摘要:本文首先对小波阈值的选择进行分析改进。分别采集提升机减速箱的正常与故障信号，通过改进的惩罚阈值法进行降噪。再利用包络解调法提取出降噪故障信号中的低频冲击信息。结果表明，此方法能够得出有效的诊断结果。

　　关键词:阈值去噪;小波分析;包络解调;提升机

　　中图分类号：TH133;TH165　　文献标识：B

　　Abstract: Firstly, a wavelet threshold is chose and improved in this paper. From the hoisting machine, normal and fault signals are collected respectively, which is denoised by means of improved penalty threshold. With the envelope demodulation of denoised signal, the impact information is extracted. It shows that a correct diagnosed result can be identified with this method.

　　Key words: threshold denoises; wavelet analysis; envelope demodulation; elevator

　　引言

　　在工程应用中，对于低速重载设备振动的微冲击，提取特征的技术和方法较少，导致其零部件出现破碎或断裂等故障隐患时，难以发现，恶性事故频频发生【1】。故障诊断的关键是提取故障的特征。本文将利用改进的惩罚阈值法对两种状态下的信号进行小波降噪，结合包络解调提取出降噪故障信号中的低频冲击信息，为低速重载旋转机械的故障诊断提供了一种有效的新方法。

　　1. 小波阈值的分析及改进。

　　小波阈值直接关系到信号消噪的质量。如果阈值太小,去噪后的信号仍然有噪声;相反,阈值太大,重要的信号特征又被过滤掉，引起偏差。从直观上看,对于给定的小波系数，噪声越大，阈值也越大。

　　1.1 小波阈值的分析。

采用Birge-massart惩罚方法得到的阈值，称为惩罚阈值，表示如下： (1)

(2)

　　式中，c(k)是小波系数，是按绝对值递减顺序存储的，alpha一般取2或3，n是系数的个数， Det为细节小波系数的绝对值中值.

　　1.2 小波阈值的改进。

　　对于原有的penalty阈值法，利用了小波系数的绝对值中值来对信号噪声水平进行了估计。这种方法应用于不规则、非平稳的信号会出现一定的偏差，有必要进行改进。

　　小波系数绝对值平均值,在某种程度上反映了信号的特征,在描述信号的特点时,具有良好的参考价值,可以作为描述系数特性的一个噪声因子。加入此因子后,可以避免中值在噪声估计时造成过于偏大或过于偏小的缺点【2】。改正后的噪声估计计算如下:

设为第i层小波系数的绝对值中值,为第i层小波系数的绝对值平均值,则对于第i层小波分解后得到的信号噪声估计表示为:

(3)

阈值为： (4)

　　2. 共振解调分析

　　当轴承出现局部损伤时, 运行过程中将产生周期性脉冲力并激起系统的高频固有振动【3】，同时必然覆盖了监测部件的固有频率,根据实际情况, 可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。利用 Hilbert 变换进行包络解调, 去除高频衰减振动的频率成分, 得到只包含故障特征信息的低频包络信号, 对这一包络信号进行频谱分析便可提取滚动轴承的故障信息[4]。

其中Hilbert变换是关键一环，实信号的的Hilbert变换定义为

(5)

式中，表示对括号内的信号进行Hilbert变换。

　　从而构造出新的解析函数式为

(6)

　　由此可以得到信号的包络曲线方程为：

(7)

　　对式(3)进行谱分析，就得到多阶解调谱的特征

　　共振解调分析原理图如图1所示：

　　包络解调 带通

　　滤波 混在 激起 故障

　　冲击 高频固有振动 传感器拾取的振动信号 某一高频固有振动 低频

信号 图1 共振解调分析原理图

　　Fig.1: analysis of envelope demodulation

　　3.实验分析

　　某钢厂提升机减速机为六级齿轮减速器，其结构简图与测点分布图，如图2所示。机组参数见表1。提升机工作时处于变速状态,选择其匀速提升阶段的振动信号进行分析。匀速提升阶段减速箱各轴转速及齿轮啮合频率如表2所示，提升机各轴转频大多处于0-10Hz，又承载重型设备，可以考虑为低速重载旋转机械。

　　图2 减速机结构简图 图3 原始信号与其包络解调图

　　Fig.2: gearbox structure Fig.3: original signal and

　　envelope demodulation

　　表1 机组参数

　　Tab.1 parameters of machine set 型号 台数 功率(KW) 转速(rpm) 转速比 电机 3-MOT.1PQ8 4 335 743 减速机 A5918810100 1 315*4 743 63.37/31.685 表2 减速机的振动频率

　　Tab.2 vibration frequency of gearbox 轴数 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 齿数 19 65 输入 行星轮系 输出 输入 输出 输入 输出 56 95 太阳轮 行星轮 内齿轮 48 59 18 58 21 18 36 90 轴频 12.38 3.62 2.475 12.38 4.125 2.480 4.125 3.358 1.042 0.4 啮合 235 235 148.5 198.096 60.444 21.885 对减速机各个测点进行跟踪观察，发现振动趋势增大，其中以Ⅳ轴最为明显。在Ⅳ轴7、8号测点处，用加速度传感器采集齿轮振动信号。采样频率fs=2560Hz,分析频率1000Hz。图3给出了振动趋势增大后运行状态下的振动信号时域波形。

　　利用传统小波阈值法和改进的惩罚阈值法分别对信号进行降噪，如图4所示。

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