阶次跟踪技术在旋转机械信号分析中的应用

阶次跟踪技术在旋转机械信号分析中的应用

原油泵的噪声源主要包括柴油发动机的主要噪声、冷却风扇噪声、通风噪声、气声、气声、，生产线噪声和混凝土系统噪声。为了降低驾驶室内噪声,必须首先识别出噪声源,弄清噪声源产生的机理和规律,再根据挖掘机的实际提出有效的降噪措施。目前针对液压挖掘机的噪声源识别方法主要有主观评价法、近场声压法、覆盖法、频谱分析法、相干分析与偏相干分析技术等。但是由于各噪声源之间存在特征差异,同时单个噪声源在不同作业条件下表现出来的声波特性也不一致,采用上述方法很难从这两个角度同时展开分析对比。采用阶次跟踪技术对挖掘机的噪声源进行识别,不仅可以识别出驾驶室内主要噪声源,还能得出各噪声源在不同转速工况下对驾驶室内噪声的贡献量。1等角度采样分析阶次跟踪技术是从周期载荷作用(特别是旋转机械)的测试系统中分离正弦成分的一种信号处理方法,被广泛用于系统的故障诊断、设计和综合分析。该技术采用的是等角度采样,发动机等旋转机构以转速n旋转时,每旋转一定角度对信号取样一次,其角域采样方式如图1所示。每转等角度采样M个点,以旋转P转内的总采样点数N作为一个数据块记录长度。将加速、减速等时域非稳态信号转换到角域内得到角域稳态信号,在角域内进行分析,可以避免时域非稳态信号使用常规频谱分析引起的频率混叠,分析结果模糊的现象。根据等角度采样的特点,将其与等时间采样类比,可以发现时域与角域稳态信号主要分析参数的对应关系,如表1所示。表1中fs为每秒等时间采样点数,即时域采样频率,M为每转等角度采样点数,即角域采样频率。对角域稳态信号进行FFT变换,转换至阶次域,可以得到清晰的图谱,即阶次谱。由旋转机械引起的信号特征与转速相关的部分可以以阶次能量集中的形式表现出来,给噪声源识别提供依据。因此,抛开“时间”和“频率”,以机构主频和谐波的“阶次”为依据作跟踪分析,即阶次跟踪分析,则可以避开转速变化的影响,取得良好效果。阶次跟踪技术最关键的问题在于如何实现转速变化过程中信号的等角度采样。实现等角度采样大体上可以分为两个步骤:第一步是以高采样率对原始信号进行等时间间隔采样,同步记录转速探头接收的脉冲串序列;第二步是进行插值重采样,利用转速脉冲序列转化为转速-时间函数,经过积分得到转角-时间函数,据此生成等角度序列对应的采样时间序列,再以这些时间序列对原始信号进行插值重采样,从而可以得到阶次分析所需的角域稳态信号。等角度采样的主要实现方式如图2所示。2转速对重负荷的影响试验所用的大型液压挖掘机如图3所示,该挖掘机有9个常用油门控制挡位,分为怠速运转、经济模式、标准模式、重载模式和强力模式几个作业工况,发动机转速范围为1000~2100r/min。挖掘机作业时伴随的运转部件包括柴油发动机、冷却风扇、液压柱塞泵和阀,以及进排气系统,这些运转部件的辐射噪声受发动机转速的影响均比较显著。而挖掘机在不同作业负荷要求下,油门挡位和发动机转速会由驾驶员相应地进行切换,因此驾驶室内的噪声也会随之改变。2.1发动机电控系统测试常规的频谱分析法只能针对挖掘机在单个工作挡位下的噪声进行分析,而无法对挖掘机挡位切换或转速改变引起的噪声变化趋势进行全局考察。采用阶次跟踪技术则可以解决这一问题。挖掘机现场测试分析仪采用比利时LMS公司的数据采集前端SCADAS和Test.lab10B软件分析系统、PCB传声器、声级校准器及激光测转速仪等。根据GB/T25613—2010《土方机械司机位置发射声压级的测定定置试验条件》的规定,将传声器水平置于距离驾驶员头部中间对称平面200±20mm的两侧位置,与眼睛成一线,指向驾驶员前方。测试要求环境背景噪声低于噪声信号10dB以下。转速探头通过夹具安装在发动机机体侧端,调节转速探头角度,使发射光线沿发动机输出轴颈的半径方向,同时在转速探头所指轴颈对应位置粘贴反光纸,见图4。试验时,由工作人员通过换挡方式来实现液压挖掘机发动机转速的调节,由于怠速转速为1000r/min,最高转速为2100r/min,因此设置测试系统噪声信号采集触发转速为1050r/min,采集终止转速为2050r/min,从1挡逐渐递增至9挡,同步采集转速脉冲信号和驾驶室内噪声信号,其中发动机转速随时间的变化曲线如图5所示,图中间断出现的水平线段表示人工换挡操作间隔期间内当前挡位的稳态转速。2.2进排气系统噪声的特征分析根据驾驶室内噪声信号的特征频率分布范围,确定最高分析阶次为32阶。与时频变换相似,由角域信号经FFT变换至阶次域,为了尽量减小阶次泄漏,同样需要加汉宁窗,同时噪声信号作A计权处理。对驾驶室内噪声信号采用阶次分析,可以得到阶次跟踪三维瀑布图,如图6所示,Z向幅值表示发动机在特定转速下,各阶噪声声压信号的RMS(均方根)幅值。从图6中可以大概看出引起驾驶室内噪声的主要阶次,为了从全局角度定量描述各阶信号对挖掘机驾驶室内噪声的平均贡献量,将发动机各转速下的噪声在阶次域内进行能量累加平均,得到噪声的平均阶次谱图,如图7所示。提取图7中峰值阶次的噪声能量幅值,并分别计算各阶次分量占总能量的比重,如表2所示。试验液压挖掘机选用的是6缸4冲程柴油发动机,冷却风扇与发动机主轴通过皮带轮实现动力传递,两者传动比为0.8,风扇的叶片数为6,等角度均匀分布。从发动机的基本参数可知,发动机的点火基频为主轴旋转频率的3倍,又因为进排气系统的压力脉动噪声与发动机点火基频相同,所以,可以确定图7中的3阶噪声分量是由进排气系统噪声引起的,考虑到A计权处理和低频幅值衰减的因素,6阶噪声很有可能是该3阶进排气噪声的2次谐波成分。根据冷却风扇与发动机主轴的传动比以及风扇叶片数,可知风扇的叶片通过频率是发动机旋转频率的4.8倍,因此可以确定图7中的4.8阶噪声分量是由冷却风扇叶片周期性地切割空气产生的周期性空气压力脉动噪声引起的。试验所用挖掘机的液压系统匹配的液压泵为高压柱塞泵,柱塞个数为9,发动机轴端与柱塞泵输入轴端采用联轴器连接实现动力输出。高压柱塞泵噪声产生的原因是很多的,但概括起来,可以分为机械噪声与流体噪声两大类。(1)机械噪声:1)由斜盘及变量机构振动、轴承振动产生的噪声频率为f=z·(n/60),Hz;2)由泵的旋转偏心与不平衡产生的噪声频率为f=n/60,Hz。(2)流体噪声:1)由固有流量脉动与压力冲击产生的噪声频率为f=z·(n/60),Hz;2)由配油盘困油区倒灌流量与压力冲击产生的噪声频率为f=z(n/60),Hz。以上各式中:n为发动机转速,r/min;z为柱塞个数,奇数。根据特征频率和特征阶次的关系f=O·(n/60),Hz可知,图7中9阶噪声分量肯定是由柱塞泵引起的,但是机械和流体噪声能量贡献难下定论。18阶噪声分量幅值也相当突出,可以确定主要是由柱塞泵固有流量压力脉动噪声引起的,同时包含有9阶噪声分量的2次谐波成分;27阶噪声分量幅值较低,可能是9阶噪声分量的3次谐波成分。此外,为了考察挖掘机挡位切换或发动机转速变化过程中,驾驶室内噪声主要阶次分量的贡献量随之变化情况,对阶次跟踪瀑布图作阶次切片处理可以得到所需结果,如图8所示。从图8中可以看出:(1)驾驶室内噪声值随发动机转速呈现波动变化的趋势,转速在1300r/min附近和1500~1800r/min范围内噪声值偏大。(2)发动机转速在1700r/min以下,液压柱塞泵机械和流体噪声为驾驶室内的主要噪声源,转速在1700r/min以上,进排气噪声和冷却风扇的噪声对驾驶室内噪声贡献量逐渐凸现出来,而柱塞泵噪声随发动机转速升高呈衰减趋势。3液压起重机噪声跟踪的可行性分析对发动机、变速器、液压泵和冷却风扇等旋转机械升降速状态下引起的非稳态噪声信号进行识别时,传统的频谱分析方法因“频率模糊”而不能反映真实结果。采用阶次跟踪技术,可以清晰地找出噪声的特征阶次,然后结合旋转部件自身的噪声特性以及旋转部件与基准轴之间的传动比分析,确定出特征阶次对应的旋转部件,从而识别机器的主要噪声源和