基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换在直升机传动系统滚动轴承故障检测中的应用

赵焕兴１”，周威１，王光辉１

（１．兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰，竹７３００００；２．中固人民解放军６１３３０部队，河南新乡４５３０００）

机械研究与应用 一

应用与试验

文章编号：１００６—４４１４（２０１１）０１—００４１—０３

ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌａｐｌａｃｉａｎｐｙｒａｍｉｄｔｒａｎｓｆｏｒｍ

Ｗｅｉｌ，ＷａｎｇＧｕａｎｇ—ｈｕｉｌ

ａｒｍｙｏ＇ｏｏｐｓ，ＸｉｎｘｉａｎｇＨｅｎａｎ

摘要：滚动轴承故障是直升机传动系统常见故障之一，对直升机机械振动信号进行时频分析从而检测出是否存在

故障是研究的熟点。该文提出一种方法，即对提取的传动系统滚动轴承振动信号进行共振解调预处理，再进行拉普拉斯金字塔分解，对相应的分解系数进行重构，然后在频谱中检测是否有冲击能量较大的故障频率，从而判断是否存在故障。对比分析结果表明，相对于傅里叶变换、小波变换，本方法对滚动轴承的内环、外环裂纹故障频率。有更好的检测效果。

关键词：直升机；传动系统；轴承故障；共振解调：拉普拉斯金字塔变换

中图分类号：ＴＨｌ３３．３３

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

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文献标识码：Ａ

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１引言

波变换的方法对滚动轴承的内外环裂纹故障频率进行检测，取得了较好的检测效果。

直升机传动系统是直升机的关键部件，其性能的好坏直接影响直升机的安全性和可靠性…。而滚动轴承是直升机传动系统的主要组成元件，因此快速准确的检测出滚动轴承的故障对直升机的安全具有重要的意义。

目前，我国对直升机传动系统的故障检查，主要采取预防性的定期拆卸维修检查，这种检查方式周期长、费用高，难以适应高强度、快节奏的现代战争的需求。因此，监测直升机传动系统振动信号，并对信号进行分析以此来判断是否存在机械故障的方法受到人们越来越多的重视【２】。然而故障特征信息与系统固有振动和噪声相比能量很小，往往被强背景噪声淹没。因此，运用数学分析工具对振动信号进行分析，

２基于共振解调的拉普拉斯金子塔变换介绍

２．１共振解调技术基本原理

当滚动轴承存在局部故障时，在轴承运转的过程中，轴承的其他零部件会周期性地撞击故障部位，形成故障振动，由于周期性振动形成的频带很宽，必然包含轴承内外圈、传感器等的固有频率而激起系统的高频固有振动。对包含故障成分的振动信号，根据滚动轴承的固有结构，可以选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来。然后进行包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，便可得到包含故障信息的低频包络信号。

２．２一维拉普拉斯金宇塔变换

笔者采取一维拉普拉斯金字塔变换对共振解调后的低频包络信号进行分解和重构，采用正交的分析

快速准确的检测出故障信息就成为当前研究的热点。

笔者提出一种基于共振解调的拉普拉斯金字塔

变换方法对直升机传动系统轴承的振动信号进行处

理，通过检测频谱中是否有冲击能量较大的故障频

率，来判断是否存在故障。通过比较傅里叶变换和小

和综合滤波器组来进行拉普拉斯金字塔频带分

解旧Ｊ，如图１所示；采用最优线性重构算法实现相应

收稿日期：２０１０一１１—０４

作者简介：赵焕兴（１９８１一），男，山西平陆人，硕士，研究方向：信号处理。

４１

万方数据

频带的重构‘引，如图２所示。此方法在噪声存在的情

况下能够取得很好的分解和重构效果。Ｆ是共振解调处理后的低频包络信号，日和Ｇ构成紧支的正交滤波器组，频域变换之和为１，肘是采样序列，一维信号肘＝２，Ｆ是重构信号。

低通子带

一 机械研究与应用 一

应用与ｉ式验

的频谱串扰现象，因此在轴承故障信号检测中具有一定的优势。

４对比分析

为了验证该方法的有效性，笔者采用美国凯斯西

储大学轴承实验中心两组典型的轴承故障数据进行

分析。凯斯西储大学轴承实验平台由一个额定功率Ｆ

高通子带

：三ｉ图１拉普拉斯金字塔分解结构

酗确ｔ三竺竺骂Ｈ

霎二｛三三三三三三三三三ｂ卜．声２．３故障检测原理

直升机传动系统滚动轴承故障主要有内外环裂纹、疲劳剥落等故障。直升机正常运转时发动机功率比较稳定，因此滚动轴承的转速基本上保持不变。根

据被检测滚动轴承的转速及其固有结构，可以计算出

轴承内外环出现裂纹时的故障频率。对测得的滚动轴承振动信号进行共振解调预处理后进行一维拉普拉斯金字塔分解，分解的尺度根据采样频率结合实际情况决定，重构包含故障频率的相应分解层，对重构后的信号进行频谱分析，查找是否有冲击能量较大的故障频率，可以很容易的检测出轴承是否存在故障。

３几种时频分析方法比较

目前对滚动轴承振动信号进行频谱分析，采取的方法主要有傅里叶变换法、小波变换法等。傅里叶变换法的缺点是不能准确反映非平稳信号的时变特征，

并且在频谱内无法反映时间域信息，在傅里叶频谱中

很难检测出冲击脉冲短、能量相对较小的故障频率【４Ｊ。小波变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力¨Ｊ，缺点是对上一个高通子带进行采样时，其一部分能量会串扰到低频子带上，可能会对轴承的故障频率造成干扰。

笔者采取拉普拉斯金字塔变换，输入信号首先经过高斯低通滤波，然后原信号减去低通滤波的结果得到信号的高频分量，最后将低通滤波的结果经过２次抽取操作，得到分辨率减半的低频分量，这样处理的结果为一个半分辨率的低频子带和一个整分辨率的高频子带。如果需要继续分解，可将刚才经过抽取的低频子带作为原信号带入下一级分解。可以看出，拉普拉斯金字塔算法的结构特点不仅有利于提取不同频段的信号特征而且能够有效避免小波变换中遇到

４２．

万方数据

为ｌ。４７ｋＷ的电机，被测轴承，安装在不同位置的扭矩传感器，数据采集器，负载和控制元件组成。被测轴承型号为ＳＫＦ６２０５—２ＲＳ，在不同轴承的内环和外环，人为的制造直径０．１７７８～０．７１１８ｍｍ的裂纹，分别测出不同的轴承故障振动信号。笔者选择一组外环和一组内环裂纹故障振动信号，分别用傅里叶变换、小波变换和本文所提出方法对信号进行处理和频谱分析，对比故障频率的检测效果。

４．１对轴承外环故障信号的对比分析

验证的轴承故障为外环有直径０．５３３４ｍｍ的裂

纹，轴承转速／７，，＝１７４８ｒ／ｍｉｎ，电机输出功率１．４７ｋＷ，根据ＳＫＦ６２０５—２ＲＳ轴承尺寸，可以计算出此时外环故障频率Ｚ＝，１．／６０×３．５８４８＝１０４．４Ｈｚ。传感器采样频率为１２０００Ｈｚ，为了分析方便截取采样点数３２７６８点。

傅里叶变换直接对故障信号进行频谱分析；小波变换对故障信号进行ｄｂ４小波６层分解，对第６层高频细节进行重构，对重构后的第６层高频分量，频带范围９８．７５—１８７．５Ｈｚ，进行频谱分析；笔者采取的方法先对故障信号进行共振解调预处理，然后进行拉普

拉斯金字塔６层分解，重构第６层高频子带，频带范

围９８．７５—１８７．５Ｈｚ，对重构后的第６层高频子带进行频谱分析。由于误差因素，实际检测出的故障频率和理论计算值稍有偏差，差值在允许范围内。

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图３信号ｓｉｇＩ对比故障频率检测效果

图３（ａ）是外环故障振动信号ｓｉｇｌ；对３（ｂ）是对

信号ｓｉｇｌ进行ｄｂ４小波６层分解，对等６层高频细节

进行重构，再进行ＦＦＴ变换；图３（ｃ）是对信号ｓｉｇｌ直

接进行ＦＦｒ变换；图３（ｄ）是对信号ｓｉｇｌ用笔者提出

的方法进行６层分解，对第６层高通子带进行重构，

再进行ＦＦ．Ｉ．变换。

从图３中可以看出，直接对信号ｓｉｇｌ进行傅里叶

变换，几乎无法检测出故障频率，故障频率被淹没在噪声频率中；对信号ｓｉｇｌ进行小波变换，然后再进行频谱分析，故障频率检测效果不好，而且出现了频带串扰现象；对信号ｓｉｇｌ采用本方法处理后再进行频谱分析可以很明显的检测出故障频率，并且克服了频带串扰现象。

４．２对轴承内环故障信号的对比分析

验证的轴承故障为内环有直径０．５３３４ｍｍ的裂纹，轴承转速ｎｌ＝１７５２ｒ／ｍｉｎ，电机输出功率１．４７ｋＷ，根据ＳＫＦ６２０５—２ＲＳ轴承尺寸，可以计算出此时内环故障频率＾＝１１，ｌ／６０×３．５８４８＝１５８．１Ｈｚ。传感器采样频率为１２０００Ｈｚ，仍然截取采样点数３２７６８点。同上所述，依次对故障信号进行傅里叶变换求频谱，ｄｂ４小波变换６层分解重构求频谱，基于共振解调的拉普

机械研究与应用 一

应用与试验

图４信号ｓｉｓ２对比故障频率检测效果

５结论

通过对比分析验证，可以得出结论，对于滚动轴承的内外环裂纹故障振动信号，与传统的傅里叶变换和小波变换相比，笔者提出的方法能更好的检测出故障频率检测。参考文献：

［１］潘光奇，朱勇．直升机传动系统现状和发展综述［Ｊ］．机械工

程学报，２００９（１１）：３３—３９．［２］

沈国际．振动信号处理技术在直升机齿轮箱故障诊断中的应用［Ｄ］．国防科学技术大学，２００５．［３］

ＭｉｎｈＮ．Ｄｏ，ＭａｒｔｉｎＶｅｔｔｅｒｌｉ．Ｔｈｅｅｏｎｔｏｕｄｅｔｓｔｒａｎｓｆｏｒｍ．．Ａｎｅｆｆｉ

ｃｉｅｎｔ

拉斯金字塔６层分解重构后求频谱。小波分解第６

层高频重构分量和拉普拉斯金字塔分解第６层高通子带重构分量的频带范围仍是９８．７５Ｈｚ～１８７．５Ｈｚ。实测故障频率和理论计算值稍有偏差。

从图４中可以看出，直接对信号ｓｉ９２进行傅里叶变换，几乎无法检测出故障频率，故障频率被淹没在噪声频率中；对信号ｓｉ９２进行小波变换，然后再进行频谱分析，可以明显检测出故障频率，但出现了频带串扰现象；对信号ｓｉ９２采用本方法处理后再进行频谱分析可以很明显的检测出故障频率，并且克服了频带串扰现象。

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ｉｍａｇｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｌｏｎ［Ｊ】．ＩＥＥＥ

１＇ｍｎ∞ｃｔｉ∞ｓ

ｉｍａｇｅ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００５（１４）：２０９１－２１０６．

［４】林京，屈梁生．基于连续小波变换的信号检测技术与故障诊

断［Ｊ］．机械工程学报，２０００（１２）：９５—１００．

［５］ＸｉｎＰａｎ．ＱｉｕＱｉＲｕａｎ．ＰｄｍｐｒＩｎｔ即ｃｑ印ｉｔｉ帆ｕｓｉｎｇｇ丑ｂｏｒ—ｂ｜１８ｅｄ

ｌｏｃａｌ２０４５．

ｉｎｖａｒｉａｎｔ

ｆｅａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｎｅｕｍｅｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００９（７２）：２０４０一

（上接第∞页）

数据定量的进行仿真分析。当变速器第一轴输入扭矩为２１７Ｎ Ｉｎ，输入转速为４０００ｒ ｒａｉｎ时，进行仿真，采用电动机直接驱动时，电机的输出功率与采用回收装置时马达的回收功率曲线及能量回收效率曲线如图３所示。

参考文献：

［１］

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李翔晟．用于传动系试验的一种新型节能系统［Ｊ］．南京林业大学学报，２００３。２７（５）：６６－６８．

［３］谭尹耕．液压实验设备与测试技术（修订版）［Ｍ］．北京：北京理

工大学出版社，１９９７．

６总结

根据试验台总体结构的设计，建立了系统的数学模型，根据数学模型在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立了系统的仿真模型，在建立的变速器功率完备试验系统仿真模型的基础上，从转速转矩变化和系统实现等方

［４］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

１９９９．

［５］三菱电机株式会社．变频器原理与应用教程［Ｍ］．北京：国防工

业出版杜，１９９８．

［６］路涌祥．电液比例控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８８．［７］张志涌．精通ＭＡＴＬＡＢ（６．５版）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学

出版社。２００３．

面进行了仿真研究和对比分析。仿真结果表明，采用

功率完备系统与电动机单独驱动系统相比节能４５％左右。

万方数据

４３

基于共振解调的拉普拉斯金字塔变换在直升机传动系统滚动轴承故障检测中的应用

作者：作者单位：

赵焕兴， 周威， 王光辉， Zhao Huan-xing， Zhou Wei， Wang Guang-hui

赵焕兴,Zhao Huan-xing(兰州大学,信息科学与工程学院,甘肃,兰州,730000;中国人民解放军61330部队,河南,新乡,453000)， 周威,王光辉,Zhou Wei,Wang Guang-hui(兰州大学,信息科学与工程学院,甘肃,兰州,730000)机械研究与应用

MECHANICAL RESEARCH & APPLICATION2011(1)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(5条)

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本文链接：http:///Periodical_jxyjyyy201101017.aspx