基于奇异值分解技术的离心机故障诊断.doc

基于奇异值分解技术的离心机故障诊断 李琳 控制学院 检测技术与装置专业 2010010218 摘要：在简单介绍WH-800型离心机基本结构及工作原理的基础上,介绍了基于重构吸引子轨迹矩阵的奇异值分解技术,并引入自相关函数对现有奇异值分解技术加以改进.通过对现场实测故障信号的分析,表明改进的奇异值分解技术具有很好的降噪效果,能在强噪声背景环境下准确提取设备的故障特征信号,为离心机的故障诊断提供了一种新的思路. 1．问题的提出 目前WH-800型卧式单级活塞推料、连续操作的过滤式离心机是化肥生产企业的主要设备，它的正常工作与否直接影响到企业的化肥产量及经济效益。然而,现有的文献表明利用先进信号处理技术对离心机进行故障诊断的很少,大多只是维修工作经验总结。本文介绍的奇异值分解技术在机械系统故障诊断领域已有应用[1]。基于重构吸引子轨迹矩阵的奇异值分解技术的降噪方法的提出，成功解决了故障诊断中一般不能检测出来的问题，而且该种技术已经应用到了现实中；文献[2-4]分别利用奇异值分解技术对声音故障信号，齿轮箱故障信号进行降噪处理，都取得了较好的效果；文献[5]通过奇异值降噪成功提取信号中的周期成分(奇异谱分析)；而刘献栋、何田[6]等人反其道而行，利用奇异值分解技术降低了平滑信号及噪声信号的影响,成功地从噪声背景下提取出了所需的冲击信号。 在现有研究的基础[7]上，对现有奇异值分解技术加以改进,获得了更好的降噪效果，并引入离心机故障诊断中.针对石家庄某化肥厂碳化岗位应用的WH-800型卧式活塞推料离心机故障振动信号进行分析，成功提取其中轴不对中引起的故障特征。 2．问题的求解 一、离心机主要结构及工作原理 1.1主要结构 WH-800型卧式活塞推料离心机主要由筛篮、主轴、推料器及机座等组成。主轴安装在机座的前轴承和后轴承内，由电机通过皮带轮带动旋转，主轴是空心的，在它的一端装有旋转的筛篮，在筛篮内壁覆有筛网。在空心轴里面放有推杆，推杆的一端安装推料器，另一端安装活塞。活塞位于油缸内，受油压作用做往复运动，而使推料器在筛篮内做往复运动。活塞、推杆和推料器随主轴一同旋转。 1.2　工作原理 从碳化主塔取出的悬浮液中，含有40%-60%的碳酸氢铵固体结晶，为了把碳酸氢铵固体结晶出来，需要把悬浮液连续地从加料管进入随筛网一同旋转的锥形布料斗内，由于离心的作用，悬浮液均匀地分布在筛网的内周。母液在离心力作用下经筛网中缝隙和筛篮上的小孔被甩出，从外壳下部的母液出口排出。固体的碳酸氢铵结晶则沉积在筛网上形成滤渣区，因推料器周期地往复移动，将滤渣层沿筛篮的轴不断地向前推移，最后被推至外壳前部的出料口而卸出。 1.3　主要的性能参数 (1)转鼓内径800mm；(2)转鼓转速820r/min；(3)推料往复次数25次/min；(4)油压系统工作压力1.6Mpa；(5)推料器最大行程40mm；(6)离心机生产能力(以碳酸氢铵计)5t/h。 二、奇异值分解技术 ?2.1　奇异值分解技术 设A为一个m×n维实矩阵,它的奇异值分解是指存在酉矩阵U∈Rmxm,UUT=I和V∈Rn×n，VVT=I，以及矩阵Λ=[diag{λ1，λ2，…，λp}:0]使得: A=UΛVT???????????(1) 式中:λ1≥λ2≥λ3≥…≥λp0称为矩阵A的奇异值。矩阵A的秩为p，且p≤min(m，n)。U、V分别称为矩阵A的左、右奇异矩阵。 时间序列重构的吸引子轨迹矩阵 假设具有含故障齿轮箱的某通道的振动信号为；X=[x1，x2，x3，…，xN]，并且其故障信号是调制型的。重构的吸引子轨迹矩阵为如式(2)所示，此时满足m+n-1=N。 (2) 但是，由于能否成功进行重构吸引子轨迹矩阵奇异值分解的关键在于选择恰当的延迟步长τ：若τ过小，则重构矩阵各行几乎相同，不是独立坐标而若τ过大，则各行之间虽然相关性减小，但重构矩阵需要更长的时间序列。因此，选择一个适宜的延迟步长τ，使得延迟后的序列携带原序列所不具备的最多信息，而且所需时间序列不至于太长。 具体方法是，计算测试信号时间序列X=[x1，x2，x3，…，xN]的自相关函数序列：??????????? ， k=0，1，2，……，N (3) 取为获得稳定序列第一个极小值时所对应的k值。利用该方法对上述重构吸引子轨迹矩阵进行改进：首先，计算测试信号的自相关函数，已确定对应的k值，即最小延时补偿；然后以为延时进行再重构吸引子矩阵。改进后吸引子矩阵如（4）式，此时满足 (4) 将Dm表示成：Dm=D+W+V,其中D是周期信号对应的在重构相空间中的吸引子轨迹矩阵,W是由故障信号对应的轨迹矩阵,V表示噪声对应的轨迹矩阵。 2.3故障