【正文】 加速度計(jì)被放置在在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端和電機(jī)殼體的風(fēng)扇端部的。 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。 試驗(yàn)軸承支撐電動(dòng)機(jī)軸。 測(cè)試數(shù)據(jù) 說明 實(shí)驗(yàn) 設(shè)備 情況 簡(jiǎn)介 本文的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自于 Case Western Reserve University 滾動(dòng)軸承故障數(shù)據(jù)中心 。 最后 用 軟件 對(duì) 構(gòu)造的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析，分解出了具有物理意義的能反映信號(hào)內(nèi)在本質(zhì)的分量 ，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的可用性 及有效性 。而圖 315 顯示的 A 功率譜則顯示了測(cè)試信號(hào)的頻率。 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(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè) PF 分量分別對(duì)應(yīng)著仿真信號(hào) )(2tx 的兩個(gè)分量，這是因?yàn)?LMD 方法是根據(jù)信號(hào)本身進(jìn)行的自適應(yīng)分解，它所得到的第一個(gè) PF 分量都反映了信號(hào)的本質(zhì)，具有一定的物理意義。而圖 310 所顯示的 A 功率譜則顯示了測(cè)第 3 章 基于 LMD 的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 試信號(hào)的頻率。 圖 36 )(1tx 分解后的 PF 分量 第 3 章 基于 LMD 的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(gè) PF 分量分別對(duì)應(yīng)著仿真信號(hào) )(1tx 的兩個(gè)分量，這是因?yàn)?LMD 方法是根據(jù)信號(hào)本身進(jìn)行的自適應(yīng)分解，它所得到的第一個(gè) PF 分量都反映了信號(hào)的本質(zhì)，具有一定的物理意義。 仿真信號(hào)分析與分析軟件的 驗(yàn)證 本節(jié)使用局部均值分解方法對(duì)仿真振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證該方法的有效電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 性。 開 始極 值 點(diǎn)局 部 均 值 函 數(shù) 包 絡(luò) 估 計(jì) 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(jì)流程圖 根據(jù) LMD 流程圖， 可編寫相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼。 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。 利用剩余信號(hào)及包絡(luò)估計(jì)函數(shù)得到 11si 。 利用滑動(dòng)平均方法對(duì)各極值點(diǎn)進(jìn)行處理，得到第一個(gè)局部均值函數(shù) 11m 和包絡(luò)估計(jì)函數(shù) 11a 。 第 3 章 基于 LMD 的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 LMD 算法 的 程序 實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的關(guān)鍵是 LMD 算法的具體編程實(shí)現(xiàn)。下面再簡(jiǎn)單介紹一下該軟件的使用步驟。 圖 33 故障診斷軟件界面設(shè)計(jì)圖 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 34 振動(dòng)信號(hào)分析圖 振動(dòng)信號(hào)分析軟件的程序設(shè)計(jì) 用戶界面程序 的編程實(shí)現(xiàn)與使用 根據(jù)軟件界面的設(shè)計(jì)以及各功能區(qū)的功能 實(shí)現(xiàn)，使用 MATLAB GUI 工具設(shè)計(jì)的軟件程序見附錄二。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)。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。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(gè)選項(xiàng)，分別是：前 4 項(xiàng)選擇，用于顯示經(jīng)過LMD 分解之后的各分量的前 4 項(xiàng)圖形；剩余項(xiàng)選擇，用于顯示經(jīng)過 LMD 分解之后的除掉前 4 項(xiàng)之后的剩余項(xiàng)圖形。此選擇區(qū)總共有 5 個(gè)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(shí)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。一個(gè)坐標(biāo)軸顯示振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形，并始終顯示在軟件上，另一個(gè)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(dòng)軸承的故障特征頻率。 8) 1 個(gè) 單擊按鈕，顯示“計(jì)算”字符，單擊此按鈕，實(shí)現(xiàn)計(jì)算通過參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)得到的參數(shù)計(jì)算出來的各故障特征頻率。 7) 滾動(dòng)軸承保持架與內(nèi)圈摩擦故障特征頻率計(jì)算區(qū)。 6) 滾動(dòng)軸承保持 架與外圈摩擦故障特征頻率計(jì)算區(qū)。 5) 滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體沖擊雙側(cè)滾道故障特征頻率計(jì)算區(qū)。 4) 滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體沖擊單側(cè)滾道故障特 征頻率計(jì)算區(qū)。 3) 滾動(dòng)軸承外圈故障特征頻率計(jì)算區(qū)。 2) 滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)頻計(jì)算區(qū)。 特征頻率功能區(qū) 此功能區(qū)包含 8 個(gè)模塊： 1) 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈故障特征頻率計(jì)算區(qū)。 6) 滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體直徑參數(shù)輸入?yún)^(qū)。 5) 滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)參數(shù)輸入?yún)^(qū)。 4) 滾動(dòng)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣頻率參數(shù)輸入?yún)^(qū)。使用 2 個(gè)靜態(tài)文本顯示框分別顯示“接觸角”、“176。使用 2 個(gè)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(dòng)體中心圓直徑輸入位置；使用 1 個(gè)可編輯文本框顯示用戶的滾動(dòng)體中心圓直徑輸入值，由于測(cè)試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ ”。使用 2 個(gè)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(dòng)軸承轉(zhuǎn)速輸入位置；使用 1 個(gè)可編輯文本框顯示用戶的滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速輸入值，由于測(cè)試數(shù)據(jù)文件需要，其缺省值為“ 1750”。 第 3 章 基于 LMD 的振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)的時(shí)域波形和頻域波形。 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(shí)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 。 振動(dòng)信號(hào)分析軟件 的 用戶界面設(shè)計(jì) 結(jié)合其他軟件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及其用戶體驗(yàn)， 本文 的界面設(shè)計(jì)思路如下： 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件功能區(qū) 設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定功能區(qū) 設(shè)計(jì)特征頻率功能區(qū) 設(shè)計(jì)圖形顯示功能區(qū) 設(shè)計(jì)退出系統(tǒng)功能區(qū) 軟件運(yùn)行 流程如圖 32。 控件對(duì)象 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 按鈕 (Push Buttons)： 執(zhí)行某種預(yù)定的功能或操作 ； 開關(guān)按鈕 (Toggle Button)： 產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作并指示一個(gè)二進(jìn)制狀態(tài)（開或關(guān)），當(dāng)鼠點(diǎn)擊它時(shí)按鈕將下陷，并執(zhí)行 callback（回調(diào)函數(shù)）中指定的內(nèi)容，再次點(diǎn)擊，按鈕復(fù)原，并再次執(zhí)行 callback 中的內(nèi)容 ； 單選框 (Radio Button)： 單個(gè)的單選框用來在兩種狀態(tài)之間切換，多個(gè)單選框組成一個(gè)單選框組時(shí)，用戶只能在一組狀態(tài)中選擇單一的狀態(tài)，或稱為 單選項(xiàng) ； 復(fù)選框 (Check Boxes)： 單個(gè)的復(fù)選框用來在兩種狀態(tài)之間切換，多個(gè)復(fù)選框組成一個(gè)復(fù)選框組時(shí)，可使用戶在一組狀態(tài)中作組合式的選擇，或稱為多選項(xiàng) ； 文本編輯器 (Editable Texts)： 用來使用鍵盤輸入字符串 的值，可以對(duì)編輯框中的內(nèi)容進(jìn)行編輯、刪除和替換等操作 ； 靜態(tài)文本框 (Static Texts)： 僅用于顯示單行的說明文字 ； 滾動(dòng)條 (Slider)： 可輸入指定范圍的數(shù)量值 ； 邊框 (Frames)： 在圖形窗口圈出一塊區(qū)域 ； 列表框 (List Boxes)： 在其 中定義一系列可供選擇的字符串 ； 彈出式菜單 (Popup Menus)： 讓用戶從一列菜單項(xiàng)中選擇一項(xiàng)作為參數(shù)輸入 ； 此外 還有坐標(biāo)軸，用于顯示圖形和圖像。 MATLAB 提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形用戶接口（ GUI）的工具，包括： 布局編輯器 (Layout Editor)—在圖形窗口中創(chuàng)建及布置圖形對(duì)象。 圖形用戶界面 GUI 設(shè)計(jì)窗口由 菜單 欄、工具欄、控件工具欄 以及 圖形對(duì)象設(shè)計(jì) 等 4 個(gè)功能區(qū) 組成。它讓用戶定制用戶與 MATLAB 的交互方式，而命令窗口不是唯一與 MATLAB 的交互方式。通常，多是根據(jù)悅目的結(jié)構(gòu)和用戶界面功能的有效性來選擇計(jì)算機(jī)或程序。用戶通過輸入設(shè)備（如：鍵盤、鼠標(biāo)、跟蹤球、繪制板或麥克風(fēng)），與計(jì)算機(jī)通訊。 振動(dòng)信號(hào)分析軟件的 GUI 設(shè)計(jì) 用戶界面是用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式。 振動(dòng)信號(hào)分析軟件 為了方便用戶對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，在此使用 MATLAB GUI 工具設(shè)計(jì)一個(gè)基于 LMD 的滾動(dòng)軸承故障診斷軟 件。 基 于 L M D 的 振 動(dòng) 信 號(hào) 分 析 系 統(tǒng)L M D 算 法 信 號(hào) 分 析 軟 件PF分量殘量U包絡(luò)A線頻SI軸承參數(shù)設(shè)定特征頻率計(jì)算分量圖形顯示提取特征頻率讀取數(shù)據(jù)文件 圖 31 振動(dòng)信號(hào)分析 系統(tǒng) 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 局部均值分解算法 根據(jù) J. S. Smith 提出的局部均值分解算法的實(shí)現(xiàn)步驟，使用 MATLAB 編寫LMD 分解算法。 從 局部均值分解方法的步驟可以看出 LMD 分解完全地保留了原始信號(hào)的本質(zhì)，而信號(hào)的完整時(shí)頻分布體現(xiàn)在所有 PF 分量中 ，相較于滾動(dòng)軸承的常用故障診斷 方法 具有十分大的優(yōu)勢(shì)，因此使用 LMD 對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析可以非常方便地提取特征頻率從而進(jìn)行故障診斷 。 ?????????????? )()()()()()()()()(121211tPtututPtututPtxtufkkkff? (236) 其中 )(tPfk 表示各個(gè) PF 分量， )(tuk 表示信號(hào)余量，它們可以重構(gòu)信號(hào)出原信號(hào) )(tx ，即 ?? ?? km kfm tutPtx 1 )()()( (237) 以上步驟說明 LMD 分解并沒有造成原信號(hào)的信息丟失，而信號(hào)的完整時(shí)頻分布體現(xiàn)在所有 PF 分 量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率中。 將上述迭代過程得到的包絡(luò)估計(jì)函數(shù)全部相乘就可以得到一個(gè)瞬時(shí)幅值函數(shù)，也就是說包絡(luò)信號(hào)可直接得到 ???? nj jn tatatatata 1 1112111 )()()()()( ? (233) 將包絡(luò)信號(hào) )(1ta 和第 3 步中的純調(diào)頻信號(hào) )(1 tsn 相乘得到的就是原始信號(hào))(tx 的第一個(gè) PF 分量，即 第 2 章 滾動(dòng)軸承故障診斷與 LMD 的相關(guān)理論分析 17 )()()( 111 tstatP nf ? (234) 第一個(gè)分量 )(1tPf 的瞬時(shí)幅值就是包絡(luò)信號(hào) )(1ta ，而瞬時(shí)頻率 )(1tf 可以通過純調(diào)頻信號(hào) )(1 tsn 求出，顯然，分解得到的這個(gè)分量是一個(gè)單分量的調(diào)幅 調(diào)頻信號(hào)，它包含了信號(hào) )(tx 中的最高頻率成分，其中瞬時(shí)頻率 )(1tf dt tsdtf n )][ar cc os(21)( 11 ?? (235) 從信號(hào) )(tx 中分離出第一個(gè) PF 分量 )(1tPf ，可以得到新的信號(hào) )(1tu 。 通過局域極值點(diǎn) in 可以求出相應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)值 2 1??? iii nna (226) 和第一步類似，把所 有包絡(luò)估計(jì)值點(diǎn) ia 用直線直接連接起來，再做平滑處理，電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 此處仍然采用了滑動(dòng)平均的方法，因此可以得到相應(yīng)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) )(11ta 。 局部均值分解方法實(shí)現(xiàn)步驟 LMD 方法實(shí)質(zhì)上是把任意信號(hào)分解成 不同尺度的包絡(luò)信號(hào)和純調(diào)頻信號(hào)，并定義包絡(luò)信號(hào)和純調(diào)頻信號(hào)的積 為瞬時(shí)頻率具有物理意義的 PF 分量，不斷迭代至分離出所有 PF 分量 [19]。特別重要的是， LMD 方法是依據(jù)信號(hào)本身而進(jìn)行的自適應(yīng)分解，得到的第一個(gè) PF 分量都具有一定的物理意義，反映了信號(hào)的內(nèi)存本質(zhì)，具有很高的信噪比，非常適用于非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的處理。其中第一個(gè) PF 分量由一個(gè)包絡(luò)信號(hào)和一個(gè)純調(diào)頻信號(hào)相乘而得到，很好地保持了原始信號(hào)的幅值和頻率變化特性，將所有 PF 分量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率組合便可以得到原始信號(hào)完整的時(shí)頻分布。 局部均值分解方法 概述 2021 年， Jonathan. S. Smith[5]提出了一種自適應(yīng)時(shí)頻分析方法 —LMD（ Local mean deposition，簡(jiǎn)稱 LMD）方法。共振解調(diào)法也是利用軸承 或檢測(cè)系統(tǒng)作為諧振體，把故障沖擊產(chǎn)生的調(diào)頻共振響應(yīng)波放大，通過包絡(luò)檢測(cè)方法變?yōu)榫哂泄收咸卣餍畔⒌牡皖l