征信息中所具有的优势,Lutes等[5]研究了三谱在非线性振荡器中的响应特性.本文研究采用三谱及其切片分析的方法,解决液压元件调速阀故障诊断难的问题·

　　1　高阶累积量与高阶谱

　　1.1　高阶累积量

　　如图1所示,设系统输入信号a(t)为一组均值为零的平稳随机信号,h(t)为调速阀的单位脉冲响应函数,而且系统输入信号a(t)和调速阀的单位脉冲响应函数h(t)满足

　　式中,τ1,τ2,…,τk-1为滞后量.根据高阶累积量的性质[6-7]并考虑系统输出信号y(t)为线性过程,有cy,k(τ1,τ2,…,τk-1)=Σ∞i0=-∞Σ∞i1=-∞Σ∞ik-1=-∞h(i0)h(i1)…h(ik-1)·cum[a(t-i0)a(t+τ1-i1),…,a(t+τk-1-ik-1)].当a(t)是服从独立同分布的非高斯白噪声时,其高阶累积量可以用来表示γa,k=cum[a(τ1),a(τ2),…,a(τk-1)].假设滞后量τ1=τ2,…,τk-1=0,则γa,2=ca,2(0),γa,3=ca,3(0,0),γa,4=ca,4(0,0,0).定义γa,2,S=γa,3/(γa,2)3/2,K=γa,4/(γa,2)2分别为方差、偏度和峰度[4].如果y(t)是对称分布,偏度一定为零(反之,则不一定成立);如果y(t)服从高斯分布,峰度一定为3(反之,则不一定成立).假定滞后量i0=i1-τ1=i2-τ2=…=ik-1-τk-1=i,则系统输出y(t)的高阶累积量为

　　1.2　高阶谱

　　高阶谱分析是一种新的信号处理的有效技术,它可以定量描写信号间的非线性耦合,可以抑制噪声、保留信号的相位信息,是处理非线性、非高斯信号的有力工具.对调速阀故障特征信息的提取模型如图1所示.在图1中,应用白箱理论来建立调速阀的模型很难·这里采用黑箱方法,从调速阀阀体的振动信号来提取系统的动力学特性.