一种基于EMT技术的故障诊断方法研究

摘 要 经验小波变换延承了经验模态分解和小波分析二者的优势，经验小波的主要原理是对频域极大值点自适应分割傅里叶频谱对不同的模态进行分离，在此基础之上在频域自适应的构造带同滤波器组实现对正交小波函数构造，这样就可以提取有紧支撑傅立叶频谱的AM-FM成分。本文主要对经验小波变换进行理论分析，并提出一种经验小波变换的机械故障诊断方法。

【关键词】经验小波 故障诊断

1 理论阐述

EMD（经验模态分解）是1998年由美籍华人黄锷等人率先提出的，EMD是一种新的自适应信号时频分析方法。EMD最大的特点在于其克服传统方法当中利用没有意义的谐波分量来表示不平稳以及非线性信号的缺陷。EMD在使用的过程中呈现出了十分良好的时频聚焦性。该技术在非线性以及非平稳信号的分析处理等方面呈现出了良好的性能并得到了广泛应用。截至目前，EMD得到了广泛应用，并在实际应用的过程中展现出了良好的性能。随着对EMD技术研究的不断深入，该技术存在的一些缺陷也逐渐暴露出来，这对该技术应用造成不利影响。EMD技术存在的主要问题在于以下几个方面：首先，EMD是一种经验性的方法，缺乏必要的理论基础，EMD技术虽然得到了广泛应用，但是在实际上EMD方法分解得到的IMF分量正交性还缺乏理论证明；其次，EMD在具体使用的过程中由于其收敛条件不合理、过包络以及欠包络等问题会导致出现模态混叠情况；最后，EMD技术在使用的过程中药分解出一个IMF分量，这个过程中需要进行多次迭代，因此，使用该技术想要得到一个实际信号所有的IMF分量，必须要进行长时间的计算。

针对EMD技术中存在的缺陷，Gilles依托EMD技术的自适应性以及小波分析的框架，提出了一种新的自适应信号处理方法也就是EWT（经验小波变换）。本方法的主要原理是通过对信号的频谱进行自适应划分，从而构造合适的正交小波滤波器组从而提取有紧支撑傅里叶频谱的AM-FM成分，在此基础上，对已经提取出来的AM-FM模态进行Hilbert变换，就可以得到有意义瞬时频率和瞬时幅值，这样就可以得到Hilbert谱。由于小波变换技术是建立在小波框架之上的，因此该技术剧由坚实的理论技术，并且该技术在具体使用的过程中起计算任务要远远小于EMD。文章在写作的过程中，讨论了一种基于EWT技术的机械故障诊断方法，结果证明EWT方法的有效性。

2 一种基于emt技术的机械故障诊断方法

为了验证经验小波变换在机械故障诊断中的有效性，文中将EWT技术具体应用到双盘转子的磨碰数据研究当中。实验选择的转子是通过电机进行驱动的，轴承是互动轴承，并通过非接触式的电涡流传感器测量垂直于水平方向上的转动。

转子的径向碰磨故障通过以下的装置进行模拟，通过对不同内径定子置换，可以对不同的碰撞摩擦故障进行模拟，如图1所示。在转子的转速为3000r/min情况下，采样的频率是1.6kHz，采样点数是1024。通过传感器可以得到两种不同碰磨程度下的振动信号以及频谱图。

对得到的数据进行经验小波变换，采取相对振幅比a=0.15。

利用EWT技术可以使时频图得到更好的分割，主要的倍频都处于支撑边界的中间，且严重碰磨的分割断段数N比轻微碰磨大。当转子出现比较轻微的碰磨时，高阶频率分量会表现出周期性的冲击信号，与此相反，低阶频率分量则比较微弱，当转子出现比较轻微碰撞时，轻微碰磨Hilbert谱分量反映明显，增值也基本上处于稳定状态，并且会持续存在，而在高阶部分则比较微弱，但都是周期性被激发的。当转子出现严重的碰磨时，倍频成份十分丰富，并且其高阶频率分量的幅值也很大，高阶频率分量都表现出了一定的冲击特性， Hilbert幅值不会发生变化，在更高阶频率成份反映的也比轻微碰磨时更加明显， 并且较有规律地间断地出现。

通过文中具体的分析，我们可以得知在机械故障检测中使用EWT变换可以根据频率特征有效的从低频到高频自适应地分解碰磨故障信号。在进行故障诊断时，Hilbert谱能够客观地反映转子碰磨故障的严重程度，并且能够客观地显示碰磨故障的频率特征结构。当转子出现比较轻微的碰磨故障时，此时低阶频率分量持续存在，并且幅值比较稳定，高阶频率分量则十分轻微，随着转子碰磨不断加重，低阶频率分量仍然存在，这时高阶的频率成分的幅度则会出现周期性的变化，并且幅值增加也十分明显。

3 结语

文中主要对经验小波变换进行了理论分析，并以双盘转子为例研究了经验小波变换在机械故障检测中的应用。相对于EMD技术，EWT技术具有更好的适用性，可以预见EWT技术将得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]李志农，朱明，褚福磊，肖尧先.基于经验小波变换的机械故障诊断方法研究[J].仪器仪表学报，2014（11）.

[2]雷亚国.基于改进Hilbert-Huang变换的机械故障诊断[J].机械工程学报，2011（05）.

作者简介

郝瑞卿（1985-），女，山西省人。硕士学位。现为西安航空职业技术学院助教。研究方向为机械制造及其自动化、项目工程。

作者单位

西安航空职业技术学院 陕西省西安市 710089