【正文】 2 軟件流程圖 最終設(shè)計的各功能區(qū)如下： 數(shù)據(jù)文件功能區(qū) 此功能區(qū)主要包含 4 個模塊： 1) 靜態(tài)顯示文本顯示方框，顯示“數(shù)據(jù)文件” 字 符 ，提示用戶此功能區(qū)為數(shù)據(jù)文件功能區(qū)。 2) 可編輯 文本顯示 方框，顯示所選數(shù)據(jù)文件的地址和文件名，方便用戶檢查數(shù)據(jù)文件的位置和類型 ，同時也可以在此欄中輸入數(shù)據(jù)文件的地址直接讀入數(shù)據(jù)文件 。 3) 按鈕，顯示“?”字符，提示用戶單擊此按鈕彈出打開文件框，選擇所需數(shù)據(jù)文件。 第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 23 4) 按鈕 ，顯示“讀入數(shù)據(jù)”字符，提示用戶單擊此按鈕將所選數(shù)據(jù)文件讀入到 LMD 的分解算法中，并進(jìn)行局部均值分解，從而返回 PF 分量、殘余量 U、包絡(luò) A 分量、純調(diào)頻函數(shù) SI 以及在坐標(biāo)軸中顯示出原始信號的時域波形和頻域波形。 參數(shù)設(shè)定功能區(qū) 此功能區(qū)主要包含 6 個模塊： 1) 滾動軸承轉(zhuǎn)速參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“轉(zhuǎn)速”、“ r/min”字符，方便用戶找到滾動軸承轉(zhuǎn)速輸入位置；使用 1 個可編輯文本框顯示用戶的滾動軸承轉(zhuǎn)速輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ 1750”。 2) 滾動軸承滾動體中心圓直徑參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“中徑”、“ mm”字符，方便用戶找到滾動體中心圓直徑輸入位置；使用 1 個可編輯文本框顯示用戶的滾動體中心圓直徑輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ ”。 3) 滾動軸承接觸角參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“接觸角”、“176?！弊址?，方 便用戶找到滾動軸承接觸角輸入位置；使用 1 個可編輯文本框顯示用戶的滾動軸承接觸角輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ 0”。 4) 滾動軸承振動數(shù)據(jù)采樣頻率參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“采樣頻率”、“ Hz”字符，方便用戶找到振動數(shù)據(jù)采樣頻率輸入位置；使用 1個可編輯文本框顯示用戶的振動數(shù)據(jù)采樣頻率輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ 12021”。 5) 滾動軸承滾動體個數(shù)參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“滾動體個數(shù)”、“個”字符，方便用戶找到滾動軸承滾動體個數(shù)輸入位置；使用 1 個可編輯文本框顯示用戶的滾動軸承滾動體個數(shù)輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ 9”。 6) 滾動軸承滾動體直徑參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“滾動體直徑”、“ mm”字符，方便用戶找到滾動軸承滾動體直徑輸入位置；使用 1個可編輯文本框顯示用戶的滾動軸承滾動體直徑輸入值，由于測試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ ”。 特征頻率功能區(qū) 此功能區(qū)包含 8 個模塊： 1) 滾動軸承內(nèi)圈故障特征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“內(nèi)圈”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的內(nèi)圈故障特征頻率位置；使 用 1電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的內(nèi)圈故障特征頻率。 2) 滾動軸承轉(zhuǎn)頻計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“轉(zhuǎn)頻”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的轉(zhuǎn)頻位置；使用 1 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的轉(zhuǎn)頻。 3) 滾動軸承外圈故障特征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“外圈”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的外圈故障特征頻率位置；使用 1個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的外圈故障特征頻率。 4) 滾動軸承滾動體沖擊單側(cè)滾道故障特 征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“滾動體碰單側(cè)”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的滾動體沖擊單側(cè)滾道故障特征頻率位置；使用 1 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的滾動體沖擊單側(cè)滾道故障特征頻率。 5) 滾動軸承滾動體沖擊雙側(cè)滾道故障特征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“滾動體碰雙側(cè)”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的滾動體沖擊雙側(cè)滾道故障特征頻率位置；使用 1 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的滾動體沖擊雙側(cè)滾道故障特征頻率。 6) 滾動軸承保持 架與外圈摩擦故障特征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“保持架碰外圈”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的保持架與外圈摩擦故障特征頻率位置；使用 1 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的保持架與外圈摩擦故障特征頻率。 7) 滾動軸承保持架與內(nèi)圈摩擦故障特征頻率計算區(qū)。使用 2 個靜態(tài)文本顯示框分別顯示“保持架碰內(nèi)圈”、“ Hz”字符，方便用戶找到滾動軸承的保持架與內(nèi)圈摩擦故障特征頻率位置；使用 1 個靜態(tài)文本顯示框顯示通過參數(shù)輸入?yún)^(qū)得到的參數(shù)計算出來的保持架與內(nèi)圈摩擦故障特征頻率。 8) 1 個 單擊按鈕，顯示“計算”字符，單擊此按鈕，實現(xiàn)計算通過參數(shù)設(shè)計區(qū)得到的參數(shù)計算出來的各故障特征頻率。 圖形顯示功能區(qū) 此功能區(qū)包含 4 個模塊： 1) 2 個坐標(biāo)軸顯示區(qū)。一個坐標(biāo)軸顯示振動信號的時域波形和頻域波形，并始終顯示在軟件上，另一個坐標(biāo)軸顯示經(jīng)過 LMD 分解后得到的各圖形，方便用戶提取滾動軸承的故障特征頻率。 第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 25 2) 1 個按鈕組選擇區(qū)。此選擇區(qū)總共有 5 個按鈕，分別為 PF 分量按鈕，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解后得到的 PF 分量；殘余量 U 按鈕，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解后得到的殘余量 U；包絡(luò) A 按鈕，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解 后得到的 PF 分量的瞬時幅值 A；純頻 SI 按鈕，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解后得到的純調(diào)頻函數(shù) SI。 3) 1 個靜態(tài)顯示文本和 1 個下拉框選擇區(qū)。靜態(tài)顯示文本顯示字符“顯示結(jié)果”，方便用戶理解；下拉框分為 2 個選項，分別是：前 4 項選擇，用于顯示經(jīng)過LMD 分解之后的各分量的前 4 項圖形；剩余項選擇，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解之后的除掉前 4 項之后的剩余項圖形。 4) 1 個單擊按鈕。此按鈕顯示“分析”字符，單擊此按鈕，用于顯示各分量坐標(biāo)軸中的顯示。 退出系統(tǒng)功能區(qū) 此功能區(qū)擁有 1 個單擊按鈕。此按鈕顯示“退出系統(tǒng)”字符，單擊此按鈕 ，用于清空數(shù)據(jù)內(nèi)存，退出軟件系統(tǒng)。 未進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時 的 信號分析 軟件如圖 33 所示 ， 運行后得到 信號分析 結(jié)果的 圖如圖 34 所示 。 圖 33 故障診斷軟件界面設(shè)計圖 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 34 振動信號分析圖 振動信號分析軟件的程序設(shè)計 用戶界面程序 的編程實現(xiàn)與使用 根據(jù)軟件界面的設(shè)計以及各功能區(qū)的功能 實現(xiàn)，使用 MATLAB GUI 工具設(shè)計的軟件程序見附錄二。 設(shè)計出的滾動軸承振動信號分析軟件運行后的界面如圖 33 和圖 34 所示。下面再簡單介紹一下該軟件的使用步驟。 單擊數(shù)據(jù)文件選擇按鈕或直接在文件地址欄中輸入文件地址； 在參數(shù)設(shè)定框中輸入相關(guān)參數(shù)； 單擊讀入數(shù)據(jù)按鈕，軟件上方將顯示振動信號的時域和頻域波形； 單擊特征頻率框中的計算按鈕，計算出各類故障的特征頻率； 單擊顯示類型中的任一選項，再選擇下拉框中的任一選項，然后單擊分析按鈕，軟件將在左方顯示對應(yīng)的圖形； 使用軟件工具欄中的 Data Cursor 顯示出功率譜中相應(yīng)的頻率，與計算得到的特征頻率相比較，判斷滾動軸承的故障。 第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 27 LMD 算法 的 程序 實現(xiàn) 本系統(tǒng)的關(guān)鍵是 LMD 算法的具體編程實現(xiàn)。 根據(jù)第二章的分析， 局部均值分解方法算法的實現(xiàn)步驟如下： 找出數(shù)據(jù)序列的各極值點。 利用滑動平均方法對各極值點進(jìn)行處理，得到第一個局部均值函數(shù) 11m 和包絡(luò)估計函數(shù) 11a 。 利用局部均值函數(shù) 11m 分離原始信號得到剩余信號 11h 。 利用剩余信號及包絡(luò)估計函數(shù)得到 11si 。 設(shè)定偏差值進(jìn)行循環(huán)，直到滿 足終止條件為上，即 SI 為一個純調(diào)頻函數(shù)。 返回經(jīng)過分解過后的 PF 分量、殘余量 U、包絡(luò)函數(shù) A、純頻函數(shù) SI。 本文對該 算法實現(xiàn)的流程圖如圖 35 所示。 開 始極 值 點局 部 均 值 函 數(shù) 包 絡(luò) 估 計 函 數(shù)純 調(diào) 頻 函 數(shù)結(jié) 束NY數(shù) 據(jù)偏 差 值 圖 35 LMD 算法設(shè)計流程圖 根據(jù) LMD 流程圖， 可編寫相應(yīng)的實現(xiàn)代碼。完整的 分解算法 可參 見附錄一 。 仿真信號分析與分析軟件的 驗證 本節(jié)使用局部均值分解方法對仿真振動信號進(jìn)行分析，以驗證該方法的有效電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 性。文中 設(shè)計 了兩 個仿真 信號： )40s i n()3s i n(2 )10c os2200c os ()]6c os ([)(1 tt ttttx ?? ???? ??? ],0[ ??t (31) )600c os ()20c os (3 )100s in(3)(2 ttttx ????? ],0[ ??t (32) 信號 )(1tx 由兩個調(diào)幅 調(diào)頻信號組成， 使用設(shè)計的分析軟件進(jìn)行信號分析，從而得到各分量波形圖： 圖 36 顯示的是分解后的 PF 分量，圖 37 顯示的是分 解后的殘余量，圖 38 顯示的是 PF 分量的包絡(luò) A，圖 39 顯示的是純頻函數(shù) SI，圖310 顯示的是 A 功率譜。 圖 36 )(1tx 分解后的 PF 分量 第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 29 圖 37 )(1tx 分解后的殘余分量 圖 38 )(1tx 分解后的包絡(luò) A 分量 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 圖 39 )(1tx 分解后的純頻 SI 分量 圖 310 )(1tx 分解后的 A 功率譜 由圖 36 可以 看出 ，分解得到的兩個 PF 分量分別對應(yīng)著仿真信號 )(1tx 的兩個分量，這是因為 LMD 方法是根據(jù)信號本身進(jìn)行的自適應(yīng)分解，它所得到的第一個 PF 分量都反映了信號的本質(zhì)，具有一定的物理意義。 從圖 37 可以看出隨著分解層次的增加，殘余分量越來越小。而圖 310 所顯示的 A 功率譜則顯示了測第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 31 試信號的頻率。 模擬信號 )(2tx 是由一個調(diào)幅信號和一個諧波信號組成， 使用設(shè)計的分析軟件進(jìn)行信號分析 ，從而得到各分量波形圖： 圖 311 顯示的是分解后的 PF 分量，圖312 顯示的是分解后的殘余量，圖 313 顯示的是 PF 分量的包絡(luò) A，圖 314 顯示的是純頻函數(shù) SI，圖 315 顯示的是 A 功率譜。 圖 311 )(2tx 分解后的 PF 分量 圖 312 )(2tx 分解后的殘余分量 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 313 )(2tx 分解后的包絡(luò) A 分量 圖 314 )(2tx 分解后的純頻 SI 分 量 第 3 章 基于 LMD 的振動信號分析系統(tǒng)設(shè)計 33 圖 315 )(2tx 分解后的 A 功率譜 由圖 211 可以得出，分解得到的兩個 PF 分量分別對應(yīng)著仿真信號 )(2tx 的兩個分量，這是因為 LMD 方法是根據(jù)信號本身進(jìn)行的自適應(yīng)分解，它所得到的第一個 PF 分量都反映了信號的本質(zhì)，具有一定的物理意義。 從圖 212 可以看出隨著分解層次的增加，殘余分量越來越小。而圖 315 顯示的 A 功率譜則顯示了測試信號的頻率。 本章小結(jié) 本章 介紹了 振動信號分析系統(tǒng)總體設(shè)計 ， 根 據(jù)分解算法流程編寫 了 LMD 的實現(xiàn)程序，并 結(jié)合軟件設(shè)計經(jīng)驗和用戶體驗 ， 使用 MATLAB GUI 工具 設(shè)計出振動信號分析軟件 ， 實現(xiàn) 振動信號分析軟件的功能。 最后 用 軟件 對 構(gòu)造的測試信號進(jìn)行分析，分解出了具有物理意義的能反映信號內(nèi)在本質(zhì)的分量 ，從而驗證了系統(tǒng)的可用性 及有效性 。電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 第 4 章 實測滾動軸承振動信號的分析與故障診斷 本章采用 設(shè)計的軟件對實測的滾動軸 承 振動信號進(jìn)行分析，提出振動信號的頻率成分，并與理論計算的故障特征頻率進(jìn)行比較， 以 實現(xiàn)故障的簡單判別，同時 驗證 本文所 設(shè)計軟件的準(zhǔn)確性及可靠性 。 測試數(shù)據(jù) 說明 實驗 設(shè)備 情況 簡介 本文的實測數(shù)據(jù)來自于 Case Western Reserve University 滾動軸承故障數(shù)據(jù)中心 。 試驗臺由一個 2 馬力的馬達(dá)（左），扭矩轉(zhuǎn)換器 /編碼器（中心），一個測力計（右），以及控制電子設(shè)備（未示出）。 試驗軸承支撐電動機(jī)軸。單點故障被引入到使用電火花加工用的 7 密耳， 14 密耳， 21 密耳， 28 密耳和 40 密耳（ 1 密耳 = 英寸）直徑的故障的測試軸承。 SKF 軸承被用于 7,14 和 21 密耳直徑的故障，以及 NTN 當(dāng)量軸承被用于 28 密耳和 40 密耳的故障。 使用加速度計，這是附 加到與磁性底座外殼振動數(shù)據(jù)采集。加速度計被放置在在兩個驅(qū)動端和電機(jī)殼體的風(fēng)扇