小波变换在转子故障信号 特征提取中的应用
主讲：牛广越 2015202131 精仪学院 组员：车亚辰 2215208001 材料学院
硕士研究生
目录
1. 背景-旋转机械转子故障 2.转子故障振动信号的定性分析
——基于小波包系数相关性的阈值滤波方法
3.转子故障振动信号的定量分析（碰摩周向位置） ——基于重分配小波尺度谱的时频分析方法
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2.转子故障振动信号的定性分析
设f(t)为一时间信号，p (t ) 表示第j层上， 即2j尺度上的第i个小波包，称为小波 包系数，G、H为小波分解滤波器，H 与尺度函数φj(t)有关，G与小波基函数 ψj(t)有关。二进制小波包的分解算法为
i j
小波包分解原理
1 p0 (t ) f (t ) 2i 1 p j (t ) H (k 2t ) p ij 1 (t ) k 2i i p G ( k 2 t ) p j j 1 (t ) k
二进制小波包的重构算法为
k k
i 1 2i pij (t ) 2[ h(t 2k ) p 2 j 1 (t ) g (t 2k ) p j 1 (t )
背景信号
s(k)
pj
i
小波包局部区域和系数
N ij (l )
k m l k m
区域相关系数
归一化区域相关系数
( N ij (l )) 2 k C ij (l ) CN ij (l ) (CN i (l )) 2 j k
特点
转系碰摩故障
除工频的整数阶次谐波分量外，还 存在工频的1/2分频的奇数倍分量
实验 测试 系统
加速度传感器
• 气激振动
Jeffcott转子为对象，建立了两端以滑 动轴承作为支承的试验转子系统的不平 衡和碰摩两种典型故障动力学模型
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目录
1. 背景-旋转机械转子故障 2.转子故障振动信号的定性分析
其中，t = i = 1，2，…，2j；J = log2N。 高频部分频带等分
1，2，…，2J-j；
其中，j = J﹣1，J﹣2，…，1；i = 2j ，2j-1，…，1；J = log2N；h、g为小 波重构滤波器，h与尺度函数φj(t)有 关，g与小波基函数ψj(t)有关。
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1. 背景-旋转机械转子故障
先验知识：
转子常见故障
• 不平衡 • 不对中 • 碰摩 • 轴承及其支撑故障 • 弯曲 • 油膜涡动 • 油膜振荡 • 松动 • 旋转分离 • 喘振 • 裂纹
转子实验平台
特点
转子不平衡、 不对中故障
1、工频一倍频振动幅值在频谱中峰值突出 2、存在工频的整数阶次谐波分量
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2.转子故障振动信号的定性分析
小波包分解原理
采用小波包分解原因? 答：需精细的频谱分辨率
两尺度关系
小波分解产生了由其频谱构成的连续倍频程频带的信号分量
小波包的引入：对分解后的高频频带进一步细分，即将时频进一步局部化。 小波包：借助于小波分解滤波器在各个尺度上对每个子带 均进行再次降半划分，从而得到比二进制小波变换更为精 细的信号
航空发动机示意图
美航波音767客机发动机高压压气机转 子轮盘裂纹故障引起的事故 Tianjin University
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1. 背景-旋转机械转子故障
结合历史经验信息，在已 知故障发生和故障类型基 础上，辨识旋转机械转子 故障程度、位置等相关参 数，减小判断误差，提高 置信度的故障诊断技术。
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大型旋转机械是航空、电力、石化、冶金等领域广泛 应用的关键设备。
主要包括：航空发动机、汽轮机、烟气轮机、鼓风机等等。
航空发动机
汽轮机
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1. 背景-旋转机械转子故障
转子系统作为旋转机械的核心部件，其运行过程中的振动是不 可避免的。 当旋转机械运行时，由于材料本身的缺陷、加工误差、安装失 误、意外冲击或疲劳破损等原因引起的故障多种多样，转子系统的 振动问题十分复杂。 方法 获取振动参数变化规律 提取故障特征，判断转子运行状态 措施 设备安全运行及提高生产效率
传统的时域分析、频域分析方法往往难以反映振动信号 的全部信息
小波变换
思路
一种基于小波包分解去噪的方法，利用转 子健康状态的振动信号为背景，提取故障 振动信号中的微弱特征信息。该方法利用 两组信号小波包分解系数的相关性判断背 景信号和故障信号的相似程度，并结合软 阈值滤波方法重构提取故障信号。能同时 应用于多种并发故障信号的处理 Tianjin University
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1. 背景-旋转机械转子故障 2.转子故障振动信号的定性分析
——基于小波包系数相关性的阈值滤波方法
3.转子故障振动信号的定量分析（碰摩周向位置） ——基于重分配小波尺度谱的时频分析方法
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1. 背景-旋转机械转子故障
旋转机械故障诊断的研究意义：
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2.转子故障振动信号的定性分析 ——基于小波包系数相关性的阈值滤波方法
依据1：幅值较大的小波系数由重要信号产生。
结点(j,i)的信号 p (k ) 的能量 1 N i En ( j, i) ( p j (k )) 2 N 1 i 1
i j
信号经小波变换后能量集中在少量较大的小波系数中，而噪声能量对应于大 量的小的小波系数，分布于整个小波域内。 同一测量点在相近的时间段内采集到的多组振动信号经小波包分解后 依据2： 得到的系数在相同结点处往往有较强的相关性。而故障力振动响应信号和原 有背景信号对应的小波包分解系数在响应特征结点处不具备相关性。
——基于小波包系数相关性的阈值滤波方法
3.转子方法
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2.转子故障振动信号的定性分析
信号特点
在轴系监测到的振动信号会产生相应的稳 态和瞬态响应，这些响应信号都是非平稳、 非线性的，有的还包含一系列的冲击衰减 响应，表现为振动信号的突变点