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    剪板機設備振動信號的分析與處理

    2020-08-07 09:53:46

    振動信號處理,就是對采集到的振動信號進行加工處理,抽取與剪板機設備狀態有關的特征,以便對剪板機設備狀態實施有效地判斷。
    信號處理的基本方法包括幅域分析、時域分析、頻域分析和相域分析。幅域分析是指對信號在幅值上進行各種處理;時域分析是指對信號在時間域內的分析和變換;頻域分析則是確定信號的頻率結構,即弄清楚信號中包含有哪些頻率成分及各頻率成分的幅值大小;相域分析即是進行相位值測量及對相位隨時間的變化進行分析。必須指出,不同的信號分析方法只是從不同的角度去觀察、分析信號,分析的結果反映了同一個信號的不同側面,因而更真實、更全面地揭示了信號的本質特征。不論進行何種信號處理,既不能增加也不會減少信號的信息成分。采用多種分析方法比采用單一分析方法所獲得的信息更加豐富,為準確判斷剪板機設備狀態提供了必要而充分的依據。
    1.振動信號幅域分析方法
    機械剪板機設備運行狀態的變化會導致振動時間信號的變化,同樣會引起信號時域描述的參數變化。機械故障是否存在,或直接通過信號波形的改變來判別,或根據信號時域參數的變化來診斷。前者有時候不易觀測分辨,后者比較行之有效。用以診斷機械故障的時域參數很多,但并非每一參數對所有機械故障都敏感,一般來說,應根據具體診斷對象加以選用,作為故障的特征參數。故障診斷常用的時域參數包括有量綱的參數和無量綱的參數兩大類。
    1)有量綱的參數振動信號的瞬時值隨著時間在不斷地變化,作為表現這種振動變化大小的方法廣泛地使用有效值。信號x(£)的均方值叫龍2(z)],或稱為平均功率砂:其表達式為
    表達了信號的強度,其正平方根稱為均方根值,又稱為有效值,也是信號的平均能量的一種表達。
    峰值是在某段時閥內振幅的大值,其表達式為
    對磨損類故障用均方根指標比較有效;沖擊類故障,對峰值指標比較敏感。但這些參數的數值大小與所用的測量儀器的頻帶有關,不同頻率范圍的儀器所測得的值不盡相同,頻率范圍寬、阻帶衰減特性緩慢的儀器讀數偏高。這些參數對監測狀態的變化有一定效果,但一般受負載、轉速及測試系統變化的影響較大,在要求不高的簡單監測情況下可選用,必要時可采用比值參數即無量綱的參數。
    (2)無量綱的參數有波形因子S、峰值因子C、脈沖因子,、裕度因子三,它們分別定義為
    (3)斜度指標和峭度指標偏斜度指標用于和正態分布曲線進行比較,定量地確定分布密度偏離正態分布的程度,峭度指標是概率密度分布陡峭程度的度量,表示振動波形中是否有沖擊或尖峭的值。它的定義為
    峭度系數盧對非平穩信號中的沖擊信號變化敏感。當剪板機設備出現沖擊時,則幅值概率密度函數偏離正態分布,相應峭度系數口明顯增大,能表征故障早期發展的程度。峭度系數盧在故障達到一定嚴重程度以后其量值反而衰減。
    一般來說,無量綱的參數對故障很敏感,而對信號的幅值和頻率變化并不敏感,即與剪板機設備運行的工況無關,僅依賴于幅值分布的形狀。實驗與分析表明,波形因子.s和峰值因子C對沖擊脈沖數的增多和幅值分布形狀的變化不太敏感,而脈沖因子,和裕度因子£則比較敏感,從而可望在剪板機設備的振動或噪聲信號診斷中加以應用。
    利用幅值域參數指標可以實現簡易診斷,只能判斷是否有故障,但是要判斷到底是什么類型的故障,故障發生在那個元件上以及故障的嚴重程度就需要對振動信號進行頻域分析,根據頻譜圖中的頻率成分以及各有關頻率成分幅值的大小進行準確診斷。
    2.振動信號時域分析方法
    (1)時域同步平均法
    時域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號中提取周期性分量的有效方法,也稱相干檢波法。當隨機信號中包含有確定性的周期性信號時,如果截取信號的采樣時間等于周期性信號的周期,將所截得的信號疊加平均,就能將該周期信號從隨機信號、非周期信號中分離出來,而保留指定的周期分量及高頻諧波分量,提高周期信號的信噪比。 、
    如果一信號戈(t)由周期信號Y(t)和白噪聲n(t)組成,以Y(t)的周期去截信號戈(t),共截得Ⅳ段,然后將各段對應點相加,由于白噪聲的不相關性,可得到此時輸出白噪聲是原來信號戈(t)中的白噪聲的l/佃,因此信噪比將提高。
    (2)相關分析
    相關函數描述了信號的相關性,揭示了信號波形的結構特征。用互相關函數可以描述兩個不同信號的相似程度;自相關函數除了描述信號在不同時刻的相似性,除消除噪聲之外,還可以反映信號幅值變化的劇烈程度。設茗(n)、Y(乃)為采樣值,m為時延拍數,Ⅳ為采樣點數,則信號的互相關函數為式(15)說明相關函數具有降噪特性,同時它還不改變信號的調制特性。調幅信號的自相關函數仍為調幅信號,調制頻率和載波頻率均不改變。
    3.振動信號頻域分析方法
    剪板機設備在運轉時,各部件都是以一定的頻率及幅值振動,即每個部件都有自身的“特征頻率”及“特征頻率幅值”。當特征頻率幅值增大時,表明該部件可能出現故障。因此利用頻域進行診斷時,只需分析出某一部件的特征頻率,并重點對該特征頻率的幅值進行監測,通過與標準特征頻率的對比,即可對該部件的運行狀態進行診斷。在一般情況下,剪板機設備各部件的特征頻率是不相同的,通過對不同特征頻率的監測,即可實現對不同部件故障的區分,實現故障的定性。
    (1)傅里葉變換分析方法傅里葉變換是進行頻率結構分析的重要工具,它可以分辨組成任意波形的一些不同頻率的正弦波和它們各自的振幅。對于一個時域信號石(t)其傅里葉正變換為傅里葉變換是從時域到頻域,或從頻域到時域的信號轉換,并無信息丟失。
    (2)離散傅里葉變換(DFT) 離散傅里葉變換是在數字計算機上進行的傅里葉變換。在對信號戈(t)進行傅里葉變換運算,并在計算機上實現時,必要的步驟是把模擬信號z(t)和x(一改造為離散數據,并且把計算范圍限定在一個有限區間,進而實現正、逆傅里葉變換運算。這樣,在時域和頻域中都只取有限個離散數據,這些數據分別構成周期性的離散時間函數和頻率函數。
    離散傅里葉變換(DFT)和離散逆傅里葉變換(IDFT)公式為其中將Ⅳ個時域采樣點與Ⅳ個頻域采樣點聯系起來。實際信號只要在所關心的處理區間是確定的,則無論其在非處理區間如何,都可以用上式構成 DFT和IDFT的關系。為了減少計算次數,提高運算速度,一般采用基于時間抽取的快速傅里葉變換(Frr)算法。
    (3)功率譜分析方法 傳統的傅里葉變換能夠很好地處理平穩信號。從理論上講,傅里葉變換不能處理非平穩信號。而故障信號,絕大部分是非平穩信號。在頻譜分析中,幅值譜通過信號的傅里葉變換直接求得,而功率譜可通過幅值譜的平方求得,另外也可以通過相關函數的傅里葉變換求得。功率譜在對各種動力學過程的分析中,具有更加明顯的效果,功率譜圖中突出了主頻率,而且對隨機非平穩信號通常只做功率譜分析。
    自功率譜分析:自功率分析能夠將實測的復雜工程信號分解成簡單的諧波分量來研究,描述了信號的頻率結構,因此對機器剪板機設備的動態信號做功率譜分析相當于給機器“透視”,從而了解剪板機設備各個部分的工作狀況。
    用F兀'方法可以直接從原始數據計算功率譜密度估計。理論上可以對任意采樣長度Ⅳ的數據進行計算,但實際中為了減少運算次數,往往采用的數據長度為 N=2“(m為正整數)。因此,數據序列必須被截取或者加上零值點,以得到所要求的數據點個數,即對原始數據必須用時間窗進行截斷處理或補0。
    對于一個測量數據記錄樣本來說,當采樣長度為%時,其單邊連續功率譜密度為:
    若采樣周期為丁,由連續傅里葉變換和離散傅里葉變換關系式得:
    故其單邊離散功率譜密度為:
    互功率譜分析:互功率譜分析能夠揭示不同信號間的相互關系的規律。設測量數據記錄的兩個樣本戈(t)、Y(t)的采樣序列分別為其中凡=0,1,2,…,Ⅳ-1。與自功率譜密度推導相類似,互功率譜密度表達式可寫為:
    (4)倒頻譜分析方法倒頻譜(Cepstrum)分析可以處理復雜頻譜圖上的周期結構。倒頻譜分析技術早期用于地震的回波分析,近年在機械故障診斷、語音信號分析、雷達及聲吶的數據處理等方面得到相當廣泛的應用。倒頻譜可將輸入信號與傳遞函數區分開來,便于識別。還能區別出因調制引起的功率譜中的周期分量,診斷剪板機設備出調制源。這在齒輪和滾動軸承發生故障、信號中出現調制現象時,對于檢測和分析信號十分有效。
    倒頻譜的數學描述為兩類:一類是實倒頻譜(Real Cepstrum),簡稱“R.CEP”;另一類是復倒頻譜(C。mplex Cepstrum),簡稱“C—CEP"。
    實倒頻譜:如果時間序列名(t)的傅里葉正變換為x,其功率譜為:
    即功率譜的對數譜的模的平方。式中,表示傅里葉正變換。
    2)幅值倒頻譜(Magnitude Cepstrum) 實際應用較多的是上式的算術平方根定義形式,稱為幅值倒頻譜,即功率譜的對數譜的模。
    復倒頻譜在實倒頻譜分析中,丟失了剪板機設備相位信息。復倒頻譜是從復譜得來的,因此不損失相位信息。
    設時聞信號茁(t)的傅里葉變換為X,即為表示傅里葉逆變換。

    (文章摘自網絡,旨在分享更多專業剪板機知識,為更多長江機床產品使用的用戶提供便利;如有不合適的請及時聯系我們進行修改、刪除、更正處理!)

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