AR双谱在减压阀故障诊断中的应用.pdf

7 0 机 械 设计 与制 造 Ma c h i n e r y D e s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 1 期 2 0 1 1 牟 1 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 1 - 0 0 7 0 - 0 2 A R双谱在减压阀故障诊断中的应用冰 高 竽黄 宜坚 华侨大学 机电及自 动化学院， 厦门 3 6 1 0 2 1 A p p l ic a t i o n o f AR b i- s p e c t r u m i n f a u lt d i a g n o s i s o f r e d u c i n g v a lv e G AO Y u ， HU A N G Yi - j i a n C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， H u a q i a o U n i v e r s i t y ， X i a me n 3 6 1 0 2 1 ， C h i n a 【 摘要】 双谱可以描述系统的非线性耦合， 抑制高斯噪声和保留相位信息。当减压阀系统受到零 均值的非高斯噪声干扰时，利用减压阀输出的位移信号建立A R时间序列模型， 通过A R双谱进行减压 阀故障诊断。 结果表明在相同的液压压力下， 减压阀在正常工作和出现故障时的双谱存在明显差异， 双 谱表现出了不同的特征； 对于同一实验组， 在不同的液压压力下减压阀的双谱特征有略微变化， 液压压 力对减压阀的故障诊断影响不大， 这样有助于在实际应用中对减压阀做出快速诊断。 理论和实验说明 了双谱分析是实现液压元件故障检测的有效方法之一。 关键词 减压阀 时间序列I A R双谱； 故障诊断 【 A b s t r a c t 】 B i - s p e c t r u m c a n d e s c r i b e n o n l in e a r c o u p l i n g ， r e s t r a i n G a u s s i a n n o is e a n d r e s e r v e p h a s e i n f o r m a t i o n , Wh e n z e r o m e a n n o n G a l l s s i a n n o i s e i n t e rf e r e s w i t h t h e r e d u c i n g v a l v e s y s t e m A R m o d e l s o f t im e s e r i e s a r e b u i l t w i th o u tp u t d is p l a c e m e n t s ig n a l of t h e v a l v e a n d f a u l t d i a g n o s is f o r t h e v al v e i s d o n e t h r o u g h A R b i - s p e c t r u m， w h i c h r e s u h i n d i c a t e s t h a t t h e r e are c l e a r d if f e r e n t b i - s p e c t r u mf e a t u r e s i n n o r m al a n d u lt s it u at i o n s of t h e r e d u c i n g v a l v e ， a n d b i - s p e c t r u m b e h a v e s d if f e r e n t f e at u r e s f o r t h e s a m e h y d r a u l ic p r e s s u r e ． B i - s p e c t r u m f e atu r e s of r e d u c i n g v al v e c h a n g e s s l i g h t l y u n d e r d if f e r e n t h y d r a u l i c p r e s s u r e i n t h e s a m e e x p e r i m e n t a l g r o u p 。 W h i l e h y d r a u l ic p r e s s u r e h a s l it t l e f f e c t o n f a u l t d i a g n o s i s of r e d u c i n g v al v e ，w h i c h h e l p s i n t h e p r a c t i c al a p p l i c ati o n of r e d u c i n g v al v e t o ma k e a r api d d i a g n o s i s ． e t h e o r y a n d e x p e r i m e n t s h o w t h a t t i m e s e r i e s b i - s p e c t r u m a n aly s i s i s o n e ofw a y s f o r 如u l t d e t e c t i o n ofh y d r a u l i c c o m p o n e n t ． Ke y wo r d s Re d u c i n g v a l v e ； Ti me s e r i e s ； AR Bl - - s p e c t r u m ； Fa u l t d i a g n o s i s 中图分类号 T H 1 6 ， T H 1 3 7 ．5 2 1 文献标识码 A 1引言 目前， 非线性、 非平稳 、 非高斯信号处理技术在机械故障诊 断领域受到越来越多的关注。高阶统计信号处理技术是非线性、 非高斯信号处理的有力工具 ， 它能有效地消除信号中的高斯噪 声， 在反映信号能量的同时， 还保留信号的相位信息， 能定量描述 非线性相位耦合。高阶谱有很强的消噪能力， 理论上能完全抑制 高斯噪声。减压阀故障直接影响液压系统的工作性能， 引起液压 元件、 辅件及管路的损坏， A R双谱分析在液压元件故障诊断等领 域已逐渐得到了应用ll 1 3 _ ％ 2实验装置 液压系统部分给出了减压阀的结构图， 如图 1 所示。一次压 力油经主阀阀口 减压缝隙 流至出口， 得到二次压力油。 1 不工作时， 阀口全开， 阀口开度由出口压力控制； 2 工作 时， 出口压力基本保持不变； 3 泄油方式为外泄漏； 4 主阀芯为 三凸台结构， 主阀芯内部有一阻尼孔， 其阻尼作用使主阀芯上下腔 油液出现压力差。当减压阀进出油口有异物， 或出现漏油现象， 压 力偏高或偏低都会影响到减压阀的正常运行。 工作过程是 传感器 采集减压阀振动位移信号、 加速度信号， 经调理和去噪声后通过数 据采集卡输入到计算机， 在基于 L a b V I E W虚拟仪器控制的平台上 进行处理、 分析和显示。 减压阀的振动测试系统流程， 如图 1 所示。 图 1减压阀振动测试 系统 3建立时间序列模型 3 ． 1自回归时间序列 AR模型 若时间序列 } 满足如下差分方程 ￡ 一 1 Xt _1 2 卜2一 ⋯ Xt ★ 来稿日期 2 0 1 1 - O 1 1 4 ★ 基金项目 国家自然科学基金计划资助项目 5 0 9 7 5 0 9 8 第 1 1 期 高 宇等 A R双谱在减压阀故障诊断中的应用 7 1 式中{ 具有 零均 值和 方差 的 平 稳白 噪 声序 列， 妒 。， ， ⋯， ≠ 0 ， 则称此时间序列{ } 为P阶自回归时间序列， 简记为 A R p ， 这里称 妒 。 ， ， ⋯， 为自回归系数。以A R n 模型为 例， 由控制理论知， n阶线性系统在无外界作用 输入 时， 其 自由运动方程的差分方程为 。 一 一 ％ O 2 当输入为 时， 则有 。 。 一 ‘ -- f , 3 当 为白噪声时 ， 则有 1 。 - 9 X ,t _ 2 一 。 4 式 4 是AR n 模型， 因而从系统的角度看， A R n 模型描述 了一个以白噪声 为输入， 为输出的 n 阶线性系统 ， A R n 的 系统解释， 如图 2 所示。 图2 A R n 的系统解释 通过采集减压阀的振动信号， 信号预处理后得到有色噪声 再建立 A R n 模型， 这样就知道系统的传递函数 ， 从而进行双 谱分析， 分析减压阀系统的动力学特性。 3 ．2 A l l 模型的定阶 采用奇异值分解法 s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ， 简称 S V D 【3 } 给A R模型定阶。它是一种有效地从时间序列中抽取特征动力 系统的方法， 在模型定阶、 信号处理、 图像处理和模式识别等领域 中都有着广泛的应用 。 3 ． 3高阶谱的定义 设高阶累积量 c 一， 是绝对可和的 ∑⋯∑ r 一 ， 一 I 。 o 5 fI I 一 则k阶累积量i 靛 义为k 阶累积量的k - 1 维F o u r i e r 变换， 即 6 0 一 ， to k 一 ． ∑⋯∑c r 一 ， r e x P l 2 2 f7 “i l L l J 6 习惯上， 高阶累积量谱常简称作高阶谱或多谱 ， 三阶累计量 谱又称 A R双谱， 表达式为 ∞ ∞ 。 ， ∞ ∑ ∑c ， 。 ， e 7 l。_ j - 4实验数据分析 采用中数法对数据进行预处理， 去除低频确定性成份获取 有色噪声。实验的采样频 1 0 2 4 H z ； 数据长度为 2 0 0 0 点。设置 4 组实验如下 1 减压阀工作正常状态； 2 故障① 减压阀进油 口加 3 m m的铁芯； 3 故障② 减压阀出油口加 b 3 m m的铁芯； 4 故障③ 将故障①和故障②相结合。每组实验通过改变油压 另做 3 组实验， 其中压力P ， 。实验数据经过 M a t l a b 处理后 得到的A R双谱图和对角切片图， 如图 3 ～ 图 4 所示。因对角切片 具有对称性 ， 所以分析切片的 0 一 段。 图 3中每个图形其中的一个对角区域有较为明显的谱峰， 分布在对角线上， 而另外一个对角线却没有明显的谱峰， 中间部 分也没有较为明显的谱峰。对角切片的中间的部分也没有谱峰， 谱峰基本分布在处。 随着压力P的增加， 双谱稍微有变化， 但谱峰 的分布基本不变。图 4 中的双谱图谱峰分布在两个对角线区域 上， 另一对角的谱峰相对图 3 较为显著； 随着压力P增加， 双谱图 一 个对角谱峰有增高的现象， 双谱谱峰也增多， 但分布基本不变， 从对角切片也能看出峰的位置和总体趋势没有太多变化。 。 a 3 ∞ a 3 衄 3 3 筒 a P I b c 图3正常状态的双谱图、 对角切片图 a b P 2 c 图4故障①的双谱图、 对角切片图 减压阀在故障②状态下的双谱图、 对角切片图可以看出谱 峰分布在中间 处， 图略 。随着压力增大， 双谱图、 对角切片 图没有太大变化， 说明压力对双谱图的影响不是主要因素， 可以 看出谱峰向中间集中是区别其他工作状态的主要特征。 减压阀处于故障③状态， 图略 。谱分布较为杂乱， 说明此 时故障较为严重， 谱峰基本分布在中间区域和 a t ／ 2 处 ， 由于故障 ③是故障②和故障①的组合 ， 所以故障③的双谱图粗略的包含故 障②和故障①的信息， 表现出更复杂的信息 ， 不但峰值分布在中 间区域 ， 周边区域更是明显复杂波峰， 双谱图的峰位置和形状不 同， 这是由于频率成分以及各频率分量之间发生二次相位耦合的 情况不同而反映出来的必然结果_ 】o l 。因此， 从双谱三维图形上的 特征频率处表现出的幅值特性能有效地区别减压阀是处于正常 还是故障状态。 5结论 实验对减压阀在不同的状态下进行了A R双谱分析， 结果表 明A R双谱分析对于减压阀故障识别十分有效， 可得到以 下结论 1 同一组实验， 改变压力P时， 双谱的形状影响不大， 基本 不会影响谱峰的分布。不同组之间的双谱有明显的差别， 因此可 72 机 械 设计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 第 1 1 期 2 0 1 1 年 1 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 1 - 0 0 7 2 0 3 O p e n C V 在条烟视觉检测系统中的应用 冰 周传宏 陈郭宝 王怀虎康少博 上海大学 上海市机械 自动化及机器人重点实验室 ， 上海 2 0 0 0 7 2 Ap p l i c a t i o n o f Op e n CV i n ma c h i n e v i s i o n d e t e c t i o n s y s t e m o f c i g a r e t t e c a s e Z HOU C h u a n h o n g ， CHE N G u o - b a o ， WANG Hu a i - h u， KANG S h a o b o S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i K e y L a b o r a t o ry o f Me c h a n i c a l A u t o m a t i o n a n d R o b o t i c s ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a 【 摘要】 条烟视觉检测系统是安装在条包生产线上， 在条包装箱之前， 对其外观缺陷进行检测的 一 种专用设备。系统可以对生产线上的条包进行实时检测， 并及时剔除外观有缺陷的产品， 具有高速、 高效、 准确的优点。该检测系统是集机械、 光电、 计算机、 通信等技术为一体 自 动化检测系统， 系统具有 }高速、 高效、 准确的优点， 它的使用不仅可以提高烟草生产企业的 自 动化程度， 还可以降低工人的劳动 程度， 改善工作环境， 保证产品的质量。对常见条烟检测项进行 了算法设计， 并利用某公 司的开源计算 机视觉库 O p e n C V进行算法实现 ， 提 高了检测速度和精度。 l 关键词 O p e n C V； 条烟检测； 机器视觉； 图像处理 } 【 A b s t r a c t 】 T h e c i g a r e t t e c a s e d e te c t io n s y s t e m is n s p e c i a l d e v ic e ， w h ic h i s i n s t al l e d o n t h e p r o d u c l t i o n l i n e i n f r o n t o f p a c k i n g ma c h i n e t o d e t e c t t h e a p p e ara n c e d e f e c t ． e s y s t e m c a n d e t e c t c i g are t t e c ase i n } r e al - t i m e a n d r e m o v e th e d ef e c t iv e p r o d u c t s i n t im e w i t h c h ar a c te r is t ic s o f h ig h - s p e e d , e f fi c i e n t and a c c u l r a t e ， w h i c h is an a u t o - d e t e c t i o n s y s t e m c o v e r i n g m e c h a n ic ， o p t ic a l ， e l e c t r ic ， c o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o n s }a s w e l l as o t h e r t e c h n o l o g i e s ． e a p p l i c ati o n of t h e s y s t e m g r e a t l y i m p r o v e s t h e a u t o m a t i o n of t h e t o b a c c o i c o m p a n y ； I n a d d i t io n ， i t 0 c a n r e d u c e t h e l a b o r i n t e n s i ty ， im p r o v e t h e w o r k i n g e n v i r o n men t a n d e n s u r e t h e p r o d u c t q u al i t y ． The al g o r i t h m f o r c o mm o n d e t e c t i o n i t e m s of c i g a r e t t e c ase w as d e s i g n e d a n d t h e o p e n l s o u r c e c o m p u t e r v is i o n l i b r ar y O p e n C V of I n te l C o m p a n y W as u s e d t o im p r o v e t h e d e t e c t io n s p e e d and a c 一 ；c u r acy i n it ． ； K e y w o r d s O p e n C V ； C i g a r e t t e c a s e d e t e c t i o n ； Ma c h i n e v is i o n ； I ma g e p r o c e s s i n g 中图分类号 T H 1 6 ， T P 2 7 4 ．5 文献标识码 A 1 弓 I 言 生 产 精 度 的 要 求 越 来 越 高 ， 在 这 种 情 况 下 高 效 率 和 高 精 度 的 检 测 随着科学技术的飞速发展，工业生产中人们对生产效率和 就显得尤为关键。 ★ 来稿日期 2 0 1 1 - O l 一 2 0 女 基金项目 “ 校学科开放课题” 的资助 B ． 1 3 - 0 1 0 9 0 5 0 2 2 以识别故障的类型。 2 高阶谱能有效地抑制高斯噪声， 是一种功能优越的信号 分析方法。谱峰的形状反映能量分布的差异， 可以整体观察系统 的动态特性。 3 双谱的对角切片更直观地表达了峰值所对应的频率位 置， 清晰表明故障的存在与否。 4 双谱分析可以有效监测减压阀的工作状态． 进一步验证 了双谱分析是一种有效的故障诊断方法。 参考文献 [ 1 ] 赵慧敏， 夏超英， 等． 柴油发动机曲轴轴承振动信号的双谱分析[ J ] ．振 动、 测试与诊断， 2 0 0 9 ， 2 9 2 1 1 4 1 1 9 ． [ 2 ] 杨叔子， 吴雅， 等． 时间序列分析的工程应用[ M I ． 武汉 华中科技大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 蒋雨燕， 黄宜坚．调速阀故障诊断的A R双谱定阶方法比较[ J ] ．华侨大 学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 2 1 2 3 1 2 6 ． [ 4 ] S Ho l m ．S i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n i n a u t o r e g r e s s i v e o r d e r d e t e r mi n a t i o n l J j ．P r o c ．E u r o ． S i g n a l P r o c e s s i n g C o n f ， 1 9 8 8 ． 5 J KS H I N ， S A ．F E RA D A Y， a n d CJ ．H AR R I S ． O p t i ma l a u t o r e g r e s s i v e m o d e | i n g o f a me a s u r e d n o i s y d e t e r mi n i s t i c s i g n al us i n g s i ng u l a r v a l u e d e c o mp o s i t i o n [ J ] ．Me c h a n i c a l S y s t e ms a n dS i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 3 ， 1 7 2 4 2 3 - -4 3 2 ． [ 6 ] Gu o h u i H e a n d J u n y i n g G a n ．Ame t h o d f o r s i n g u l a r v alu e f e a t u r e e x t r a c t i o n o f f a c e i ma g e l C J ．P r o c e e d i n g s o f l S I MP2 0 0 4 ， I E E EP r e s s ， 2 0 0 4 3 7 - 4 0 ． [ 7 ] 丁海征． 基于奇异值分解的数字图像的特征提取[ J 1 ． 工程数学学报， 2 0 0 4 ， 2 1 8 1 3 1 - 1 3 4 ． [ 8 ] 刘献栋， 潘存治， 杨绍普． 基于奇异值分解的信号处理方法及其频谱特 征[ J ] ． 石家庄铁道学院学报， 2 0 0 1 ， 1 4 1 2 9 3 2 ． [ 9 ] 张严， 王树勋， 李生红二次相位耦合的维谱分析[ J ] ． 电子学报， 1 9 9 6 ， 6 4 4 1 0 9 1 1 2 ． [ 1 O ] 刘雪霞， 张琦扁 阶谱分析技术在轴承故障信号特征提取中的应用[ J ] _ 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 7 1 5 5 1 6 0 ．