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1、word锁相技术在时域平均分析中的应用摘要:文章分析了锁相技术的根本工作原理, 剖析了锁相环路工作时的锁定与跟踪两个根本过程。将该技术的跟踪工作状态运用于齿轮箱故障诊断, 在锁相环路输出信号的一个周期内发出一定数量的脉冲作为时域平均处理的外采样时钟, 消除了转速不均的影响。对刮板运输机减速箱中齿轮振动信号进展平均响应谱分析和频谱细化, 从而较准确地找出故障频率。作为时城平均处理的外采样时钟、可消除转速不均的影响, 并取得满意的结果。关键词: 锁相技术; 齿轮箱故障诊断; 时域平均分析1 引言时域平均方法是以一定的时标周期去截取信号, 然后将截得的信号段离散采样后的对应点相加求平均, 这样可消除
2、与时标周期无关的信号分量, 平均后信噪比提高了M 倍 13 。时域平均分析克制了频域分析中边带难以识别与对弱信号反映不灵敏的缺点, 能有效诊断出齿轮的微小局部故障。但这种分析方法是在对齿轮振动信号作同步平均的根底上完成的, 所以直接影响分析的准确度。因此, 在测取齿轮振动信号的同时, 拾取作为同步触发的时标脉冲和离散采样的时钟信号是一个关键问题 4 。多数情况下, 在时域平均处理时, 信号分析仪在做时域平均处理时一般实行脉冲触发, 内时钟等间隔采样, 这在大局部情况下是没问题的。但是, 当由于电机的电压波动或静、动载荷的变化而引起齿轮转速发生低频率的速度飘移或高频率的速度颤抖时, 与转速同步的
3、时标脉冲周期不同, 而采样仍按等时间间隔进展。这样, 在载取的每段信号中采样点数不同, 从而对时域平均结果产生较大影响。为了获得较理想的时域平均结果, 可以用计算机进展二次采样后同步平均, 也可以利用锁相技术实现时域上的相位锁定, 进展外时钟采样。2 锁相技术的原理分析锁相就是相位同步的自动控制 5 , 实现两个信号相位同步的自动控制系统称锁相环路( PLL) 。锁相环路由鉴相器( PD) 、环路滤波器( LF) 与压控振荡器( VCO) 组成, 如图1 所示。图1 中Vi( t ) 为输入信号, VO ( t) 为输出信号, Vd ( t) 与V C( t) 为误差电压信号。鉴相器比拟系统输
4、入信号V i( t) 与输出信号V O( t) 之间的相位, 产生一个对应于两信号相位差的误差电压V d( t ) , 经环路滤波后得到一个去除高频分量和噪声干扰的误差电压V C( t) , 以此电压去调整压控振荡器输出信号频率。锁相环路有两个根本工作过程, 即进入锁定状态前的捕获过程和保持锁定状态的同步跟踪过程。图1锁相环路狂徒锁相环路系统的微分方程为： 1式中压控振荡器的控制灵敏度或增益系数鉴相器的灵敏度或线性化增益系数输入、输出信号的瞬时相位差, 、分别为输入、输出信号的瞬时相位P 微分算子设锁相环路输入一个频率和相位不变的信号, 即2( 2) 式中称作输入、输出信号的固有频差。将( 2
5、) 式代入( 1) 式, 得3( 3) 式左边第1 项是瞬时相差e( t ) 的微分, 代表回路瞬时频差。第2 项是压控振荡器受误差电压控制而产生的频率变化, 称控制频差, 瞬时频差与控制频差之和总是等于固有频差o。当通过环路作用使控制频差逐渐加大至固有频差时, 瞬时频差为零, 即压控振荡器输出信号频率被锁定在输入信号频率上, 此时环路处于“锁定状态。当锁相环路的输入信号频率和相位不断变化时, 通过环路作用使瞬时频差为零, 瞬时相差为一定值。因此, 压控振荡器输出信号频率和相位能跟踪输入信号频率和相位的变化, 环路处于“跟踪状态。锁相技术应用于时域平均分
6、析时, 须在环路输出端加过零触发器、微分电路、整形电路和倍频器等后续处理电路, 使压控振荡器输出信号的每个周期( 跟踪输入信号周期) 内发生一定数量的脉冲作为外采样时钟。尽管转速不均而引起与之同步的外触发时标信号频率发生变化, 但每个时标周期内采样点数N保持不变, 从而消除转速波动的影响。3 时域平均分析测试系统原理框图, 如图2 所示。用JC- 2 型压电晶体加速度传感器在齿轮箱轴承座上提取振动信号, 经DF- 1A 电荷放大后, 送入SD380Z 高精度信号分析仪进展时域平均处理, 同时用位移传感器拾取一个与转速同步的时标脉冲送入信号分析仪进展外触发采样, 并且在触发的每个周期内, 通过锁
7、相环路与后续处理电路发生固定数量( 512) 的脉冲作为时域平均分析的外采样时钟, 即采样点数N = 512,平均次数取M = 100 。把同步平均后的波形进一步作平均响应谱分析, 如图3a 所示, 图3b 表示未经时域平均处理的一般功率谱, 谱图用MP5100 绘图仪绘制。由图3 可以看出, 两图的频谱结构根本一样, 图中谱峰最高处频率为775. 00 Hz, 对应齿轮z 1 = 19, z 2 = 30, 齿轮转速为1 220 r/ min, 啮合频率的二次谐波为2f m。图3 中还可看到两齿轮啮合频率基波f m与其3 次、4 次谐波分量为3f m 和4f m, 明确两齿轮发生严重磨损故障
8、。不同的是平均响应谱图消除了与时标周期无关的分量, 而有关的啮合频率分量如此得到加强, 谱峰更突出。此外, 图3b 中3f m 和4f m 分量淹没在噪声中, 而从图3a 中却看得非常清楚。为看清调制效应和低频分量, 以775. 00 Hz 为中心频率f o, 将平均响应谱放大16 倍得到细化功率谱, 如图4 所示。图4 中光标处谱峰频率为773. 28 Hz, 即两齿轮啮合频率的二次谐波( 细化后频率分辨率提高) 。在其两侧可清楚地看到由于调制效应而对称分布的边频带系, 边带间隔( 调制频率) 为20. 33 Hz, 对应齿轮z 1 的轴频。从图4 中也可看到频率为20. 33 Hz 的谱峰
9、( 光标处) , 明确啮合齿轮z 1、z 2 存在严重点蚀,甚至小片剥落, 且以小齿轮z 1 更为严重。同样, 以20 Hz 为中心频率, 将平均响应谱放大16 倍得到细化功率谱, 为节省篇幅, 其功率谱轨迹图省略。4 完毕语锁相技术应用于时域平均分析时, 能突出与时标周期有关的信号分量, 平均处理效果好。当谱图中出现两齿轮啮合频率的高次谐波, 特别是高次谐波幅值超过基波幅值时, 明确齿轮已严重磨损。频谱细化技术能有效识别边频带。参考文献 1 曾其勇, X克仁. 刮板运输出减速箱的平均响应谱故障诊断 J . 煤矿机械, 1995, ( 1) : 20- 22. 2 屈梁生, 何正嘉. 机械故障
10、诊断学 M . 某某: 某某科学技术, 1986. 167- 184. 3 Mcf adden P D A. S ignal process ing t echnique for det ecting local def ect s in a gear f rom signal average of vibrat ion J . IM Ech e,1985, 199( 4) : 287- 292. 4 艾延廷, 盛元生. 时域分析技术在齿轮故障检测中的应用 J . 某某航空工业学院学报, 1992, 19( 6) : 73- 81. 5 陈世伟. 锁相环路原理与应用 M . : 兵器工业, 1990. 20- 79.( 责任编辑吕杰)5 / 5
