改进盲源信号处理的集成动力装置故障诊断 文章编号16742974201405011305 收稿日期20130910 基金项目国家重点基础研究发展计划项目2014CB046402;国家自然科学基金资助项目（51175014, 51305011）；
教育部外专局111计划资助项目 王 芳（1981-），女，河南淇县人，北京航空航天大学博士研究生 k通讯联系人，Eお k 摘 要针对高速集成动力装置中振动信号相互耦合严重而普通方法无法进行有效分离的问题，提出一种改进的盲源信号处理方法.该方法在传统盲源分离方法的基础上，通过故障机理获得的先验知识确定源的数量和频率特征，从而有效地提升故障信号源的分离效果.试验验证结果表明，采用改进的盲源信号处理方法处理后的信号与实际系统的故障特征吻合度很高，该方法能够有效地应用于高速集成动力装置的故障诊断并提高诊断精度. 关键词故障诊断；
集成动力装置；
盲源分离 中图分类号TH206.3; TH132.4 文献标识码A An Improved Blind Source Separation for the Fault Diagnosis of Integrated Power Unitお WANG Fang，WANG Shaoping，HONG Weik （School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing Univ of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China） Abstract In highspeed integrated power units, vibration signal coupling is very serious, which makes it difficult to determine the number of vibration sources by using traditional s. In order to cope with this problem, this paper proposed an improved blind source signal processing . Based on the traditional blind source separation , this used prior knowledge of failure mechanism to enhance the effect of blind source separation. Experiment results show that signal after separation fits well with fault characteristics. This is very effective in the fault diagnosis of integrated power unit and it can improve the accuracy of fault diagnosis. Key wordsfault diagnosis; integrated power unit; blind source separation お 导弹推力矢量控制系统通过改变发动机喷管摆角调整其姿态，主要由动力装置、液压油源回路和电液伺服控制回路3个部分组成.动力装置为电液伺服系统提供能源，是姿态控制子系统中的关键分系统，一旦失效将直接导致战斗任务失败.据统计，动力装置失效或性能衰减的发生频次明显高于其他部件，因此研究导弹动力装置的故障诊断至关重要. 由于导弹动力装置结构紧凑、转速高、机械传动部件在高速运转工况下振动耦合严重，通过检测系统振动很难准确定位故障特征.为了有效剔除振动噪声，目前广泛采用频谱分析方法、小波分析方法、经验模态分析方法等振动信号处理方法/[1/].频谱分析是现代信号处理技术的最基本和常用的方法之一.该方法是采用傅里叶变换将时域信号转化为频域信号，通过比较频域信号中各轴的旋转频率、齿轮啮合频率及其高次谐波等主要频率点的幅值、相位的变化可以了解旋转机械的运行工况，进而实现故障诊断［2］.小波分析方法是通过选取相应的小波基，进行小波变换将特征信号从强干扰的原始信号中分离出来，从而实现状态监测.小波分析方法的优点在于可以根据特征信号的特点选取相应的小波基，实现特征信号的有效提取/[3/].经验模式分解法把时频信号分解成一系列固有模态函数的方法 /[4/]，既能对线性稳态信号进行分析，又能对非线性非稳态信号进行分析.这些方法虽然都可以对振动信号噪声具有一定的滤除作用，但对多个相邻的振动信号耦合情况的效果却不甚理想.原因是振源间距离近时，振动耦合严重，很难从单一传感器获取信号中准确地提取振动特征.其次，动力装置高速旋转使得振源产生的振动频率很高，振动在传播过程中容易产生共振和畸变，因此也使得振动特征难以被提取. 盲源分离（Blind Source Separation，BSS）是一种20世纪80年代提出的多源信号分离方法/[5/]，它能在没有先验知识的情况下，通过多路传感器信号的特征变换实现源信号的分离和估计.针对高速集成旋转机械的特点，利用盲源信号分析方法分离耦合的故障特征成为可行. 本文首先分析高速集成动力装置的故障机理和振动特征，提出一种改进的盲分离方法分离源信号，通过矩阵变换消除振动信号间耦合影响，实现伺服机构典型故障诊断. 1 高速集成动力装置故障特征分析 图1为高速集成动力装置的结构示意图，主要由中频电机、离合器、涡轮、齿轮减速器、液压泵组成，其中高速小齿轮轴采用背靠背角接触轴承支承.动力装置外轮廓尺寸为202 mm150 mm150 mm，体积小，结构非常紧凑. 当这些组成元件出现故障时，均会造成动力装置各处出现振动异常，尤其其中2个以上的故障发生时情况就更加复杂.该动力装置具有以下特点 1）转速高 该动力装置中减速器的设计输入转速为40 000 r/min，地面试验时输入转速12 000 r/min，是典型的高速旋转机械. 2）集成度高 齿轮减速装置与检测电机、柱塞泵均采用内外花键连接，避免了联轴器增加的额外重量和体积；
齿轮装置通过板式连接固定在主机结构上，连接板内加工有柱塞泵的进出口油道，直接与主机油源壳体连接.各旋转部件间距离小于50 mm. 1-中频检测电机；
2-超越离合器；
3-涡轮；
4-液压油泵；
5-单向阀；
6-联轴器；
7-减速器；
8-轴承（4个）；
9-振动传感器（8个） 图1 集成动力装置结构图 Fig.1 The structure of integrated power unit お 3）润滑状况恶劣 该动力装置的轴系采用滚动轴承支承，齿轮、轴承均采用油脂润滑，避免了油液润滑引入的额外重量和系统复杂度.该动力装置运转时，不具备通过润滑油循环带走热量的条件，加之紧凑安装使壳体向周围空气中散热的条件非常苛刻，长期运转必然造成润滑条件过早失效，导致轴承和齿轮过早磨损. 鉴于以上高速集成动力装置的结构和故障特点，图1所示4个轴承、减速器大小齿轮和液压泵横纵向8个传感器检测的振动信号耦合严重，故障特征提取异常困难，如图2所示. 频率/Hzぃa 小齿轮故障对应的振动信号お 频率/Hzb 滚动轴承外圈故障对应的振动信号お 图2 动力装置振动信号特点 Fig.2 The vibration signal characteristics of integrated power unit 2 集成动力装置故障机理分析 2.1 齿轮故障模式分析 当齿轮由于齿形误差、轮齿中心偏离旋转中心、齿轮转轴的位置精度不足等造成齿面故障时，齿轮啮合时轮齿表面承受法向载荷，两啮合轮齿之间既有相对滚动又有相对滑动，滑动摩擦力在节点两侧作用方向逆转.复杂的交变力作用下，齿根应力比较集中，易产生裂纹、甚至断齿等失效现象，齿面则因复杂的物理、化学作用，齿面材料丢失，形成点蚀、胶合、划伤、磨损、疲劳剥落等现象.当齿轮过度磨损或断齿，齿轮在相互啮合过程中，轮齿之间的连续交变冲击作用，齿轮产生受迫振动，一对啮合齿轮的啮合冲击频率可按下式计算 fzZ1N160Z2N2601 式中Z1为大齿轮的齿数，N1为大齿轮的转速r/min，N2为小齿轮的转速r/min，Z2为小齿轮的齿数. 齿轮局部异常引起的冲击振动与齿轮系统的固有振动有关.当齿轮存在齿面磨损、轮齿或齿形误差以及齿轮间隙增加时的转速变动等局部异常时，轮齿进入进出啮合过程都会产生冲击，激发齿轮系统的固有频率，产生共振现象.齿轮的固有振动频率可用下式计算 f012πkm2 式中m和k为齿轮的等效质量和刚度系数，其值可以根据经验或有关手册来确定. 当出现齿形误差时，齿轮每啮合一次，即发生齿形误差的齿轮每转动一周，就会发生一次冲击.于是得到的频谱就会是以啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制现象.当齿轮断齿时，就会出现很大的冲击振动，当激励起固有频率时会产生固有频率调制现象. 2.2 轴承故障机理分析 滚动轴承是旋转机械中最常采用的部件之一，也是最容易产生故障的部件，轴承有3种寿命接触疲劳寿命、磨损寿命和润滑脂寿命.常见的故障形式是滚动表面疲劳剥落和磨损，偶尔也会出现滚动接触部件断裂的故障模式.滚动轴承工作时，滚道和滚子表面既承受法向载荷又相对滚动，在交变载荷的作用下，首先在表面下一定深度处最大剪应力处形成裂纹，继而扩展到接触表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落.疲劳剥落是滚动轴承故障的主要原因. 当滚动轴承的某一元件表面存在故障时，在轴承的旋转过程中，故障表面会周期性撞击滚动轴承的其他元件表面产生间隔均匀的脉冲力，脉冲力的幅值同时又受轴承载荷分布的调制.这些脉冲力会激起轴承座或其他机械部件的固有频率产生共振.轴承的损伤可能发生在内滚道上、外滚道上、滚珠（或滚子）上，乃至保持架上． 根据轴承运动学，内环故障的特征频率 fiNR┆pm60－fcN2R┆pm601dDcos α （3） 式中N为滚珠的个数，d为滚珠的直径，R┆pmе岢凶速，D为节圆直径，Е联为接触角. 外环故障的特征频率 foN2R┆pm601－dDcos α （4） 以此类推，可以得到液压泵、中频电机故障时振动信号的特征频率点. 2.3 多传感器优化布局 由于动力装置集成度和完整性的要求，只能采取在动力装置外表面安装加速度传感器的方案.以上故障机理分析为传感器的布局奠定了基础.为了有效捕获齿轮、轴承、泵的故障信息并进行准确的故障诊断定位，需要在动力装置上加装传